【Nature】人也能“光合作用”！浙大最新研究让衰老细胞“返老还童”

2022年11月7日，浙江大学医学院附属邵逸夫医院林贤丰、范顺武与浙江大学化学系唐睿康团队在《Nature》发布了研究论文。该研究实现了向哺乳动物细胞跨物种植入来自植物的天然光合系统，并让植入的光合系统独立提供关键能量代谢来可控增强细胞合成代谢，实现了光合作用系统的跨界医学应用，在衰老退行性疾病（骨关节炎）治疗中显示出了良好的临床应用前景。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y

研究背景

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在病理状态下，细胞内的能量（ATP）和还原当量（NAPDH）会严重缺乏。三羧酸循环（TCA循环）是大多数哺乳动物细胞产生ATP的主要能量代谢过程。因此，靶向TCA循环的干预措施有望纠正病理状态下的ATP供应失调。然而，TCA循环涉及细胞内的多种代谢网络，递送特定因子以改变其内源性途径可能会导致细死亡，而直接提供外源性ATP对细胞代谢影响不大。NADPH的还原形式可以为合成反应和氧化还原平衡提供还原能力，细胞NADPH水平通过多种代谢途径的产生和利用来调节，直接干预这些途径则可能导致细胞代谢失衡。

此外，NADPH价格昂贵，而且不加控制的NADPH供应会导致细胞毒性超氧化物的产生，这反过来又会导致氧化应激。这些特性的存在，限制了NADPH的临床应用。因此，构建一个可控且独立的ATP和NADPH自我供应系统对增强细胞合成代谢具有重要意义。

研究过程

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在这项研究中，作者以骨关节炎小鼠模型为例进行了探索。骨关节炎的本质是软骨细胞的退变、老化。ATP、NADPH的耗竭导致细胞内合成代谢受损，胶原蛋白、蛋白聚糖等胞外基质蛋白的合成减少。目前，针对这种衰老退行性疾病的疗法无法扭转这一失衡状态，因此预后不佳。

为了恢复软骨细胞的功能，研究团队采用了新兴的细胞膜纳米涂层技术，利用小鼠的软骨细胞膜封装纳米化的类囊体，并注射到软骨受损的部位。这些“人工细胞器”迅速穿透细胞膜，注射24小时后在软骨组织中均匀分布。作为对照，使用脂质纳米颗粒包裹的类囊体止步于细胞表面。此时的类囊体仍处于“沉睡”状态，而“唤醒”类囊体的方式自然就是光照刺激。外部一束光透过小鼠的皮肤到达软骨细胞内部，这时类囊体开始运转、生产出ATP和NADPH。

研究团队观察到，光照刺激使得软骨细胞内的ATP和NADPH水平显著提升，衰老细胞的合成代谢也得到恢复。更重要的是，小鼠的关节健康状况得到明显改善。根据关节健康水平通用的评估方法，评分为5的小鼠通过治疗，可以回到1.5分的状态。软骨细胞的状态也相当于从人类的60岁回到20岁。

研究意义

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该研究实现了向哺乳动物细胞跨物种植入天然光合系统，并让植入的光合系统独立提供关键能量代谢来可控增强细胞合成代谢，在退行性疾病治疗中显示出了良好的临床应用前景。这项研究还增强了我们对生物有机体和复合生物材料的制备和应用的理解，提出了一种新的医疗模式。

 此外，研究人员表示这项研究成功具有很强的转化应用价值，可以在医学中探索骨关节炎以及其他疾病（例如重要脏器的供能）的治疗；也可以与跨学科团队合作探索在生物燃料和代谢工程领域应用。最重要的是，团队从项目开始设计之初就考虑到了转化意义，这也是研究中选择菠菜作为叶绿体内囊体来源的原因，团队目前正在正在积极探索，希望将这项研究推进到临床，形成切实可行的医疗产品。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。