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        錢江晚報 動物也能“光合作用” ,讓衰老病變的細胞“返老還童”!浙大邵逸夫醫院這項研究登上《自然》雜志

        2022-12-09 287

        文章來源:錢江晚報·小時新聞    2022128

        吃完菠菜大力無窮,很多70后、80后對大力水手這個卡通形象印象深刻。

        如今,一群科學家讓動畫片里的這一幕照進了現實:他們從菠菜中提取了一種具有光合作用的生物電池,并將其運用到動物細胞內。

        這意味著,動物細胞也可能擁有和植物一樣的光合作用,逆轉細胞退變衰老的時光之門被敲開。

        完成這項研究的是浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院骨科林賢豐醫師、范順武教授團隊和浙江大學化學系唐??到淌趫F隊,他們在國際上首次實現將植物的類囊體跨物種遞送到動物體衰老病變的細胞內。

        北京時間128日,這項原創性科研成果被國際頂級期刊《自然》(Nature)雜志以長文(Article)形式刊登。

        細胞衰老,怎么給它補充能量

        遵循自然規律、創新性突破向細胞輸送能量的世界難題、開辟了代謝工程的可能性……” 《自然》(Nature)雜志資深編輯和審稿人對浙大邵逸夫醫院科研團隊的這項最新研究成果給予高度評價。

        據介紹,該項研究最令人興奮之處在于,團隊開發了細胞膜納米涂層技術,將哺乳動物細胞膜包覆在納米化植物類囊體外層,通過細胞膜偽裝包封的方式巧妙地將植物類囊體種間移植到哺乳動物細胞,成功解鎖跨物種間的能量傳遞的密碼,實現特異性供應能量,并在退行性骨關節炎疾病的治療應用中得以驗證。

        聽起來非常專業,文章的幾位通訊作者對此做了通俗詳盡地解釋。

        很多研究發現,骨科但不限于骨科的很多疾病,根源都在細胞能量不足,這是組織衰老和退行性疾病發生發展的關鍵原因。范順武解釋,正如人類一日三餐需要補充營養一樣,細胞更新代謝也需要能量和物質補給,而ATP NADPH就是細胞再生修復不可或缺的能量貨幣。

        作為臨床醫生,林賢豐也在思考,有什么樣的方法可以讓細胞再生修復,像骨關節炎、腰椎間盤突出、骨質疏松,都是因為細胞出現衰老,能量不足造成的。

        研究團隊逛了10多趟菜市場

        就像手機沒電了,你要及時給它充電。一直以來,向退變細胞提供直接能量和物質都是個科學難題。

        修復細胞的方法目前確實有很多,但各有不足。我們希望能找到一種更優的辦法。林賢豐提出一個設想:能否設計一個充電裝置,在細胞內可控地產生ATPNADPH。

        基于浙大邵逸夫醫院骨科科研團隊在生物材料領域的長期深耕,團隊將目光投向了自然界。

        植物通過吸收二氧化碳產生氧氣和糖,是否能讓植物的能量供應系統成為動物細胞補給能量的生物電池?

        “‘眾里尋她千百度,驀然回首,那人卻在,燈火闌珊處。我們的研究也是類似,驀然回首,我們要找的這個生物電池就在植物里。林賢豐解釋,產生光合作用的葉綠體中有一個叫做類囊體的基本單位,它正是一個可控又穩定生成ATPNADPH的能量工廠。

        為了推進這項研究,團隊做的第一件事是去逛菜市場。

        我們要尋找一種能大量提取葉綠體的蔬菜。林賢豐說,他們為此跑了10多趟菜場,先后買回胡蘿卜、大青菜、白菜等各類蔬菜試驗,最后發現,菠菜最合適,因為它的葉子是全綠的,葉綠素含量高。

        穿上迷彩服,打開這扇門

        研究團隊順利從菠菜中提取出了足夠的類囊體,最大的困難也擺在了面前:補給能量的電池就緒,接口在哪?如何將這個植物的類囊體安全、精準地遞送到動物的衰老退變細胞內呢?

        這其實是跨物種遞送,將植物擁有的東西遞送給動物,這類研究在國際上一直進展緩慢。范順武表示,人體擁有一套復雜的免疫系統,以巨噬細胞為主的各類免疫細胞會對異物進行主動識別和吞噬清除,進而再通過溶酶體降解消化異物。

        這就意味著,類囊體一進入人體,就會被免疫系統識別,繼而被消滅。

        如何才能克服物種間的屏障?

        團隊成員、浙大邵逸夫醫院骨科陳鵬飛嘗試了脂質體包載等多種遞送方法,但始終沒有取得預期的理想效果。有一天,突然想到,用細胞自己的細胞膜來包載怎么樣?

        動物細胞都有細胞膜,細胞膜的外側與外界環境相接觸,交換物質,吸收營養物質,排出代謝廢物,分泌與運輸蛋白質等。

        只要突破了這層膜,類囊體就能進入動物細胞中。

        可以用細胞膜把類囊體包裹起來。” 林賢豐打了個比喻:這里的細胞膜就像是作戰時使用的迷彩服,裹著類囊體的細胞膜進入動物細胞后,不會被識別為異物,這樣細胞內的免疫系統就會打開大門,讓它進入,“‘進了這個門,就是一家人,一旦被放進來,就不會在體內再產生免疫排斥。

        外源生物材料從溶酶體逃離是實現成功遞送的重要環節,我們通過試驗反復驗證了動物細胞不再將納米類囊體作為異物進行清除,從而使其成為它的一部分。研究團隊成員、浙大邵逸夫醫院生物醫學研究中心特聘研究員劉欣補充,這也就意味著,研究團隊掌握了延緩動物細胞退變衰老的黑科技。

        小白鼠的軟骨從“60變成“20

        研究到此,已經取得了巨大的突破,因為目前為止,即便在國際上,實現這種跨物種遞送研究的,也不多見。

        對這研究團隊來說,這還遠遠不夠

        我們還要檢驗,這類生物電池是否能逆轉病變細胞代謝狀態。” 林賢豐說。

        團隊首先選擇了骨關節炎的疾病模型進行驗證。

        骨關節炎是目前臨床上致畸致殘的最主要原因之一,正是由于軟骨細胞的能量代謝失衡,ATP、NADPH耗竭而導致關節軟骨破壞。

        目前骨關節炎的生物治療還無法系統性地糾正損傷退變軟骨細胞的代謝失衡,因此臨床預后不佳。

        研究團隊據此進一步在雄性、雌性,以及老年骨關節炎小鼠中進行治療、試驗。給這些小鼠分別注入用細胞膜偽裝的納米類囊體,然后用紅光進行照射,使其產生光合作用。

        試驗證明,在光照下,這類類囊體在動物細胞中可以持續16個小時發揮作用。

        光合作用下,退變的動物細胞實現修復,只需要半個小時到一個小時。林賢豐說。

        在經過每周兩次注射類囊體、持續注射8周后,小白鼠的骨關節情況得到明顯改善。最終達到的效果是,相當于“60衰老退變軟骨恢復到“20狀態。同時全面評估實驗動物的心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟等器官,都未發現病理異常。

        研究團隊的成員大多是90

        這項研究的關鍵原材料源于天然植物,生物安全性高,同時細胞膜納米涂層技術具備規?;a潛力,這一創新性技術有望未來在醫學、能源、材料等領域實現應用。唐??到淌谡f。

        我們不斷尋求各種跨學科的技術手段,系統地驗證了軟骨細胞膜包封的納米類囊體不僅可以有效地逃避免疫系統清除,同時還能夠被退變的軟骨細胞選擇性攝取。通過體外無創化光照治療,實現退行性骨關節炎疾病的治療。對這項研究的前景,范順武也充滿期待,未來,我們希望這項研究成果能應用在其他疾病的治療上,比如心腦血管的再生修復、肌肉萎縮等。一些疾病不用手術,也能得到治療。

        參與此次研究的浙大邵逸夫醫院骨科團隊成員大多都是90后,林賢豐今年剛剛32歲,這個年輕的團隊經過4年的研究,取得了巨大的成就。

        用植物界的原理來解決動物細胞的問題,這種思路非常新穎,這在科學研究中難能可貴。我們年輕的醫生以臨床問題為導向,多學科交叉,融合創新,進行面向世界前沿的科學研究,這是真正體現了生命至上、健康至上。浙大邵逸夫醫院院長蔡秀軍說。

        接下來,研究團隊已同步遞交發明專利并著手進一步的研究,希望未來四五年,能實現臨床轉化。

         

        記者 吳朝香 通訊員 李文芳 葉筱筠

         

         

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