钱江晚报 动物也能“光合作用” ，让衰老病变的细胞“返老还童”！浙大邵逸夫医院这项研究登上《自然》杂志

文章来源：钱江晚报·小时新闻    2022年12月8日

“吃完菠菜大力无穷”，很多70后、80后对“大力水手”这个卡通形象印象深刻。

如今，一群科学家让动画片里的这一幕照进了现实：他们从菠菜中提取了一种具有光合作用的“生物电池”，并将其运用到动物细胞内。

这意味着，动物细胞也可能拥有和植物一样的光合作用，逆转细胞退变衰老的“时光之门”被敲开。

完成这项研究的是浙江大学医学院附属邵逸夫医院骨科林贤丰医师、范顺武教授团队和浙江大学化学系唐睿康教授团队，他们在国际上首次实现将植物的类囊体跨物种递送到动物体衰老病变的细胞内。

北京时间12月8日，这项原创性科研成果被国际顶级期刊《自然》（Nature）杂志以长文（Article）形式刊登。

细胞衰老，怎么给它补充能量

“遵循自然规律、创新性突破向细胞输送能量的世界难题、开辟了代谢工程的可能性……” 《自然》（Nature）杂志资深编辑和审稿人对浙大邵逸夫医院科研团队的这项最新研究成果给予高度评价。

据介绍，该项研究最令人兴奋之处在于，团队开发了细胞膜纳米涂层技术，将哺乳动物细胞膜包覆在纳米化植物类囊体外层，通过细胞膜伪装包封的方式巧妙地将植物类囊体种间移植到哺乳动物细胞，成功解锁跨物种间的能量传递的“密码”，实现特异性供应能量，并在退行性骨关节炎疾病的治疗应用中得以验证。

听起来非常专业，文章的几位通讯作者对此做了通俗详尽地解释。

“很多研究发现，骨科但不限于骨科的很多疾病，根源都在细胞能量不足，这是组织衰老和退行性疾病发生发展的关键原因。”范顺武解释，正如人类一日三餐需要补充营养一样，细胞更新代谢也需要能量和物质补给，而ATP和 NADPH就是细胞再生修复不可或缺的能量货币。

作为临床医生，林贤丰也在思考，有什么样的方法可以让细胞再生修复，“像骨关节炎、腰椎间盘突出、骨质疏松，都是因为细胞出现衰老，能量不足造成的。”

研究团队逛了10多趟菜市场

就像手机没电了，你要及时给它充电。一直以来，向退变细胞提供直接能量和物质都是个科学难题。

“修复细胞的方法目前确实有很多，但各有不足。我们希望能找到一种更优的办法。”林贤丰提出一个设想：能否设计一个“充电”装置，在细胞内可控地产生ATP和NADPH。

基于浙大邵逸夫医院骨科科研团队在生物材料领域的长期深耕，团队将目光投向了自然界。

植物通过吸收二氧化碳产生氧气和糖，是否能让植物的能量供应系统成为动物细胞补给能量的“生物电池”？

“‘众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处’。我们的研究也是类似，蓦然回首，我们要找的这个生物电池就在植物里。” 林贤丰解释，产生光合作用的叶绿体中有一个叫做类囊体的基本单位，它正是一个可控又稳定生成ATP和NADPH的能量工厂。

为了推进这项研究，团队做的第一件事是去逛菜市场。

“我们要寻找一种能大量提取叶绿体的蔬菜。” 林贤丰说，他们为此跑了10多趟菜场，先后买回胡萝卜、大青菜、白菜等各类蔬菜试验，“最后发现，菠菜最合适，因为它的叶子是全绿的，叶绿素含量高。”

穿上“迷彩服”，打开“这扇门”

研究团队顺利从菠菜中提取出了足够的类囊体，最大的困难也摆在了面前：补给能量的“电池”就绪，“接口”在哪？如何将这个植物的类囊体安全、精准地递送到动物的衰老退变细胞内呢？

“这其实是跨物种递送，将植物拥有的东西递送给动物，这类研究在国际上一直进展缓慢。”范顺武表示，人体拥有一套复杂的免疫系统，以巨噬细胞为主的各类免疫细胞会对异物进行主动识别和吞噬清除，进而再通过溶酶体降解消化异物。

这就意味着，类囊体一进入人体，就会被免疫系统识别，继而被消灭。

如何才能克服物种间的屏障？

团队成员、浙大邵逸夫医院骨科陈鹏飞尝试了脂质体包载等多种递送方法，但始终没有取得预期的理想效果。“有一天，突然想到，用细胞自己的细胞膜来包载怎么样？”

动物细胞都有细胞膜，细胞膜的外侧与外界环境相接触，交换物质，吸收营养物质，排出代谢废物，分泌与运输蛋白质等。

只要突破了这层膜，类囊体就能进入动物细胞中。

“可以用细胞膜把类囊体包裹起来。” 林贤丰打了个比喻：这里的细胞膜就像是作战时使用的“迷彩服”，裹着类囊体的细胞膜进入动物细胞后，不会被识别为异物，这样细胞内的免疫系统就会打开大门，让它进入，“‘进了这个门，就是一家人’，一旦被放进来，就不会在体内再产生免疫排斥。

“外源生物材料从溶酶体逃离是实现成功递送的重要环节，我们通过试验反复验证了动物细胞不再将纳米类囊体作为‘异物’进行清除，从而使其成为它的一部分。”研究团队成员、浙大邵逸夫医院生物医学研究中心特聘研究员刘欣补充，这也就意味着，研究团队掌握了延缓动物细胞退变衰老的“黑科技”。

小白鼠的软骨从“60岁”变成“20岁”

研究到此，已经取得了巨大的突破，因为目前为止，即便在国际上，实现这种跨物种递送研究的，也不多见。

对这研究团队来说，这还远远不够

“我们还要检验，这类‘生物电池’是否能逆转病变细胞代谢状态。” 林贤丰说。

团队首先选择了骨关节炎的疾病模型进行验证。

骨关节炎是目前临床上致畸致残的最主要原因之一，正是由于软骨细胞的能量代谢失衡，ATP、NADPH耗竭而导致关节软骨破坏。

目前骨关节炎的生物治疗还无法系统性地纠正损伤退变软骨细胞的代谢失衡，因此临床预后不佳。

研究团队据此进一步在雄性、雌性，以及老年骨关节炎小鼠中进行治疗、试验。给这些小鼠分别注入用细胞膜“伪装”的纳米类囊体，然后用红光进行照射，使其产生光合作用。

试验证明，在光照下，这类类囊体在动物细胞中可以持续16个小时发挥作用。

“光合作用下，退变的动物细胞实现修复，只需要半个小时到一个小时。” 林贤丰说。

在经过每周两次注射类囊体、持续注射8周后，小白鼠的骨关节情况得到明显改善。最终达到的效果是，相当于“60岁”衰老退变软骨恢复到“20岁”状态。同时全面评估实验动物的心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏等器官，都未发现病理异常。

研究团队的成员大多是90后

“这项研究的关键原材料源于天然植物，生物安全性高，同时细胞膜纳米涂层技术具备规模化生产潜力，这一创新性技术有望未来在医学、能源、材料等领域实现应用。” 唐睿康教授说。

“我们不断寻求各种跨学科的技术手段，系统地验证了软骨细胞膜包封的纳米类囊体不仅可以有效地逃避免疫系统清除，同时还能够被退变的软骨细胞选择性摄取。通过体外无创化光照治疗，实现退行性骨关节炎疾病的治疗。” 对这项研究的前景，范顺武也充满期待，“未来，我们希望这项研究成果能应用在其他疾病的治疗上，比如心脑血管的再生修复、肌肉萎缩等。一些疾病不用手术，也能得到治疗。”

参与此次研究的浙大邵逸夫医院骨科团队成员大多都是90后，林贤丰今年刚刚32岁，这个年轻的团队经过4年的研究，取得了巨大的成就。

“用植物界的原理来解决动物细胞的问题，这种思路非常新颖，这在科学研究中难能可贵。我们年轻的医生以临床问题为导向，多学科交叉，融合创新，进行面向世界前沿的科学研究，这是真正体现了生命至上、健康至上。”浙大邵逸夫医院院长蔡秀军说。

接下来，研究团队已同步递交发明专利并着手进一步的研究，希望未来四五年，能实现临床转化。

 

记者 吴朝香 通讯员 李文芳 叶筱筠