《自然》發表最新研究：植物“電池”讓動物細胞從衰老變年輕

研究作用機制示意圖 本文圖均由浙大邵逸夫醫院提供

從菠菜中提取具有光合作用的“生物電池”類囊體，將動物細胞膜包裹于納米化類囊體外層做“偽裝”，再跨界傳遞到哺乳動物衰老病變的細胞內，讓動物細胞也通過光合作用獲取能量，從衰老退變的狀態重新變年輕——這不是科幻片，而是最新發布于國際頂級期刊《自然》（Nature）雜志的科研成果。

北京時間12月8日，這項由浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院和浙江大學科研團隊進行的原創性科研成果論文《基于植物來源的天然光合作用系統增強細胞合成代謝》（A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism）在《自然》雜志以長文（Article）形式刊登。

該論文已在最新一期《自然》雜志刊發

“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》雜志一位資深編輯和審稿人對這項最新研究成果給予高度評價。

“我們在小鼠的退化關節進行實驗，發現治療幾周時間后，原本相當于人類60歲狀態的衰老退變軟骨恢復到20歲水平。”論文通訊作者、浙大邵逸夫醫院骨科主任范順武教授向澎湃新聞（www.ditubang.cn)表示，這項研究的原材料源于天然植物，安全性高，未來有望在腦部、肌肉、器官、皮膚等多部位運用。

大力水手吃菠菜，“我們就選了菠菜”

該論文第一作者為浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院陳鵬飛博士、劉欣特聘研究員和顧辰輝博士生；通訊作者是浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院骨科林賢豐特聘研究員、范順武教授和浙江大學化學系唐睿康教授。

他們做這項研究的前提是，隨著疾病研究的進展，越來越多的研究發現，動物細胞能量不足是組織衰老和退行性疾病發生發展的關鍵原因，ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）NADPH（還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）是兩種細胞再生修復不可或缺的成分。

“細胞更新代謝也需要能量，我們能否設計出一個‘電池’裝置，在細胞內可控地產生ATP和NADPH？”在一次課題組頭腦風暴中，林賢豐提出。

對于如何利用生物材料合成ATP和NADPH，科學家們已經做出了巨大努力，但如何讓細胞“接受”這樣一種外來裝置，并精準地調控ATP和NADPH的濃度一直是該領域的世界級難題。

浙大邵逸夫醫院的這群年輕人另辟蹊徑，把目光從生物材料轉向自然界。在自然界中，植物和動物形成了完美的互補關系，植物通過吸收二氧化碳產生氧氣和糖，而動物恰恰相反。是否能將這種宏觀的互補關系延伸至細胞層面，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”？

研究團隊選擇將葉綠體中的能量供應細胞器類囊體作為原材料。

研究人員從菠菜中提取類囊體

“大家都看過動畫片《大力水手》，一吃菠菜就變得力氣很大，而且菠菜也是菜市場中最綠的菜，我們就選了菠菜。”范順武告訴澎湃新聞，研究團隊的第一步，就是成功提取并純化了菠菜綠葉中的類囊體組分。

給植物電池裹上“偽裝”避免排異

補給能量的“電池”就緒，“接口”在哪？如何將類囊體安全、精準地遞送到動物的衰老退變細胞內，是該研究的第二道難題。

林賢豐解釋，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，“要想把植物材料遞送到動物細胞內，需要‘瞞天過海’”。

團隊成員陳鵬飛起初嘗試了脂質體包載等多種遞送方法，但效果不理想。“用細胞自己的細胞膜來包載怎么樣？利用同源靶向作用原理，讓細胞以為我們所遞送的類囊體是‘自己人’，從而避免體內的免疫排斥，實現細胞跨界移植納米植物類囊體。”直到有一天，他突發奇想。

經過摸索，團隊成功用細胞膜“偽裝”了納米類囊體“瞞天過海”，實現了納米類囊體的胞內遞送。“外源生物材料從溶酶體逃離是實現成功遞送的重要環節，我們通過多種胞吞抑制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，而是成為它的一部分。”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表示。

已遞交發明專利并著手產品轉化

澎湃新聞從該團隊了解到，經過一年多實驗和分析，已經驗證納米類囊體進入動物細胞后，仍可以保留類囊體上光合作用所需的蛋白和其他功能單體，在體內保持足夠的作用時間和降解穩定性，并保證足量的ATP和NADPH的產生，從而系統性地逆轉病變細胞代謝狀態。

“我們先在骨關節炎治療上尋找突破。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。”林賢豐表示。

范順武介紹，在實驗過程中，團隊將軟骨細胞膜包封的納米類囊體植入患有關節炎的小鼠關節上，再進行無創化光照治療，重塑軟骨細胞的合成代謝，成功在幾周時間后將小鼠的退行性關節軟骨細胞恢復年輕。

“團隊已經同步遞交了發明專利并著手進行產品轉化。因為關鍵原材料源于天然植物，安全性很高，細胞膜納米涂層技術具備規模化生產潛力，我相信在不久的將來，這一技術有望在多領域實現應用。”范順武認為。

同期《自然》“研究簡報”對該論文進行宣傳和評價

澎湃新聞了解到，同期《自然》“研究簡報（Research briefing）”欄目專門對該論文進行宣傳和評價。論文評審專家Francisco Cejudo教授認為：“這項工作的杰出之處在于研究團隊成功地將植物‘微型細胞器’種間移植到了哺乳動物細胞。利用植物光合作用系統以依賴光能的方式在哺乳動物細胞中特異性供應ATP和NADPH的這一技術，是一項令人興奮的成就，它開辟了代謝工程的可能性。”