研究作用机制示意图 本文图均由浙大邵逸夫医院提供
从菠菜中提取具有光合作用的“生物电池”类囊体，将动物细胞膜包裹于纳米化类囊体外层做“伪装”，再跨界传递到哺乳动物衰老病变的细胞内，让动物细胞也通过光合作用获取能量，从衰老退变的状态重新变年轻——这不是科幻片，而是最新发布于国际顶级期刊《自然》（Nature）杂志的科研成果。北京时间12月8日，这项由浙江大学医学院附属邵逸夫医院和浙江大学科研团队进行的原创性科研成果论文《基于植物来源的天然光合作用系统增强细胞合成代谢》（A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism）在《自然》杂志以长文（Article）形式刊登。
该论文已在最新一期《自然》杂志刊发
“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》杂志一位资深编辑和审稿人对这项最新研究成果给予高度评价。“我们在小鼠的退化关节进行实验，发现治疗几周时间后，原本相当于人类60岁状态的衰老退变软骨恢复到20岁水平。”论文通讯作者、浙大邵逸夫医院骨科主任范顺武教授向澎湃新闻（www.thepaper.cn)表示，这项研究的原材料源于天然植物，安全性高，未来有望在脑部、肌肉、器官、皮肤等多部位运用。大力水手吃菠菜，“我们就选了菠菜”该论文作者为浙大邵逸夫医院陈鹏飞博士、刘欣特聘研究员和顾辰辉博士生；通讯作者是浙大邵逸夫医院骨科林贤丰特聘研究员、范顺武——这是个年轻的团队，年龄最大的34岁，最小的26岁。他们做这项研究的前提是，随着疾病研究的进展，越来越多的研究发现，动物细胞能量不足是组织衰老和退行性疾病发生发展的关键原因，ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）是两种细胞再生修复不可或缺的成分。“细胞更新代谢也需要能量，我们能否设计出一个‘电池’装置，在细胞内可控地产生ATP和NADPH？”在一次课题组头脑风暴中，林贤丰提出。对于如何利用生物材料合成ATP和NADPH，科学家们已经做出了巨大努力，但如何让细胞“接受”这样一种外来装置，并精准地调控ATP和NADPH的浓度一直是该领域的世界级难题。浙大邵逸夫医院的这群年轻人另辟蹊径，把目光从生物材料转向自然界。在自然界中，植物和动物形成了完美的互补关系，植物通过吸收二氧化碳产生氧气和糖，而动物恰恰相反。是否能将这种宏观的互补关系延伸至细胞层面，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”？研究团队选择将叶绿体中的能量供应细胞器类囊体作为原材料。
研究人员从菠菜中提取类囊体
“大家都看过动画片《大力水手》，一吃菠菜就变得力气很大，而且菠菜也是菜市场中最绿的菜，我们就选了菠菜。”范顺武告诉澎湃新闻，研究团队的第一步，就是成功提取并纯化了菠菜绿叶中的类囊体组分。给植物电池裹上“伪装”避免排异补给能量的“电池”就绪，“接口”在哪？如何将类囊体安全、精准地递送到动物的衰老退变细胞内，是该研究的第二道难题。林贤丰解释，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，“要想把植物材料递送到动物细胞内，需要‘瞒天过海’”。团队成员陈鹏飞起初尝试了脂质体包载等多种递送方法，但效果不理想。“用细胞自己的细胞膜来包载怎么样？利用同源靶向作用原理，让细胞以为我们所递送的类囊体是‘自己人’，从而避免体内的免疫排斥，实现细胞跨界移植纳米植物类囊体。”直到有一天，他突发奇想。经过摸索，团队成功用细胞膜“伪装”了纳米类囊体“瞒天过海”，实现了纳米类囊体的胞内递送。“外源生物材料从溶酶体逃离是实现成功递送的重要环节，我们通过多种胞吞抑制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，而是成为它的一部分。”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表示。已递交发明专利并着手产品转化澎湃新闻从该团队了解到，经过一年多实验和分析，已经验证纳米类囊体进入动物细胞后，仍可以保留类囊体上光合作用所需的蛋白和其他功能单体，在体内保持足够的作用时间和降解稳定性，并保证足量的ATP和NADPH的产生，从而系统性地逆转病变细胞代谢状态。“我们先在骨关节炎治疗上寻找突破。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。”林贤丰表示。范顺武介绍，在实验过程中，团队将软骨细胞膜包封的纳米类囊体植入患有关节炎的小鼠关节上，再进行无创化光照治疗，重塑软骨细胞的合成代谢，成功在几周时间后将小鼠的退行性关节软骨细胞恢复年轻。“团队已经同步递交了发明专利并着手进行产品转化。因为关键原材料源于天然植物，安全性很高，细胞膜纳米涂层技术具备规模化生产潜力，我相信在不久的将来，这一技术有望在多领域实现应用。”范顺武认为。
同期《自然》“研究简报”对该论文进行宣传和评价
澎湃新闻了解到，同期《自然》“研究简报（Research briefing）”栏目专门对该论文进行宣传和评价。论文评审专家Francisco Cejudo教授认为：“这项工作的杰出之处在于研究团队成功地将植物‘微型细胞器’种间移植到了哺乳动物细胞。利用植物光合作用系统以依赖光能的方式在哺乳动物细胞中特异性供应ATP和NADPH的这一技术，是一项令人兴奋的成就，它开辟了代谢工程的可能性。”
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