植入“生物电池” 人体可借光合作用修复受损细胞

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人类借助光合作用修复身体机能，不再只是梦想。8日，学术期刊《自然》刊登了浙江大学医学院附属邵逸夫医院骨科林贤丰医师、范顺武教授团队与浙大化学系唐睿康教授团队的最新成果——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，让动物细胞拥有植物光合作用的能量，并在退行性骨关节炎疾病的治疗中应用，重塑了软骨细胞的合成代谢。
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，三磷酸腺苷（ATP）和还原型辅酶Ⅱ（NADPH）则是细胞再生修复不可或缺的能量货币和物质货币。然而，向退变细胞提供直接能量和物质是一大科学难题。
以骨关节炎为例，这一病症在临床上致畸致残的主要原因，正是由于软骨细胞的能量代谢失衡，三磷酸腺苷、还原型辅酶Ⅱ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。
自然界中，植物通过光合作用产生氧气和糖，而动物恰恰相反。能否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”，并精准地调控三磷酸腺苷和还原型辅酶Ⅱ的浓度？
“经过数十亿年进化，植物能量供应细胞器——类囊体，正是一个可控、稳定生成三磷酸腺苷和还原型辅酶Ⅱ的能量工厂。”林贤丰介绍，研究团队成功提取并纯化了菠菜绿叶中的类囊体组分，作为跨物质能量补给的“电池”。
“电池”有了，如何安装？
长久以来，跨物种递送生物活性组分研究进展缓慢。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，再通过溶酶体降解消化异物。
研究团队开发了细胞膜纳米涂层技术，利用同源靶向作用原理，将哺乳动物细胞膜包覆在纳米化植物类囊体外层，用一招“瞒天过海”避免体内的免疫排斥，实现细胞跨界移植纳米植物类囊体。
范顺武介绍，历经一年多时间，研究团队系统验证了软骨细胞膜包封的纳米类囊体不仅可以有效逃避免疫系统清除，同时还能被退变的软骨细胞选择性摄取；通过体外无创化光照治疗，可精确增强退变软骨细胞内的三磷酸腺苷、还原型辅酶Ⅱ水平并能维持足够的“续航”能力，实现退行性骨关节炎疾病的治疗。
论文评审专家认为：“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三磷酸腺苷和还原型辅酶Ⅱ，开辟了代谢工程的可能性。”
“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。”唐睿康表示，这一创新性技术未来有望在医学、能源、材料等领域实现应用。目前，研究团队已同步递交了发明专利并着手进行产品转化。