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《自然》重磅：將光合作用搬進動物細胞，中國科學家讓衰老細胞重回青春！

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【《自然》重磅：將光合作用搬進動物細胞，中國科學家讓衰老細胞重回青春！】▎藥明康德內容團隊編輯
在動畫片《大力水手》中 ， 一罐菠菜下肚 ， 水手波派就變得力壯如牛 。 現在 ， 這個看似不可能的設想正在走向現實：將菠菜細胞中參與光合作用的類囊體裝配到衰老的哺乳動物細胞里 ， 竟能重建動物細胞內的能量代謝平衡 ， 讓衰老的細胞恢復活力 。
這項充滿想象力的研究由浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院林賢豐、范順武與浙江大學化學系唐?？祱F隊領導 ， 并發表于最新一期《自然》雜志 。 在這篇論文中 ， 這項跨界的策略成功治療了小鼠的骨關節炎 ， 令它們老化的關節軟骨細胞恢復了青春 。 未來 ， 這項技術還有望治療更多衰老退行性疾病 。
《自然》重磅：將光合作用搬進動物細胞，中國科學家讓衰老細胞重回青春！
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在細胞內 ， 合成代謝（anabolism）是維持細胞正常功能的關鍵過程 。 合成代謝指的是利用細胞內的能量和電子供體 ， 將小分子物質合成為生命所需的氨基酸、核苷酸、脂肪酸等組分 。 這些能量和電子供體包括細胞“能量貨幣”三磷酸腺苷（ATP） ， 以及關鍵電子供體：還原形式的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH） 。
一旦合成代謝的供能出現障礙 ， 細胞就難以正常運轉并開始衰老 。 越來越多的研究表明 ， 細胞內合成代謝不足是導致身體幾乎所有病理過程的關鍵因素 。 如果能恢復受損細胞的內部供能 ， 就將有望逆轉這些細胞的老化 。 這也成為了最新研究的起點 。
“如果我們能從其他地方找到合適的ATP和NADPH‘生產線’ ， 把它們移植到受損的細胞里 ， 去重塑退變細胞的合成代謝 ， 這在臨床上意味著新的希望 。 ”浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院主治醫師/特聘研究員林賢豐表示 。
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▲林賢豐（左）和論文共同第一作者陳鵬飛（圖片來源：浙江大學）
如何去尋找ATP和NADPH的“生產線”？自然界數十億年的生命演化指出了一個難以置信的方向：植物的光合作用 。 在光合作用中的光反應階段 ， 光能轉變為ATP、NADPH形式的化學能并生成氧氣 ， 而這個轉變發生的場所 ， 就是葉綠體的內膜系統——類囊體 。
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▲葉綠體中的類囊體膜是光合作用中光反應階段的場所（圖片來源：浙江大學）
將植物的類囊體跨界遷移到哺乳動物細胞內 ， 借助“光合作用”增強動物細胞的合成代謝——沿著這個天馬行空的想法 ， 浙大聯合團隊選擇葉綠體含量豐富的菠菜開展了研究 。 而實現這一設想的關鍵挑戰 ， 在于如何避免跨界移植帶來的免疫排斥 。
我們知道 ， 我們的免疫系統可以識別并清理外源成分 。 如果直接將來自植物的類囊體移植到人體 ， 不難想象其結局：我們的巨噬細胞會將它們視作異物清理 ， 即使一些類囊體僥幸進入細胞 ， 細胞內的溶酶體也能通過吞噬作用將它們降解 。
要讓動物機體為類囊體開啟綠燈 ， 研究團隊的思路是設計具有生物相容性的“人工細胞器”：使用動物自身的細胞膜來包裹類囊體 ， 借助這層偽裝 ， 類囊體就能成功“騙”過細胞 ， 順利抵達細胞內部 。
▲30秒視頻看懂研究過程（視頻來源：浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院）
在這項研究中 ， 作者以骨關節炎小鼠模型為例進行了探索 。 骨關節炎的本質是軟骨細胞的退變、老化 。 ATP、NADPH的耗竭導致細胞內合成代謝受損 ， 膠原蛋白、蛋白聚糖等胞外基質蛋白的合成減少 。 目前 ， 針對這種衰老退行性疾病的療法無法扭轉這一失衡狀態 ， 因此預后不佳 。