人也能“光合作用”？浙大成果登上《自然》

?菠菜，曾因“大力水手”這個(gè)卡通形象給許多70后、80后留下了深刻的童年回憶。如今，菠菜除了每天照常出現(xiàn)在我們餐桌上外，科學(xué)家們真正賦予了它“力大無窮”的期待。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院骨科林賢豐醫(yī)師、范順武教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)化學(xué)系唐?？到淌趫F(tuán)隊(duì)成功從菠菜中提取了具有光合作用的“生物電池”——類囊體，并通過精密的制備技術(shù)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)植物的類囊體跨物種遞送到動(dòng)物體衰老病變的細(xì)胞內(nèi)，讓動(dòng)物細(xì)胞也擁有植物光合作用的能量，以此敲開逆轉(zhuǎn)細(xì)胞退變衰老的“時(shí)光之門”。

北京時(shí)間12月8日，這項(xiàng)原創(chuàng)性科研成果被國際頂級期刊《自然》（Nature）雜志以長文（Article）形式刊登。論文第一作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院陳鵬飛博士、劉欣特聘研究員和博士生顧辰輝；通訊作者是浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院骨科林賢豐特聘研究員/主治醫(yī)師、范順武教授和浙江大學(xué)化學(xué)系唐?？到淌?。

“遵循自然規(guī)律、創(chuàng)新性突破向細(xì)胞輸送能量的世界難題、開辟了代謝工程的可能性。” 《自然》（Nature）雜志資深編輯和審稿人對浙大科研團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)最新研究成果給予高度評價(jià)。據(jù)介紹，該項(xiàng)研究最令人興奮之處在于，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了細(xì)胞膜納米涂層技術(shù)，將哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜包覆在納米化植物類囊體外層，通過細(xì)胞膜偽裝包封的方式巧妙地將植物類囊體種間移植到哺乳動(dòng)物細(xì)胞，成功解鎖跨物種間能量傳遞的“密碼”，實(shí)現(xiàn)特異性供應(yīng)能量，并在退行性骨關(guān)節(jié)炎疾病的治療應(yīng)用中得以驗(yàn)證。

巧用植物億年智慧

為動(dòng)物細(xì)胞“充電”

隨著疾病研究的進(jìn)展，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物細(xì)胞能量不足是組織衰老和退行性疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵原因。正如人類一日三餐需要補(bǔ)充營養(yǎng)一樣，細(xì)胞更新代謝也需要能量和物質(zhì)補(bǔ)給，而ATP和 NADPH就是細(xì)胞再生修復(fù)不可或缺的能量貨幣和物質(zhì)貨幣。然而，向退變細(xì)胞提供直接能量和物質(zhì)卻是個(gè)巨大的科學(xué)難題。

林賢豐提出了一個(gè)設(shè)想“我們能否設(shè)計(jì)一個(gè)‘充電’裝置，在細(xì)胞內(nèi)可控地產(chǎn)生ATP和NADPH？”醫(yī)學(xué)和化學(xué)兩個(gè)課題組交叉討論引發(fā)的頭腦風(fēng)暴，開辟出一片研究新天地。然而，對于如何利用生物材料合成ATP和NADPH，科學(xué)家們已經(jīng)做出了巨大努力，但是如何讓細(xì)胞“接受”這樣一種外來裝置，并精準(zhǔn)地調(diào)控ATP和NADPH的濃度一直是該領(lǐng)域的世界級難題。

基于浙大邵逸夫醫(yī)院骨科科研團(tuán)隊(duì)在生物材料領(lǐng)域的長期深耕、化學(xué)系唐?？祱F(tuán)隊(duì)“材料調(diào)控生物”的化學(xué)生物學(xué)研究思路及“人工細(xì)胞器”概念，團(tuán)隊(duì)敏銳地將目光投向了神奇的自然界——自然界中，植物和動(dòng)物形成了完美的互補(bǔ)關(guān)系，植物通過吸收二氧化碳產(chǎn)生氧氣和糖，而動(dòng)物恰恰相反。是否能將這種宏觀的互補(bǔ)關(guān)系延伸至細(xì)胞層面，通過植入“光合細(xì)胞器”讓植物的能量供應(yīng)系統(tǒng)成為動(dòng)物細(xì)胞補(bǔ)給能量的“生物電池”？

“眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處”。數(shù)十億年來，植物已經(jīng)進(jìn)化了出了一個(gè)近乎完美的能量供應(yīng)細(xì)胞器——類囊體，正是一個(gè)可控、穩(wěn)定生成ATP和NADPH的能量工廠。研究團(tuán)隊(duì)選擇了在每天都吃的、菜市場中最綠的，也是在研究植物代謝領(lǐng)域較為普遍的菠菜作為原材料，經(jīng)過不懈努力，成功提取并純化了菠菜綠葉中的類囊體組分。

林賢豐（左）和陳鵬飛（右）在實(shí)驗(yàn)交流中

首次實(shí)現(xiàn)跨物種遞送

完美再生修復(fù)不是夢

補(bǔ)給能量的“電池”就緒，“接口”在哪？如何將類囊體安全、精準(zhǔn)地遞送到動(dòng)物的衰老退變細(xì)胞內(nèi)，又成為了限制研究團(tuán)隊(duì)向醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的巨大難題。 長久以來，跨物種遞送生物活性組分研究進(jìn)展緩慢。尤其是人體擁有一套復(fù)雜的免疫系統(tǒng)，以巨噬細(xì)胞為主的各類免疫細(xì)胞會(huì)對異物進(jìn)行主動(dòng)識(shí)別和吞噬清除，進(jìn)而再通過溶酶體降解消化異物。

如何才能克服物種間的屏障？團(tuán)隊(duì)成員陳鵬飛嘗試了脂質(zhì)體包載等多種遞送方法，但始終沒有取得預(yù)期的理想效果?！坝眉?xì)胞自己的細(xì)胞膜來包載怎么樣？利用同源靶向作用原理，讓細(xì)胞以為我們所遞送的類囊體是‘自己人’，從而避免體內(nèi)的免疫排斥，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞跨界移植納米植物類囊體。”

大膽假設(shè)，小心求證，在范順武、唐?？档牟粩喙膭?lì)下，在林賢豐的啟發(fā)下，經(jīng)過一番摸索，團(tuán)隊(duì)成功用細(xì)胞膜“偽裝”了納米類囊體“瞞天過海”，實(shí)現(xiàn)了納米類囊體的胞內(nèi)遞送。

“外源生物材料從溶酶體逃離是實(shí)現(xiàn)成功遞送的重要環(huán)節(jié)，我們通過多種胞吞抑制試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證了動(dòng)物細(xì)胞不再將納米類囊體作為‘異物’進(jìn)行清除，從而使其成為它的一部分。”劉欣補(bǔ)充道，這也就意味著，研究團(tuán)隊(duì)掌握了延緩動(dòng)物細(xì)胞退變衰老的“黑科技”。

本研究作用機(jī)制示意圖

應(yīng)用領(lǐng)域不可估量

率先在骨關(guān)節(jié)炎治療上“實(shí)現(xiàn)突破”

納米類囊體在細(xì)胞內(nèi)具體發(fā)揮了怎樣的關(guān)鍵性作用？在這一研究成果發(fā)表的過程中，四位來自生物材料、細(xì)胞代謝、臨床醫(yī)學(xué)等學(xué)科的國際頂尖審稿人圍繞這一核心問題向團(tuán)隊(duì)提出了一系列建議和改進(jìn)。

團(tuán)隊(duì)通過多種跨學(xué)科技術(shù)手段的驗(yàn)證，在經(jīng)歷了一年多的扎實(shí)實(shí)驗(yàn)和測試分析后，驗(yàn)證了納米化的類囊體可以保留類囊體上光合作用所需的蛋白和其他功能單體，保持足夠的作用時(shí)間和降解穩(wěn)定性，并保證足量的ATP和NADPH的產(chǎn)生，從而系統(tǒng)性地逆轉(zhuǎn)病變細(xì)胞代謝狀態(tài)。“驗(yàn)證過程涉及到精細(xì)的建模和計(jì)算，特別是對于分析ATP和NADPH的產(chǎn)量和其確切作用濃度水平，讓我們對研究成果有了全新認(rèn)識(shí)?！鳖櫝捷x說。

這種令人振奮的納米類囊體“黑科技”在體內(nèi)到底能夠發(fā)揮多大的作用？這是整個(gè)審稿過程中，不同學(xué)科領(lǐng)域的國際頂尖審稿人最關(guān)心的問題。

為了檢驗(yàn)這類“生物電池”是否能逆轉(zhuǎn)病變細(xì)胞代謝狀態(tài)，團(tuán)隊(duì)首先選擇了骨關(guān)節(jié)炎的疾病模型對這類“生物電池”進(jìn)行“概念性驗(yàn)證”。骨關(guān)節(jié)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(xì)胞的能量代謝失衡，ATP、NADPH耗竭而導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨破壞。目前骨關(guān)節(jié)炎的生物治療還無法系統(tǒng)性地糾正損傷退變軟骨細(xì)胞的代謝失衡，因此臨床預(yù)后不佳。

范順武帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)一年多的時(shí)間，不斷尋求各種跨學(xué)科的技術(shù)手段，系統(tǒng)地驗(yàn)證了軟骨細(xì)胞膜包封的納米類囊體不僅可以有效地逃避免疫系統(tǒng)清除，同時(shí)還能夠被退變的軟骨細(xì)胞選擇性攝取。通過體外無創(chuàng)化光照治療，實(shí)現(xiàn)精確增強(qiáng)退變軟骨細(xì)胞內(nèi)的ATP、NADPH水平并能維持足夠的“續(xù)航”能力，從而重塑軟骨細(xì)胞的合成代謝，實(shí)現(xiàn)退行性骨關(guān)節(jié)炎疾病的治療。

光照刺激軟骨細(xì)胞示意圖

創(chuàng)新研發(fā) 未來可期

《自然》（Nature）雜志資深編輯George Caputa評價(jià)道：“如何向細(xì)胞輸送能量一直是細(xì)胞生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的巨大難題，并且實(shí)現(xiàn)特定代謝物含量的正確補(bǔ)給是臨床治療的持久性挑戰(zhàn)。有什么能夠比遞送經(jīng)過數(shù)十億年生命進(jìn)化的工廠——類囊體去解決上述難題更好的辦法呢？”

論文評審專家Francisco Cejudo教授認(rèn)為：“這項(xiàng)工作的杰出之處在于研究團(tuán)隊(duì)成功地將植物‘微型細(xì)胞器’種間移植到了哺乳動(dòng)物細(xì)胞。利用植物光合作用系統(tǒng)以依賴光能的方式在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中特異性供應(yīng) ATP 和 NADPH 的這一技術(shù)，是一項(xiàng)令人興奮的成就，它開辟了代謝工程的可能性?！?/p>

同期《自然》（Nature）“研究簡報(bào)（Research briefing）”欄目發(fā)表了《植物細(xì)胞裝置實(shí)現(xiàn)了代謝物向哺乳動(dòng)物細(xì)胞轉(zhuǎn)移》，對該研究成果進(jìn)行了宣傳報(bào)道和積極評價(jià)。

唐睿康說：“這項(xiàng)研究展示了將天然植物來源的類囊體跨物種移植到哺乳動(dòng)物細(xì)胞的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，這項(xiàng)研究的關(guān)鍵原材料源于天然植物，生物安全性高，同時(shí)細(xì)胞膜納米涂層技術(shù)具備規(guī)?；a(chǎn)潛力，這一創(chuàng)新性技術(shù)有望未來在醫(yī)學(xué)、能源、材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。”

范順武團(tuán)隊(duì)表示：“這項(xiàng)研究的成功得益于醫(yī)院自由探索的氛圍，學(xué)校、學(xué)院、醫(yī)院、科室的一致支持，以及國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助”。據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)長期深耕于骨骼肌肉系統(tǒng)退行性疾病的機(jī)理研究和天然來源的生物材料的開發(fā)研究，并不斷大膽嘗試學(xué)科交叉，陸續(xù)在Nature, Matter, Developmental Cell, Nature Communications, Science Advances, JACS等權(quán)威期刊發(fā)表一系列高影響力的研究成果，實(shí)現(xiàn)了對脊柱、關(guān)節(jié)、骨創(chuàng)傷、創(chuàng)面修復(fù)等各類常見和疑難疾病的臨床新技術(shù)應(yīng)用，深刻踐行“把技術(shù)用到臨床實(shí)踐里，把論文寫在祖國大地上”。

目前，研究團(tuán)隊(duì)已同步遞交了發(fā)明專利并著手進(jìn)行產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。