Nature：用菠菜让衰老细胞「返老还童」！浙大团队把光合作用搬进动物细胞，逆转细胞衰老

众所周知，人体大多数细胞的衰老、病变和死亡也意味生命正在走向暮年时光，维持细胞正常的生理合成代谢，如脂肪酸、氨基酸、核苷酸和类固醇等，需要消耗足够的细胞内能量（ATP）和还原当量（NADPH），而这些关键因子在病理条件下往往严重缺乏。

三羧酸（TCA）循环是大多数哺乳动物细胞中 ATP 生成的主要能量代谢过程，因此，针对三羧酸循环的干预措施有望纠正病理条件下 ATP 供应的失调。然而，三羧酸循环涉及各种复杂精细的代谢网络，而一种改变其内在途径的特定因子的传递甚至可能导致细胞死亡，产生适得其反的效果。此外，NADPH 的作用是极其关键且精准调控的，不受控制的 NADPH 供应会导致细胞毒性超氧化物的产生，进而导致氧化应激等病理损伤。

大自然是神奇的，与哺乳动物不同的是，植物的光合作用就能通过捕获光照实现 ATP 和 NADPH 的自主合成。因此，研究者们开始发挥奇思妙想，将目光投向了菠菜，试图利用植物的光合作用反应来调节动物细胞内的 ATP 和 NADPH 含量和浓度，以纠正病理状态下细胞的合成代谢障碍。

2022 年 12 月 7 日，浙江大学林贤丰、范顺武及唐睿康共同通讯在 Nature 杂志发表研究论文 A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism，这项研究首次实现将菠菜细胞中参与光合作用的类囊体跨物种递送到动物细胞内，进而重建动物细胞内的能量代谢平衡，让衰老的细胞恢复活力。

图 1：来源 Nature

动画片中，大力水手吃菠菜可以恢复力气和能量，这一动画片的场景如今正在照进现实。

研究团队选择了叶绿体含量丰富的菠菜作为原材料，成功地提取并纯化了叶绿体中的能量供应细胞器类囊体，试图将其递送到衰老病变的细胞当中提供能量。

然而，人体拥有一套复杂的免疫系统，当外来异物进入机体后，会引发机体的免疫排斥并将其清除。为了解决这一问题，研究者试图找到一种递送材料，能够包裹类囊体，帮助它躲避体内的免疫排斥。在尝试了多种材料后，研究人员最终发现使用动物自身的细胞膜——软骨细胞膜（CM）包裹类囊体可以成功躲避免疫排斥，将类囊体成功递送到哺乳动物的细胞内。

图 2：来源 Nature

克服了巨大的技术障碍后，研究者们开始在动物模型上展开应用。

骨科以及骨科外的多种疾病，根源都在细胞能量不足，这是组织衰老和退行性疾病发生发展的关键原因。其中，骨关节炎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，这也是目前临床上致畸致残的最主要原因之一。

研究者们将软骨细胞膜包封的类囊体注射到关节炎小鼠的关节部位，再进行无创化光照让类囊体开始「工作」，ATP 和 NADPH 的产生增加。与此同时，研究人员观察到软骨细胞的合成代谢被重塑，诱导型一氧化氮合酶（iNOS）的蛋白水平降低，减少了滑膜的肥大和增生，同时大大减轻了小鼠的疼痛感。在几周时间后小鼠的退行性关节软骨细胞恢复到年轻状态，相当于从人类的 60 岁回到 20 岁。

图 3：来源 Nature

综上所述，本研究在哺乳动物细胞中构建了一个光合作用系统，可以独立地促进细胞中 ATP 和 NADPH 的供应，重建动物细胞内的能量代谢平衡，让衰老的细胞重新恢复活力，在治疗退行性疾病方面显示出良好的临床潜力。

让动物进行「光合作用」这一原本天马行空的想象已经成为现实，期待未来这一研究成果将造福人类！