納米“充電寶”問世！PNAS｜2-4 倍高效供能，受損細(xì)胞重獲新生

如果把人體細(xì)胞比作微型城市，那么線粒體就是這座城市的 “發(fā)電廠”。隨著年齡增長、疾病侵襲，這些發(fā)電廠會逐漸老化、停工，導(dǎo)致整座城市陷入能源危機(jī)——這正是阿爾茨海默病、帕金森病等神經(jīng)退行性疾病，以及心力衰竭、肌肉萎縮等病癥的核心根源。

據(jù)統(tǒng)計，全球有數(shù)千萬人受線粒體功能障礙相關(guān)疾病困擾，心血管疾病每年更是導(dǎo)致約 1790 萬人死亡；而隨著人口老齡化加劇，這些 “能源短缺型” 疾病正成為公共衛(wèi)生領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)藥物往往只能緩解癥狀，無法修復(fù)細(xì)胞的 “發(fā)電系統(tǒng)”。

但如今，發(fā)表在國際頂刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》上題為 “Nanomaterial-induced mitochondrial biogenesis enhances intercellular mitochondrial transfer efficiency”的研究，為徹底解決這一問題帶來了新希望。來自德州農(nóng)工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們，利用一種形似花朵的二硫化鉬（MoS2）納米材料，成功將普通間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）改造成 “線粒體生物工廠”，讓其能通過細(xì)胞間 “能量捐贈”，為受損細(xì)胞 “充電續(xù)命”。

線粒體被稱為細(xì)胞的 “動力核心”，負(fù)責(zé)產(chǎn)生維持生命活動的能量貨幣 ATP。當(dāng)它數(shù)量減少或功能受損時，細(xì)胞就會陷入全面能源危機(jī)：神經(jīng)元因能量不足出現(xiàn)認(rèn)知衰退，心肌細(xì)胞因動力匱乏導(dǎo)致收縮無力，肌肉細(xì)胞因供能短缺引發(fā)肌無力。更棘手的是，受損線粒體還會釋放大量活性氧（ROS），加速細(xì)胞衰老甚至凋亡。目前的治療方法大多停留在緩解癥狀層面，無法從根本上重建細(xì)胞的 “發(fā)電網(wǎng)絡(luò)”。

其實自然界中，細(xì)胞早已進(jìn)化出相互救助的本能——健康細(xì)胞會通過納米級的隧道（TNTs），向受損鄰居 “捐贈” 健康線粒體。但這個自然過程效率極低，就像停電城市里只有少數(shù)家庭有發(fā)電機(jī)，還只能分出零星電力，根本無法應(yīng)對嚴(yán)重的細(xì)胞損傷。而MoS2納米花的出現(xiàn)，徹底改變了這一局面。

這種花狀結(jié)構(gòu)的納米材料，核心奧秘在于其表面的原子級空位。當(dāng)這些 “納米花” 進(jìn)入間充質(zhì)干細(xì)胞后，會立刻發(fā)揮雙重作用：一方面，原子空位能高效清除細(xì)胞內(nèi)的有害 ROS，減少氧化損傷；另一方面，這種清除作用會激活細(xì)胞內(nèi)的 SIRT1 信號通路，進(jìn)而上調(diào) PGC-1α 和 TFAM 等關(guān)鍵分子——這兩種分子是線粒體生物發(fā)生的 “總開關(guān)”，能啟動線粒體的 “批量生產(chǎn)”。

實驗結(jié)果顯示，經(jīng)過MoS2納米花處理的干細(xì)胞，線粒體 DNA（mtDNA）拷貝數(shù)翻倍，線粒體質(zhì)量顯著增加，真正變成了高效運轉(zhuǎn)的 “線粒體生物工廠”。更重要的是，這些干細(xì)胞向受損細(xì)胞轉(zhuǎn)移線粒體的效率提升了 2-4 倍，對心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞等能量需求高的細(xì)胞，轉(zhuǎn)移效率甚至能達(dá)到原來的 3-4 倍。

尺寸可調(diào)二硫化鉬納米花的合成與表征

在細(xì)胞實驗中，這些 “超級供能干細(xì)胞” 展現(xiàn)出了驚人的修復(fù)能力。面對抗霉素 A（抑制線粒體復(fù)合體 III）、CCCP（破壞線粒體膜電位）等誘導(dǎo)的損傷，接受線粒體捐贈的受損細(xì)胞，ATP 產(chǎn)量快速恢復(fù)到正常水平，線粒體 ROS 水平顯著降低，膜電位也逐漸穩(wěn)定；針對化療藥物多柔比星（Doxorubicin）導(dǎo)致的心臟毒性——這是臨床化療中常見的嚴(yán)重副作用，“線粒體生物工廠” 捐贈的健康線粒體，能顯著降低心肌成纖維細(xì)胞的凋亡率，減少凋亡誘導(dǎo)因子（AIF）釋放，同時幾乎完全清除線粒體特異性 ROS，讓受損心肌細(xì)胞重獲活力。

更令人欣慰的是，MoS2納米花具有極高的生物相容性，其半數(shù)抑制濃度（IC??）高達(dá) 200-250μg/mL，在有效濃度下不會影響細(xì)胞周期，且納米花本身不會被轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞，僅在供體干細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用，安全性得到充分驗證。

這項技術(shù)的突破之處，在于它沒有強(qiáng)行向細(xì)胞注入外源線粒體，而是通過納米材料喚醒細(xì)胞自身的修復(fù)潛能，巧妙 “借力打力”。與現(xiàn)有方法相比，它的優(yōu)勢十分突出：一是作用機(jī)制精準(zhǔn)，通過激活天然信號通路，避免外源物質(zhì)排斥；二是轉(zhuǎn)移效率高，針對不同類型受損細(xì)胞實現(xiàn) 2-4 倍供能提升；三是適用范圍廣，對神經(jīng)、心臟、肌肉等多種組織的受損細(xì)胞均有效；四是安全性優(yōu)異，納米材料生物相容性好，無明顯毒副作用。

盡管目前仍處于細(xì)胞實驗階段，但它的應(yīng)用前景已令人振奮：在神經(jīng)退行性疾病領(lǐng)域，可為阿爾茨海默病、帕金森病患者的受損神經(jīng)元補(bǔ)充能量，延緩認(rèn)知衰退；在心血管領(lǐng)域，能幫助心肌梗死后的缺血心肌細(xì)胞恢復(fù)動力，促進(jìn)心臟修復(fù)；在肌肉疾病領(lǐng)域，可治療年齡相關(guān)性肌肉流失和肌營養(yǎng)不良癥；在腫瘤治療中，還能減輕化療藥物對正常細(xì)胞的線粒體損傷，提升患者生活質(zhì)量。

隨著人口老齡化趨勢加劇，開發(fā)能從根本上修復(fù)細(xì)胞 “發(fā)電系統(tǒng)” 的技術(shù)愈發(fā)迫切。這項研究讓我們看到了希望——未來或許只需將經(jīng)過MoS2納米花預(yù)處理的干細(xì)胞，精準(zhǔn)輸送到受損組織，就能為衰老或病變的細(xì)胞 “充電續(xù)命”。

從自然的細(xì)胞互助到納米技術(shù)的精準(zhǔn)賦能，科學(xué)家們正在改寫線粒體相關(guān)疾病的治療規(guī)則，或許不久的將來，那些因 “能源危機(jī)” 瀕臨停工的細(xì)胞，都能通過這種 “能量共享” 重獲新生。

參考文獻(xiàn)：

John Soukar,Kanwar Abhay Singh,Ari Aviles, et al. Nanomaterial-induced mitochondrial biogenesis enhances intercellular mitochondrial transfer efficiency. Proceedings of the National Academy of Sciences. doi:10.1073/pnas.2505237122.

撰文 | 生物谷

編輯 | 阿拉斯加寶

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