納米“充電寶”問世！PNAS：2-4 倍高效供能，受損細胞重獲新生

如果把人體細胞比作微型城市，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，導致整座城市陷入能源危機——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，無法修復細胞的 “發(fā)電系統(tǒng)”。

但如今，發(fā)表在國際頂刊

Proceedings of the National Academy of Sciences

Nanomaterial-induced mitochondrial biogenesis enhances intercellular mitochondrial transfer efficiency

線粒體被稱為細胞的 “動力核心”，負責產(chǎn)生維持生命活動的能量貨幣 ATP。當它數(shù)量減少或功能受損時，細胞就會陷入全面能源危機：神經(jīng)元因能量不足出現(xiàn)認知衰退，心肌細胞因動力匱乏導致收縮無力，肌肉細胞因供能短缺引發(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胞的 “發(fā)電網(wǎng)絡(luò)”。

其實自然界中，細胞早已進化出相互救助的本能——健康細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，還只能分出零星電力，根本無法應對嚴重的細胞損傷。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。當這些 “納米花” 進入間充質(zhì)干細胞后，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胞內(nèi)的 SIRT1 信號通路，進而上調(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，這些干細胞向受損細胞轉(zhuǎn)移線粒體的效率提升了 2-4 倍，對心肌細胞、平滑肌細胞等能量需求高的細胞，轉(zhuǎn)移效率甚至能達到原來的 3-4 倍。

尺寸可調(diào)二硫化鉬納米花的合成與表征

在細胞實驗中，這些 “超級供能干細胞” 展現(xiàn)出了驚人的修復能力。面對抗霉素 A（抑制線粒體復合體 III）、CCCP（破壞線粒體膜電位）等誘導的損傷，接受線粒體捐贈的受損細胞，ATP 產(chǎn)量快速恢復到正常水平，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）導致的心臟毒性——這是臨床化療中常見的嚴重副作用，“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胞的凋亡率，減少凋亡誘導因子（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 200-250μg/mL，在有效濃度下不會影響細胞周期，且納米花本身不會被轉(zhuǎn)移到受體細胞，僅在供體干細胞內(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，在于它沒有強行向細胞注入外源線粒體，而是通過納米材料喚醒細胞自身的修復潛能，巧妙 “借力打力”。與現(xiàn)有方法相比，它的優(yōu)勢十分突出：一是作用機制精準，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。

盡管目前仍處于細胞實驗階段，但它的應用前景已令人振奮：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)元補充能量，延緩認知衰退；在心血管領(lǐng)域，能幫助心肌梗死后的缺血心肌細胞恢復動力，促進心臟修復；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)能從根本上修復細胞 “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納米花預處理的干細胞，精準輸送到受損組織，就能為衰老或病變的細胞 “充電續(xù)命”。

從自然的細胞互助到納米技術(shù)的精準賦能，科學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” 瀕臨停工的細胞，都能通過這種 “能量共享” 重獲新生。

參考資料：

[1]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.

來源 | 生物谷

撰文 | 生物谷

編輯 | 木白

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