《自然》重磅：将光合作用搬进动物细胞，中国科学家让衰老细胞重回青春！

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细胞内合成代谢不足是参与体内许多病理过程的一个关键因素。细胞内物质的合成代谢需要消耗足够的细胞内能量并产生还原性等价物。ATP作为细胞生物过程的“能量货币”，NADPH的还原形式是合成代谢提供还原能量的关键电子供体。在病理状态下，很难纠正受损的合成代谢，也很难将不足的ATP和NADPH水平提高到最佳浓度。

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 在线发表题为”A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism“的研究论文，该研究开发了一个基于纳米类囊体单位(NTUs)的独立和可控的纳米植物源光合系统。为了实现跨物种应用，该研究使用特定的成熟细胞膜(软骨细胞膜(CM))进行伪装封装。

作为概念的证明，该研究证明了这些CM-NTU通过膜融合进入软骨细胞，避免溶酶体降解并实现快速渗透。此外，CM-NTU在光照下增加细胞内ATP和NADPH的原位水平，并改善退化软骨细胞的合成代谢。它们还可以系统地纠正能量失衡，恢复细胞代谢，改善软骨内稳态，防止骨关节炎的病理进展。该研究治疗退行性疾病的策略是基于天然的光合系统，通过独立提供关键能量和代谢载体，可以控制地增强细胞合成代谢。本研究也加深了对生物有机体和复合生物材料在疾病治疗中的制备和应用的认识。

另外，2022年12月1日，浙江大学王大伟课题组、王浩华课题组与宋超课题组合作在Science杂志在线发表题为“Observing the quantum topology of light”的研究论文，该研究对超导电路中量子化光的拓扑态进行了实验，建立了一维和二维Fock态格。研究实现了丰富的拓扑物理，包括Su-Schrieffer-Heeger模型的拓扑零能态、应变诱导的伪朗道能级、山谷霍尔效应和霍尔丹手性边缘电流。总之，这项研究将光的拓扑态扩展到量子体系，将凝聚态物理的拓扑相与电路量子电动力学连接起来，并为控制多谐振器的量子态提供了自由。

2022年11月2日，浙江大学陆俊与吴天品合作在Nature 杂志在线发表题为“Strain-retardant coherent perovskite phase stabilized Ni-rich cathode”的研究论文，该研究在层状结构中引入相干钙钛矿相作为“铆钉”，通过钉住效应显著减轻了有害的结构演变。与传统材料相比，每一次循环的晶格应变演化明显减少了近70%，显著增强了形态完整性，从而显著提高了电池的循环性能。这种应变抑制的方法拓宽了晶格工程释放锂(脱)插层产生的应变的前景，为发展具有长寿命的高能量密度阴极铺平了道路。

2022年10月19日，浙江大学陈才勇团队在Nature 杂志在线发表了题为“HRG-9 homologues regulate haem trafficking from haem-enriched compartments”的研究论文，该研究发现血凝素反应基因9 (haem-responsive gene 9, HRG-9)(也称为运输和高尔基组织2 (TANGO2))是一种进化上保守的血凝素伴侣，在真核细胞中将血凝素运输出血凝素储存或合成位点中起着关键作用。

2022年8月31日，浙江大学黄河与华东师范大学张楫钦、刘明耀、杜冰、李大力团队合作（华东师范大学为第一单位）在Nature 杂志在线发表题为“Non-viral, specifically targeted CAR-T cells achieve high safety and efficacy in B-NHL”的研究论文，该研究成功开发了一种二合一方法，通过 CRISPR-Cas9 生成非病毒、基因特异性靶向 CAR-T 细胞。通过优化将抗 CD19 CAR 盒插入 AAVS1 安全位点，在临床前研究中证明了可行性。此外，还开发了一种整合PD1的创新型抗 CD19 CAR-T 细胞，并在异种移植模型中显示出卓越的根除肿瘤细胞的能力。在复发/难治性侵袭性 B 细胞非霍奇金淋巴瘤的过继治疗中，研究人员观察到8名患者的完全缓解率和持久反应率很高（87.5%），没有严重的不良事件。值得注意的是，这些增强的 CAR-T 细胞即使在低输注剂量和 CAR+ 细胞百分比低的情况下也是有效的。总的来说，该研究结果证明了非病毒、基因特异性整合 CAR-T 细胞的高安全性和有效性，从而为 CAR-T 细胞治疗提供了创新技术。

在病理状态下，细胞内能量和还原物是缺乏的。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TCA周期的干预有望纠正病理条件下ATP供应失调。然而，TCA循环涉及各种代谢网络，特定因子的传递改变其内在通路甚至可能导致细胞死亡。另外，直接提供外源性ATP对细胞代谢影响不大。NADPH的还原形式可以为合成反应和氧化还原平衡提供还原动力。

细胞NADPH水平是通过几种代谢途径(即磷酸戊糖途径、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代谢)的产生和利用来调节的，直接干预这些途径可能导致细胞代谢失衡。此外，NADPH是昂贵的，不受控制的NADPH供应会导致细胞毒性超氧化物的产生，这反过来又会导致氧化应激。这些特性限制了NADPH的临床应用。因此，构建一个可控的、独立的ATP和NADPH自供系统对增强细胞合成代谢具有重要意义。

利用自然系统生产ATP和NADPH可以实现新的应用。用ATP合酶合成脂质体可以建立质子梯度并驱动ATP合成。此前的研究也将菠菜类囊体膜与人工生物网络结合，实现了微尺度上的光合合成代谢反应。然而，利用可控和独立的天然光合系统来改善细胞合成代谢还没有实现。体内生物活性组织的跨物种移植也需要克服身体的排斥。在人体内，在细胞水平上，各种类型的免疫相关细胞(主要是巨噬细胞)负责清除异物。在亚细胞水平(细胞器)，溶酶体通过吞噬作用和溶解作用消化和清除异物。因此，避免排斥和消除哺乳动物体内的自然光合作用系统，以实现功能性的跨物种应用策略仍然是一个挑战。

文章总结（视频来源：浙江大学医学院附属邵逸夫医院）

细胞膜是体内各细胞之间相互识别和调节的关键细胞结构，在保留其内部内容物方面起着至关重要的作用。来自细胞膜的囊泡可用于包裹特定材料，以增强其生物相容性和治疗效果。因此，研究人员认为使用特定的成熟细胞膜作为伪装可能是一种有效的策略，以避免跨种排斥。反过来，一个独立的天然光合系统的体内移植可用于增强退行性疾病的细胞合成代谢。

骨关节炎是一种常见的退行性疾病，病理性软骨细胞表现为ATP和NADPH消耗，活性氧(ROS)和基质金属蛋白酶(MMPs)的产生增加。能量不足的软骨细胞表现为细胞外基质(ECM)蛋白的合成减少，包括胶原蛋白和蛋白聚糖。软骨细胞内能量储备的损失加上代谢途径向糖酵解的转变导致病理性软骨细胞中ECM合成和合成代谢受损。目前的治疗不能系统地纠正退化软骨细胞中发生的代谢失衡，并与不良的临床结果相关。

文章模式图（图源自Nature ）

该研究开发了一个基于纳米类囊体单位(NTUs)的独立和可控的纳米植物源光合系统。为了实现跨物种应用，该研究使用特定的成熟细胞膜(软骨细胞膜(CM))进行伪装封装。作为概念的证明，该研究证明了这些CM-NTU通过膜融合进入软骨细胞，避免溶酶体降解并实现快速渗透。此外，CM-NTU在光照下增加细胞内ATP和NADPH的原位水平，并改善退化软骨细胞的合成代谢。它们还可以系统地纠正能量失衡，恢复细胞代谢，改善软骨内稳态，令老化的关节软骨细胞恢复青春，防止骨关节炎的病理进展。该研究治疗退行性疾病的策略是基于天然的光合系统，通过独立提供关键能量和代谢载体，可以控制地增强细胞合成代谢。本研究也加深了对生物有机体和复合生物材料在疾病治疗中的制备和应用的认识。

浙江大学医学院附属邵逸夫医院林贤丰主治医师/特聘研究员、范顺武教授和浙江大学化学系唐睿康教授为本文的共同通讯作者，浙江大学医学院附属邵逸夫医院陈鹏飞博士、刘欣特聘研究员和顾辰辉博士生为本文的共同第一作者。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y

来源于【iNature】

E.N.D

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