《自然通讯》：大连医科大学利用人类神经干细胞衍生的人工细胞器，显著改善中风后的神经功能和行为表现
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作者：摩西 | 主编：摩西
在人类的大脑中，每一个神经元就像一个忙碌的工厂，需要源源不断的能量来维持它的正常运转。这个能量主要由线粒体——细胞的“微型发电站”——通过一种叫做氧化磷酸化（OXPHOS）的过程来生产。
然而，在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病或帕金森病）中，线粒体的发电效率大打折扣，就像一个旧工厂的机器开始磨损、生锈，不能再顺畅地运转。这时，大脑会因为缺乏能量而出现各种问题，比如记忆丧失或运动障碍。
为了解决这一问题，最近一项发表在《自然通讯》上的研究提出了一种创新方法——利用人类神经干细胞（NSCs）衍生的人工细胞器（SAOs），这些人工细胞器能够提高线粒体内的能量代谢水平，恢复细胞的正常功能。
人工细胞器如何工作
来自辽宁大连医科大学第一附属医院研究团队，从神经干细胞中提取材料，通过膜自组装技术，制备了一种高度均一的人工细胞器（SAOs）。这些SAOs模仿线粒体的结构和功能，特别是其“动力厂”部分的氧化磷酸化过程。可以将其理解为一种“替代动力设备”，帮助受损细胞重新恢复能量生产和代谢平衡。
研究设计主要分为两个关键步骤：构建人工细胞器和验证其功能。研究团队以人类神经干细胞（NSCs）为起点，通过一系列精细的生物技术手段，制备出具有氧化磷酸化功能的人工细胞器（SAOs），并验证了它们在神经元中的实际效用。
1. 构建人工细胞器（SAOs）
研究团队首先利用一种条件性永生化基因（c-mycERTAM）对人类神经干细胞（iNSCs）进行改造，使这些细胞在特定条件下能够快速扩增并保持其原有特性。接下来，通过一种闭环操作系统进行人工细胞器的制备。这一系统能够在高度封闭和控制的环境中操作，确保最终生成的SAOs具有高度均一性和可控性。
细胞分离与扩增：使用流式细胞仪将经过改造的单个iNSCs分离，并在特定培养条件下快速扩增。这样可以确保所有细胞在基因和表型上都是一致的，从而减少传统细胞疗法中因细胞异质性带来的不确定性。
膜自组装技术：在制备SAOs的过程中，研究人员通过高压均质仪破坏iNSCs的细胞膜结构，尤其是内部线粒体膜（IMM）的结构，然后利用膜成分的自组装特性，促使线粒体相关的蛋白质和结构重新组合，形成稳定的SAOs。这些SAOs富含氧化磷酸化复合物（Complexes I-V），展示出良好的生物活性，并包含电子传递链的关键成分细胞色素C，确保了它们在模拟线粒体功能方面的有效性。
特异性修饰和靶向性设计：为了提高SAOs在中枢神经系统（CNS）中的特异性作用，研究团队还设计了带有RVG29修饰的SAOs。这种修饰可以使SAOs更精确地靶向大脑中的神经元，增强其在神经系统中的治疗效果。
2、验证人工细胞器的功能
构建出SAOs后，研究团队在体外和体内模型中验证了这些人工细胞器的实际功能。
体外实验： 研究人员将SAOs应用于小鼠的海马神经元（HT22），发现这些人工细胞器能够显著提高ATP的合成水平，减少由氧化应激引起的细胞损伤。在一系列不同的氧化应激模型（如H₂O₂诱导的损伤、缺氧糖缺乏模型等）中，SAOs均表现出明显的保护效果，证明了其在改善细胞能量代谢和减轻氧化应激损伤方面的潜力。
体内实验： 进一步的实验在小鼠缺血性中风模型中进行。研究人员通过静脉注射RVG29修饰的SAOs，观察其在脑组织中的分布和作用效果。结果显示，这些SAOs能够有效地定位于脑部，并促进神经元修复，减少脑组织损伤和水肿，显著改善中风后小鼠的神经功能和行为表现。
24 小时的 SAO 治疗显着恢复了神经元形态（图a）并减少了神经元损伤（图b）。
在本研究中发现的关键数据：
1、ATP合成能力的提升：在实验中，研究人员将这些SAOs注入到小鼠的神经元中，发现这些细胞的ATP生产水平显著增加。这相当于给细胞增加了新的能量来源，确保它们有足够的“燃料”来维持正常功能。实验结果显示，在氧化应激模型下，SAOs显著提升了细胞内ATP的合成能力，并减少了由于氧化磷酸化功能不足导致的活性氧（ROS）积累。
2、减少氧化应激损伤：SAOs的使用显著降低了氧化应激对细胞的损伤。在细胞受到过氧化氢（H₂O₂）和缺氧糖缺乏（OGD）模型下，SAOs有效减少了神经元损伤和细胞死亡。这一发现表明，SAOs在缓解细胞因能量供应不足而导致的损伤方面具有显著的潜力。
3、线粒体结构的保护和恢复：在被损伤的线粒体中，研究人员观察到线粒体膜电位的恢复和氧气消耗速率的提高。SAOs的注入不仅促进了ATP的合成，还有效地维持了线粒体的正常形态，防止了线粒体肿胀和脊突结构的丢失。这种效果类似于给线粒体“修复和加固”，防止其进一步受损。
SAOs恢复了细胞形态改变 (图 b )、减少细胞损伤 (图 c ) 并防止了 H2O2诱导的 HT22 细胞凋亡 (图 d )
研究中的创新价值
这项研究展示了一种全新的细胞治疗策略，为神经退行性疾病的治疗提供了新的视角。与传统的神经干细胞疗法相比，SAOs作为一种非活细胞产品，能够减少活细胞治疗可能引发的肿瘤形成和免疫排斥等风险的不确定性。此外，由于SAOs高度均一的制备特性，能够更好地控制其质量和性能，降低临床应用的不确定性。
未来，SAOs的应用可能会拓展到更多的神经系统疾病治疗中，例如帕金森病、阿尔茨海默病以及中风后的神经修复等。通过进一步的优化和改进，SAOs有望成为一种标准的治疗手段，为患者提供更安全、更有效的治疗选择。
利用人工细胞器进行氧化磷酸化调节的巨大潜力，为治疗神经退行性疾病提供了新的方法。尽管目前仍处于早期研究阶段，但这些“替代动力设备”未来有望被广泛应用于临床，为无数患者带来新的希望和治疗选择。
通过科学家的不断努力和技术的进步，这种创新疗法有望改变我们对神经退行性疾病的治疗方式，为患者带来更好的生活质量。正如研究所揭示的，这种微观层面的干预正在走向现实，为我们打开了一扇通向新医学时代的大门。
References：
Wang, J., Zhao, M., Wang, M. et al. Human neural stem cell-derived artificial organelles to improve oxidative phosphorylation. Nat Commun 15, 7855 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52171-2
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