干细胞来源的人工细胞器改善神经氧化磷酸化失衡

人类主要的分子能量载体是三磷酸腺苷 (ATP)，其对全身细胞功能至关重要，尤其是大脑。它的合成发生在线粒体中，通过氧化磷酸化 (OXPHOS) 是一个复杂的多步骤过程。当该过程的一个或多个元件发生故障时，可能会导致三磷酸腺苷产生不平衡或活性氧 (ROS) 过度产生。这会导致包括蛋白质和DNA在内的几种细胞生物分子的氧化损伤，并可能最终导致细胞死亡。大脑中，这种不平衡会导致问题，从而导致神经元的丧失，导致一些退行性神经系统疾病的损伤。

鉴于氧化磷酸化的复杂性，治疗ATP合成缺陷中的问题一直是一个挑战。然而，最近来自大连医科大学第一附属医院的中国研究人员设计了一个科学框架“发动机修复理论”，该理论使用来自神经干细胞的自组装细胞器（SAOs），可以执行ATP产生的主要途径来解决线粒体失衡问题。

文章的通讯作者，来自大连医科大学第一附属医院的刘晶、王亮教授认为，该框架“为无细胞细胞器治疗领域提供了一种变革性的方法，特别关注使用神经干细胞来源的氧化磷酸化人工细胞器（SAOs）来恢复线粒体能量稳态和减轻氧化应激” 。

该文章于2024年9月8日发表在《自然通讯》杂志上。

虽然ATP合成途径OXPHOS是一个非常有用的治疗靶点，但其复杂性使其成为一个难以击中的靶点。一个有前景的研究领域是使用能够模拟特定生物过程的自组装仿生细胞器。SAOs可以利用细胞膜中天然存在的自组装特性进行自组装。这种方法在其他生物系统中显示出了希望。

研究人员设计了一种严格的制造工艺，以确保高质量、一致的细胞器。他们培养出同质的细胞克隆，从神经干细胞中引入破裂的细胞膜以诱导自组装，并用OXPHOS成分富集它们以产生能够合成ATP的SAO。

他们测试了选定的细胞群，以确保是同质的。这使得细胞器的工作方式更加确定，因为没有变化会混淆结果。用SAO处理小鼠神经细胞，然后进行测试，他们发现ATP的产生增加了。这一增长证明了SAO能够作为功能单元工作并经历OXPHOS。

体外测试是使用几种类型的神经细胞进行的，这些神经细胞经历了三种不同类型的氧化应激之一。在用SAO处理的细胞培养物中，细胞损伤减少，线粒体中的ROS水平降低。细胞器还通过神经分化、成熟和功能促进细胞再生。

体内试验使用了大脑中动脉闭塞（MCAO）的大鼠，当脑动脉血流受阻时，就会发生MCAO。在用SAO治疗的大鼠中，有明确的证据表明，治疗促进了几种不同细胞类型的再生和修复，增加了OXPHOS的产生，恢复了细胞代谢平衡。它减少了闭塞引起的细胞损伤，降低了线粒体中的ROS水平。“这些发现表明，SAO缓解了大鼠的神经功能缺损症状”，第一作者，来自大连医科大学第一附属医院干细胞临床研究中心的王佳一博士说。最后，体内安全性测试表明，SAO在致瘤性、相关免疫反应和毒性方面具有良好的安全性。

“这项研究的关键点是成功证明了‘发动机修复理论’，”其中OXPHOS失衡的多靶点调节对于修复缺血再灌注引起的神经损伤至关重要。开发出一种高通量、均匀的SAO生产工艺，可以精确调节线粒体能量代谢和OXPHOS稳态。这标志着基于无细胞细胞器的治疗取得了重大突破，为治疗神经退行性疾病提供了一种新方法。刘晶教授说：“这项研究为使用人工细胞器替代或补充传统干细胞疗法奠定了基础，为高效和有针对性的神经修复带来了新的希望。”

展望这项研究可能带来的结果：最终目标是推进下一代无细胞疗法的发展，促进从传统的基于干细胞的治疗向以细胞器为中心的治疗方法的范式转变，提供精确、高效和安全的解决方案。

该文章的其他作者包括赵梦珂、王美娜、付东、康琳、徐煜、沈丽明、靳世林，来自大连医科大学第一附属医院国家地方联合工程实验室和大连干细胞与精准医学创新研究院。

本研究得到了国家自然科学基金(82072953)、国家卫计委和食品药品监督管理局 (CMR-20161129-1003)、辽宁省科技计划 ([2021]49)、大连市优秀青年人才 (2021RJ12) 和大连市科技人才创新 ([2022]25) 的支持。我们使用了Servier Medical Art素材库的图片，该图片获得CC BY 4.0许可。有关原始图片和许可详情，请访问https://smart.servier.com。我们要感谢大连理工大学的孙冰冰教授和中国医学科学院的张然教授在大规模生产SAOs和细胞功能研究方面的帮助。