纳米“充电宝”问世！PNAS｜2-4 倍高效供能，受损细胞重获新生

如果把人体细胞比作微型城市，那么线粒体就是这座城市的 “发电厂”。随着年龄增长、疾病侵袭，这些发电厂会逐渐老化、停工，导致整座城市陷入能源危机——这正是阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病，以及心力衰竭、肌肉萎缩等病症的核心根源。

据统计，全球有数千万人受线粒体功能障碍相关疾病困扰，心血管疾病每年更是导致约 1790 万人死亡；而随着人口老龄化加剧，这些 “能源短缺型” 疾病正成为公共卫生领域的巨大挑战。传统药物往往只能缓解症状，无法修复细胞的 “发电系统”。

但如今，发表在国际顶刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》上题为 “Nanomaterial-induced mitochondrial biogenesis enhances intercellular mitochondrial transfer efficiency”的研究，为彻底解决这一问题带来了新希望。来自德州农工大学等机构的科学家们，利用一种形似花朵的二硫化钼（MoS2）纳米材料，成功将普通间充质干细胞（hMSCs）改造成 “线粒体生物工厂”，让其能通过细胞间 “能量捐赠”，为受损细胞 “充电续命”。

线粒体被称为细胞的 “动力核心”，负责产生维持生命活动的能量货币 ATP。当它数量减少或功能受损时，细胞就会陷入全面能源危机：神经元因能量不足出现认知衰退，心肌细胞因动力匮乏导致收缩无力，肌肉细胞因供能短缺引发肌无力。更棘手的是，受损线粒体还会释放大量活性氧（ROS），加速细胞衰老甚至凋亡。目前的治疗方法大多停留在缓解症状层面，无法从根本上重建细胞的 “发电网络”。

其实自然界中，细胞早已进化出相互救助的本能——健康细胞会通过纳米级的隧道（TNTs），向受损邻居 “捐赠” 健康线粒体。但这个自然过程效率极低，就像停电城市里只有少数家庭有发电机，还只能分出零星电力，根本无法应对严重的细胞损伤。而MoS2纳米花的出现，彻底改变了这一局面。

这种花状结构的纳米材料，核心奥秘在于其表面的原子级空位。当这些 “纳米花” 进入间充质干细胞后，会立刻发挥双重作用：一方面，原子空位能高效清除细胞内的有害 ROS，减少氧化损伤；另一方面，这种清除作用会激活细胞内的 SIRT1 信号通路，进而上调 PGC-1α 和 TFAM 等关键分子——这两种分子是线粒体生物发生的 “总开关”，能启动线粒体的 “批量生产”。

实验结果显示，经过MoS2纳米花处理的干细胞，线粒体 DNA（mtDNA）拷贝数翻倍，线粒体质量显著增加，真正变成了高效运转的 “线粒体生物工厂”。更重要的是，这些干细胞向受损细胞转移线粒体的效率提升了 2-4 倍，对心肌细胞、平滑肌细胞等能量需求高的细胞，转移效率甚至能达到原来的 3-4 倍。

尺寸可调二硫化钼纳米花的合成与表征

在细胞实验中，这些 “超级供能干细胞” 展现出了惊人的修复能力。面对抗霉素 A（抑制线粒体复合体 III）、CCCP（破坏线粒体膜电位）等诱导的损伤，接受线粒体捐赠的受损细胞，ATP 产量快速恢复到正常水平，线粒体 ROS 水平显著降低，膜电位也逐渐稳定；针对化疗药物多柔比星（Doxorubicin）导致的心脏毒性——这是临床化疗中常见的严重副作用，“线粒体生物工厂” 捐赠的健康线粒体，能显著降低心肌成纤维细胞的凋亡率，减少凋亡诱导因子（AIF）释放，同时几乎完全清除线粒体特异性 ROS，让受损心肌细胞重获活力。

更令人欣慰的是，MoS2纳米花具有极高的生物相容性，其半数抑制浓度（IC₅₀）高达 200-250μg/mL，在有效浓度下不会影响细胞周期，且纳米花本身不会被转移到受体细胞，仅在供体干细胞内发挥作用，安全性得到充分验证。

这项技术的突破之处，在于它没有强行向细胞注入外源线粒体，而是通过纳米材料唤醒细胞自身的修复潜能，巧妙 “借力打力”。与现有方法相比，它的优势十分突出：一是作用机制精准，通过激活天然信号通路，避免外源物质排斥；二是转移效率高，针对不同类型受损细胞实现 2-4 倍供能提升；三是适用范围广，对神经、心脏、肌肉等多种组织的受损细胞均有效；四是安全性优异，纳米材料生物相容性好，无明显毒副作用。

尽管目前仍处于细胞实验阶段，但它的应用前景已令人振奋：在神经退行性疾病领域，可为阿尔茨海默病、帕金森病患者的受损神经元补充能量，延缓认知衰退；在心血管领域，能帮助心肌梗死后的缺血心肌细胞恢复动力，促进心脏修复；在肌肉疾病领域，可治疗年龄相关性肌肉流失和肌营养不良症；在肿瘤治疗中，还能减轻化疗药物对正常细胞的线粒体损伤，提升患者生活质量。

随着人口老龄化趋势加剧，开发能从根本上修复细胞 “发电系统” 的技术愈发迫切。这项研究让我们看到了希望——未来或许只需将经过MoS2纳米花预处理的干细胞，精准输送到受损组织，就能为衰老或病变的细胞 “充电续命”。

从自然的细胞互助到纳米技术的精准赋能，科学家们正在改写线粒体相关疾病的治疗规则，或许不久的将来，那些因 “能源危机” 濒临停工的细胞，都能通过这种 “能量共享” 重获新生。

参考文献：

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

编辑 | 阿拉斯加宝

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