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衰老以多种方式向我们敲响警钟:皱纹、头发稀疏、灵活性下降、大脑反应变慢。但这一过程也在更基础的微观层面展开,因为大多数细胞内部的能量源正在退化。
德克萨斯农工大学(Texas A&M University)的科学家发现了一种重充电老化和受损细胞的方法,这项创新可能带来更好的治疗手段,适用于阿尔茨海默病、肌营养不良症和脂肪肝等多种疾病。
除红细胞外,所有细胞的能量都来自细胞核周围液体中的线粒体。线粒体有时被称为细胞的能量工厂,在对抗病毒、抑制寄生虫以及合成氨基酸、性激素和其他重要化学物质方面发挥着重要作用。
随着人们年龄增长,线粒体数量减少,德克萨斯农工大学生物医学工程教授、近期发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一项研究的作者阿基莱什·K·加哈瓦(Akhilesh K. Gaharwar)表示,线粒体减少是“多种与衰老相关疾病、神经退行性疾病和代谢状况(如糖尿病)的主要或次要原因”。
加哈瓦和他的同事通过在含有干细胞的培养皿中添加微小的花形颗粒(称为纳米花),创建了微型线粒体工厂。这些纳米花小到数百个才能并排放在人类头发的宽度上,它们通过类似于细胞吸收营养的自然过程进入干细胞。
纳米花由一种名为二硫化钼(molybdenum disulfide)的无机化合物制成,能够触发细胞制造更多线粒体的过程。然而,纳米花使干细胞产生的线粒体数量达到正常水平的两倍,然后这些线粒体被转移给普通的老化或受损细胞。
线粒体专家表示,这项研究代表了重要进展。
“能够增加每个细胞的线粒体数量意义重大,”未参与该研究的斯坦福大学(Stanford University)化学与系统生物学系教授达里亚·莫奇-罗森(Daria Mochly-Rosen)说。
莫奇-罗森合著了一本关于线粒体的书《生命机器:如何通过照顾线粒体来改善健康》(The Life Machines: How Taking Care of Your Mitochondria Can Transform Your Health),她表示自己的研究使她得出结论:“了解线粒体能为我们做什么可以改变医学的未来,我认为这项新研究就是例证。”
德克萨斯农工大学团队描述的这一过程利用了电池状线粒体从一个细胞转移到另一个细胞的自然能力。
“我们正在为干细胞超频,使它们能够以更高的速率将这些‘电池’捐赠给受损细胞,”加哈瓦说。他表示,干细胞“具有归巢能力。每当它们发现损伤时,就会前往那里并定居下来,基本上尝试再生受损区域。”
科学家在培养皿中使用不同类型的细胞进行了该程序。加哈瓦表示,他和他的同事希望在1月或2月开始在大鼠身上测试该技术。
在该方法可用于治疗人类之前,需要在临床试验中证明其安全性和有效性。
现有药物可以增加患者的线粒体,但大多数药物不会改变细胞产生或维持线粒体的方式。因此,这些治疗必须多次进行。
加哈瓦表示,如果新方法获得临床批准,医生可以使用它来为患者自身的细胞超频。例如,患者的皮肤细胞可以被取出并重编程为干细胞,这些干细胞是发育成皮肤、骨骼、软骨和血液的原始材料。
然后,这些干细胞可以在培养皿中提供增强线粒体的纳米花,并送回患者体内。这些新充能的干细胞将在体内循环,为压力大或受损的细胞提供线粒体。
加哈瓦表示,拥有新的线粒体可以帮助老化神经系统细胞更好地沟通。对于糖尿病患者,添加新鲜线粒体可以帮助细胞更快地处理葡萄糖。
他的实验室正在与另外三个专门研究肌营养不良症、脂肪肝疾病和神经系统疾病的实验室合作。
莫奇-罗森表示,她想知道纳米花本身是否能在不使用干细胞的情况下触发线粒体生长。“如果纳米花是安全的,”她说,也许可以将它们注射到特定区域,以帮助受伤或压力大的细胞实现更快的伤口愈合。她说,确定这种增强线粒体方法的益处能持续多久将很重要。
《线粒体》(Mitochondrion)期刊创始主编、阿拉巴马大学伯明翰分校(University of Alabama at Birmingham)癌症遗传学项目主任凯沙夫·K·辛格(Keshav K. Singh)称这项研究很有前景,但警告说仍处于早期阶段。未参与该论文的辛格表示,二硫化钼在人类中的长期安全性尚不清楚。
辛格创立了非营利组织线粒体研究与医学学会(Mitochondria Research and Medicine Society),并创办了总部位于伯明翰的公司Yuva Biosciences。该公司开发了恢复线粒体功能以对抗脱发和皱纹的产品,但辛格梦想启动他称之为“人类能源项目”的计划。
“改善线粒体功能确实可以延长生命和健康,”他说。他表示,目标是保护、维持和生成新的线粒体,“并为每个器官都这样做。”
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