Nature Nanotechnology：能量代谢纳米药，抗衰老！

小奇

2025-09-16

间充质干细胞（MSCs）的衰老与线粒体功能障碍密切相关，表现为ATP合成异常和线粒体自噬受损。靶向线粒体ATP合酶β亚基（ATP5B）可调控能量代谢，通过诱导能量限制状态促进线粒体分裂与自噬，从而逆转MSCs衰老进程。纳米药物凭借其精准靶向能力和独特理化性质，为调控ATP合酶活性及治疗年龄相关疾病提供了新策略。

受天然纳米界面启发，来自北京大学口腔医院刘燕等人基于超小黑磷量子点（BP QDs）开发了能量代谢参与型纳米药物（EM-eNMs），并通过接触电催化选择性氧化其表面。EM-eNMs作为无机多磷酸盐（polyP）的结构类似物，被MSCs识别为能量代谢关键物质，优先富集于线粒体以调控线粒体形态与功能，从而增强MSCs干性并最终延缓骨骼衰老。机制上，EM-eNMs通过特异性结合ATP5B抑制过量ATP产生，进而调控线粒体动力学。该工作为纳米材料在分子及亚细胞水平参与线粒体稳态调控和能量代谢提供了直接证据。

通过接触电催化合成EM-eNM

本研究利用接触电催化技术，以黑磷量子点（BP QDs）为前体制备了具有高暴露磷酸盐基团的能量代谢纳米药物（EM-eNMs）。该过程实现了可控的表面氧化，形成类似能量代谢关键物质多聚磷酸盐（polyP）的结构。表征证实EM-eNMs尺寸约3 nm，表面磷酸盐基团高度氧化且处于高氧化态。EM-eNMs具有良好的生物相容性，能有效增强衰老骨髓间充质干细胞（BMMSCs）的干性。细胞实验显示，EM-eNMs可被细胞内化并在线粒体中富集，将衰老细胞中延长的线粒体形态逆转为更短更圆的健康状态。机制上，EM-eNMs处理24小时后，显著促进了线粒体分裂（Drp1/Fis1上调）并抑制融合（OPA1/Mfn2下调），同时增强了线粒体自噬（可见线粒体自噬体、PINK/BNIP3上调及线粒体-溶酶体共定位增加）。综上所述，EM-eNMs通过重塑线粒体动力学和增强自噬，有望维持细胞稳态、缓解干细胞衰老。

Figure 1 EM-eNMs的表征及其在线粒体形态与动力学中的作用

EM-eNMs促代谢重编程逆转干细胞衰老

线粒体作为能量代谢核心，其动态和自噬变化深刻影响代谢模式。虽有氧磷酸化（OXPHOS）效率更高，但糖酵解对维持干细胞干性和减少线粒体ROS至关重要。研究表明，EM-eNMs可能通过上调糖酵解、抑制OXPHOS来改善衰老BMMSCs的干性。RNA-seq分析显示，经EM-eNMs处理后，糖酵解和OXPHOS相关基因表达发生显著改变：OXPHOS相关基因（如ACOX2、P2RX7、COQ2等）明显下调，而糖酵解相关基因（如POGLUT3、ENO3、HIF1a等）显著上调。功能实验进一步证实，EM-eNMs处理降低了细胞的氧消耗率（OCR）和ATP产量，同时提高了细胞外酸化率（ECAR）和糖酵解能力。胞内ROS水平也同步下降，ATP略有减少。这些结果一致表明，EM-eNMs可促使衰老BMMSCs的代谢模式从OXPHOS向糖酵解转变，从而逆转其衰老状态。

Figure 2 EM-eNMs影响线粒体能量代谢

EM-eNMs增强干细胞干性及多向分化能力

研究通过长期EM-eNMs处理衰老BMMSCs，发现其可显著增强细胞增殖与干性：克隆形成增多、Ki67阳性率上升，干性基因SOX2和OCT4表达上调，衰老标志物SAβ-gal与γ-H2AX阳性率及P53/P16表达下降，球体形成能力也明显恢复。在多向分化方面，EM-eNMs显著促进衰老BMMSCs的成骨分化（ALP活性、矿化结节及OCN/BMP2表达升高）和软骨分化（SOX9/HAS2上调），同时有效抑制成脂分化（脂滴减少、PPARγ下调）。体内实验进一步证实，经EM-eNMs处理的BMMSCs在裸鼠中诱导更多的新骨生成和血管形成。该效应源于EM-eNMs特有的类磷酸盐仿生结构，而非纳米尺寸或表面效应：多种尺寸匹配的纳米材料均无法类似上调干性基因，H₂O₂降解EM-eNMs后其促进作用也消失。研究表明，EM-eNMs通过特异性靶向与代谢调控，有效维持衰老干细胞功能并促进组织再生。

Figure 3 EM-eNMs维持骨髓间充质干细胞（BMMSC）的干性与功能

EM-eNMs与ATP5B特异性结合机制

荧光标记实验动态揭示了EM-eNMs与靶向线粒体ATP合酶β亚基（ATP5B）之间的特异性相互作用：4小时后，EM-eNMs-FITC可诱导His-ATP5B-mCherry蛋白发生聚集，而经H₂O₂降解的EM-eNMs则显著抑制该聚集现象。为排除非特异性蛋白吸附干扰，研究将EM-eNMs与10%胎牛血清预孵育形成蛋白冠，发现其与ATP5B的结合能力依然保持，免疫印迹进一步验证了这一特异性结合。

通过ATP5B siRNA敲低实验，研究发现干扰ATP5B表达可模拟EM-eNMs处理效果：两者均显著下调ATP5B表达并轻微降低ATP水平。siATP5B组与siATP5B+EM-eNMs组在ATP5B表达上无显著差异，表明EM-eNMs通过靶向ATP5B发挥调控作用，进一步证实ATP5B是EM-eNMs调控线粒体动态与自噬的关键靶点。

Figure 4 EM-eNMs直接结合ATP5Β并诱导其聚集

靶向ATP5B–线粒体分裂轴介导EM-eNMs功能

在衰老BMMSCs中，干扰ATP5B可模拟EM-eNMs作用，诱导线粒体由长丝网状转变为短杆/圆形，并上调分裂蛋白DRP1/FIS1、抑制融合蛋白MFN2/OPA1；在ATP5B敲低背景下，EM-eNMs不再产生额外效应。ATP5B knockdown或EM-eNMs处理均显著促进线粒体自噬，表现为线粒体与LC3、溶酶体共定位增加，且效果与雷帕霉素相当。

ATP5B knockdown同样上调干性基因SOX2/OCT4并缓解衰老，且EM-eNMs无法在敲低后进一步增强该效应，表明ATP5B是EM-eNMs发挥作用的关键靶点。进一步研究发现，敲低DRP1可阻断EM-eNMs诱导的线粒体分裂、自噬及干性提升，自噬抑制剂BafA1与3MA也抑制SOX2/OCT4上调。结果证实，EM-eNMs通过靶向ATP5B–DRP1介导的线粒体分裂–自噬轴，增强BMMSC干性并抵抗衰老。

Figure 5 EM-eNMs通过结合ATP5B调控线粒体动力学、线粒体自噬及骨髓间充质干细胞（BMMSC）的干性

EM-eNMs逆转骨骼衰老的体内疗效评估

为评估EM-eNMs的体内治疗潜力，研究对18月龄衰老小鼠进行为期10周的EM-eNMs静脉注射治疗，并以4月龄年轻小鼠作为基线对照。μCT分析显示，EM-eNMs处理完全逆转了年龄相关的骨丢失，骨矿物质密度（BMD）、骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数量（Tb.N）及分离度（Tb.Sp）均恢复至年轻对照组水平，并显著改善骨机械强度、矿化速率和皮质骨厚度，同时抑制牙槽骨流失。组织学染色进一步证实，EM-eNMs治疗组骨形成增加、脂肪浸润减少，FABP4阳性信号下降且破骨细胞数量减少。

通过对骨髓中原代CD73+CD90+CD105+CD34− BMMSCs的分析，研究发现EM-eNMs显著增强线粒体分裂（DRP1、FIS1上调；OPA1、MFN2下调）并促进线粒体自噬（PINK1、BNIP3升高）。同时，EM-eNMs处理组BMMSCs形成更多、更大的成纤维细胞集落（CFU-Fs），Sox2和Oct4表达上调，成骨分化能力增强而成脂分化能力减弱。线粒体形态分析也显示，衰老小鼠BMMSCs中线粒体由 elongated 形态逆转为短杆状或圆形。

这些结果一致表明，EM-eNMs通过促进线粒体分裂与自噬、维持BMMSC干性与功能，在体内有效逆转骨骼衰老。

Figure 6 EM-eNMs通过 rejuvenation 衰老的骨髓间充质干细胞（BMMSCs）延缓骨骼衰老

结论

本研究开发了一种靶向ATP合酶、调控能量代谢的纳米药物EM-eNMs。它通过直接结合ATP合酶，调控线粒体动力学、自噬和骨髓干细胞干性，最终逆转骨骼衰老。EM-eNMs可进入线粒体并影响其形态与功能，其独特生物效应源于黑磷量子点经接触电催化形成的类磷酸盐表面结构，该结构使其能通过线粒体磷酸转运体进入线粒体内膜。这种模拟生物关键物质的仿生纳米界面设计，为新一代纳米药物提供了新策略，有望实现对多种细胞功能的精准调控。

参考文献：

Chen, L., Fan, Y., Jiang, N. et al. An energy metabolism-engaged nanomedicine maintains mitochondrial homeostasis to alleviate cellular ageing. Nat. Nanotechnol. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01972-7