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德克萨斯大学达拉斯分校的科学家们在肾细胞中发现了一个独特的“内务”过程，在这个过程中，不需要的物质被排出，使细胞恢复活力。这种机制，不同于其他器官的典型再生，可以解释为什么肾脏可以保持一生健康。
德克萨斯大学达拉斯分校的科学家们在肾细胞中发现了一种以前不为人知的“内务管理”过程，该过程会排出不需要的物质，从而使细胞自我恢复活力，保持功能和健康。
这种独特的自我更新方法，不同于已知的其他身体组织的再生过程，揭示了肾脏如何在没有受伤或疾病的情况下，在人的一生中保持健康。该团队在最近发表在《Nature Nanotechnology》杂志上的一项研究中详细介绍了他们的发现。与肝脏和皮肤细胞分裂产生新的子细胞并再生器官不同，肾脏近端小管中的细胞是有丝分裂静止的——它们不会分裂产生新的细胞。自然科学与数学学院化学与生物化学教授、该研究的共同通讯作者 Jie Zheng博士说，在轻度损伤或疾病的情况下，肾细胞确实具有有限的修复能力，肾脏中的干细胞可以形成新的肾细胞，但仅限于一定程度。
“在大多数情况下，如果肾细胞严重受伤，它们会死亡，并且无法再生，”自然科学和数学的杰出主席 Jie Zheng说。“你的肾脏迟早会衰竭。这是肾脏疾病健康管理的一大挑战。我们目前能做的就是减缓肾衰竭的进程。如果器官受到严重损伤或患有慢性疾病，我们就不容易修复它。这就是为什么发现这种自我更新机制可能是我们迄今为止最重要的发现之一。进一步的研究可能会导致纳米医学的进步和肾脏疾病的早期检测。”
研究人员表示，他们的发现让他们大吃一惊。
15年来， Jie Zheng一直在研究金纳米颗粒作为显像剂的生物医学用途，对肾小球滤过的基本了解，肝脏疾病的早期检测，以及癌症药物的靶向递送。这项工作的部分重点是了解金纳米颗粒是如何被肾脏过滤并通过尿液从体内清除的。
研究表明，金纳米颗粒通常会毫发无损地通过肾脏的肾小球结构，然后进入近端小管，近端小管占肾脏的50%以上。近端小管上皮细胞已被证明能内化纳米颗粒，这些纳米颗粒最终从这些细胞中逃逸出来，通过尿液排出体外。但它们是如何逃离细胞的还不清楚。
2021年12月， Jie Zheng和他的化学团队——研究科学家和主要研究作者Yingyu Huang博士和共同通讯作者Mengxiao Yu博士，研究副教授——正在使用光学显微镜检查近端管状组织样本中的金纳米颗粒，但他们切换到大学的电子显微镜(EM)之一以获得更好的分辨率。
Yu说:“通过电子显微镜，我们看到金纳米颗粒被包裹在管腔(上皮细胞外的空间)大囊泡内的溶酶体中。”
囊泡是细胞内外充满液体的小袋，可运输各种物质。
“但是我们也观察到这些囊泡的形成包含了细胞外的纳米颗粒和细胞器，这是我们以前没有见过的，”Yu说。
研究人员发现，近端小管细胞在其管腔膜上形成了面向外的凸起，其中不仅含有金纳米颗粒，还含有溶酶体、线粒体、内质网和其他通常局限于细胞内部的细胞器。挤压后的内容物被挤压到一个囊泡中，囊泡漂浮到细胞外空间。
“在那一刻，我们知道这是一个不寻常的现象，”Yu说。“这是一种清除细胞内容物的新方法。”
挤压介导的自我更新机制与其他已知的再生过程(如细胞分裂)和清扫任务(如胞吐)有着根本的不同。在胞吐过程中，外来物质如纳米颗粒被包裹在细胞内的囊泡中。然后，囊泡膜与细胞膜内部融合，细胞膜打开，将内容物释放到外部。
“我们的发现与之前对细胞如何消除颗粒的理解完全不同。在挤压过程中没有膜融合，这将消除正常细胞中的旧物质，并允许细胞用新鲜物质更新自己，”Huang说。“无论外来纳米颗粒是否存在，都会发生这种情况。这是一种内在的、主动的过程，这些细胞利用它来存活更长时间并正常运作。”
这项发现开辟了新的研究领域。例如，像近端小管中的上皮细胞一样，在动脉壁、肠道和消化道等其他组织中也有发现。
“在纳米医学领域，我们希望尽可能减少纳米颗粒在体内的积累。我们不希望它们卡在肾脏里，所以了解纳米颗粒是如何从近端小管中消除的是非常重要的，”Zheng说。“此外，如果我们能学会如何调节或监测这种自我更新过程，我们可能会找到一种方法来保持高血压或糖尿病患者的肾脏健康。如果我们能够开发出无创检测这一过程特征的方法，也许它可以成为早期肾脏疾病的一个指标。”
参考文献:“Proximal tubules eliminate endocytosed gold nanoparticles through an organelle-extrusion-mediated self-renewal mechanism” by Yingyu Huang, Mengxiao Yu and Jie Zheng, 17 April 2023, Nature Nanotechnology.
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