Li、Anne Trafton 2025-03-12 18:17 北京
当科学家刺激细胞产生一种帮助“水熊虫”在极端环境中生存的蛋白质时，经放射治疗的组织DNA损伤明显减轻。
在美国，大约有 60% 的癌症患者在治疗过程中需要接受放射疗法。然而，放疗虽然有效，但往往伴随着一系列严重副作用，给患者的身心健康带来巨大痛苦。
面对这一难题，科学家们试图从自然界中寻找灵感，希望能开发出一种创新技术来保护患者免受放疗带来的损伤。
近期，麻省理工学院、布莱根妇女医院和爱荷华大学的研究人员把目光投向了一种极其微小却极具韧性的生物——水熊虫。
（来源：MIT News）
水熊虫体长通常不超过 1 毫米，广泛分布于全球各地，从高山到深海，从热带到极地，几乎可以在任何环境中找到它们的踪迹。
这种生物最引人注目的特性是其惊人的耐受力，它能够承受极端条件，如高剂量的辐射、极高温或极低温、高压以及真空环境，甚至还能在失去体内大部分水分的情况下进入一种名为“隐生状态”的休眠模式，待环境适宜时恢复生机。
他们研究发现，水熊虫体内的一种特殊蛋白质在抵御辐射方面发挥重要作用。于是，研究人员将编码这种蛋白质的 mRNA 注射到小鼠体内，结果显示，这种蛋白质能够在细胞内产生足够的保护作用，防止 DNA 因辐射而受损。可以预见，如果这项技术能够成功应用于人类，那将能够显著降低放疗对癌症患者造成的副作用，造福全球众多患者。
（来源：Nature Biomedical Engineering）
目前，这项研究成果已经发表在 Nature Biomedical Engineering 上。麻省理工学院机械工程副教授、布莱根妇女医院胃肠病学家 Giovanni Traverso 和爱荷华大学放射肿瘤学助理教授 James Byrne 是这篇论文的共同通讯作者；哈佛医学院讲师、麻省理工学院科赫综合癌症研究所访问学者 Ameya Kirtane 和爱荷华大学的研究科学家 Jianling Bi 是共同一作。
这项研究还得到了美国国防部前列腺癌项目早期研究员奖、美国癌症协会、美国卫生高级研究计划署以及麻省理工学院机械工程系等的资助。
极端环境生存能力带来的启发
在治疗头颈部乃至胃肠道癌症的过程中，放疗是不可或缺的利器。这种治疗方法虽能有效抑制肿瘤生长，却也带来了不容忽视的副作用：口腔或咽喉损伤导致患者进食、饮水成为一种煎熬，而在治疗胃肠道癌症时甚至可能引发直肠出血。这些严重的副作用让许多患者不得不推迟治疗甚至中断治疗。
长期以来，Traverso 和 Byrne 一直致力于探索如何预防放疗带来的组织损伤。“尽管放射疗法对众多癌症疗效显著，但其副作用同样严峻，我们迫切需要找到保护周围健康组织的方法。”Traverso 强调。
“这个问题影响着大量的患者群体。即使症状可能像口腔溃疡这么常见，在接受放疗后也可能迅速出现副作用，导致患者无法正常饮食，甚至需要住院治疗。疼痛、体重急剧下降以及出血等问题不断折磨着他们，严重影响了生活质量。因此，减轻这些副作用是我们科研工作的核心目标。”Byrne 进一步解释说。
目前，围绕放疗引起的损伤，医学界已有一些初步尝试，比如前列腺癌患者在接受放疗时可使用水凝胶作为物理屏障来保护直肠不受损害。然而，总体来看，能够有效抵御放疗损伤的方法依然稀缺。
（来源：MIT News）
在这项新研究中，科学家们揭示了水熊虫之所以能在极端环境下生存的秘密：一种名为“Dsup”的损伤抑制蛋白质。
这种特殊的蛋白质能够紧密地与 DNA 结合并有效抵御辐射带来的伤害。研究显示，这种蛋白质使水熊虫能够承受比人类高出 2,000-3,000 倍的辐射剂量。
于是，研究人员开始探索如何利用 Dsup 蛋白质来保护癌症患者免受放疗过程中的辐射损伤。按照他们的设想，在进行放射治疗之前，通过向患者的组织递送编码 Dsup 蛋白质的 mRNA，使细胞能够在短时间内表达这种蛋白质，从而提供即时的防护。
需要注意的是，这种方法特别之处在于 mRNA 仅会在数小时内表达 Dsup 蛋白，之后便自然分解掉，不会对基因组造成任何永久性影响。
为了实现这一创新疗法，研究人员面临的关键挑战是如何有效地将编码 Dsup 蛋白质的 mRNA 递送到靶组织。
经过一系列复杂的筛选过程，他们最终确定了两种理想的递送系统：一种是由聚合物和脂质组成的复合颗粒，专为高效递送到结肠设计；另一种则是经过优化后的颗粒，适用于口腔组织的递送。
“我们的方法不仅结合了聚合物和脂质两者的优点，提高了递送效率。”Kirtane 表示，“我们方法的一个优势在于使用的是 mRNA，它只是临时短暂地表达蛋白质，相比可能整合到细胞基因组中的 DNA 等物质，其安全性要高得多。”
在成功验证这些颗粒能够高效地将 mRNA 递送到实验室培养的细胞之后，研究团队进一步测试这种方法是否能在活体动物模型中有效保护组织免受辐射损伤。
他们先将颗粒注射到小鼠颊部和直肠中，几小时后，研究人员对这些小鼠施加了相当于癌症患者在接受放射治疗时所承受的辐射剂量。结果发现，这些小鼠体内由于辐射引发的双链 DNA 断裂减少了 50%。这意味着该方法不仅在理论上可行，而且在实际应用中也展现出一定的保护效果。
“这项研究非常具有前景，它展示了如何利用自然界中存在的防御机制来保护 DNA 免受损害，从而为癌症放射治疗中的健康细胞提供强有力的保护。这是一个极其新颖且充满潜力的想法。”范德比尔特大学范德比尔特-英格拉姆癌症中心主任 Ben Ho Park 评论道（他并未参与该研究）。
研究人员进一步发现，Dsup 蛋白质的保护效果严格局限于注射部位，并不会扩散到周围组织。这一点至关重要，因为它确保了只有健康的细胞才能得到保护，而肿瘤区域则不受影响，避免了任何可能削弱放疗效果的风险。
为了使这项技术能够用于人类，科学家们接下来计划开发一种改良版的 Dsup 蛋白质，使其不会引发人体免疫系统的排斥反应。
要知道，原始的水熊虫蛋白虽然具有卓越的抗辐射能力，但在人体内可能会触发不必要的免疫应答，从而降低其疗效甚至引发副作用。因此，开发一种能够与人体“和谐共存”的 Dsup 蛋白质变体是必不可少的一步。
研究团队还展望了该技术在其他领域的应用潜力。比如，能有效防止化疗药物对 DNA 造成的损伤，这将进一步提升现有癌症治疗方案的安全性和有效性，减少患者的痛苦和恢复时间。
此外，考虑到宇航员在太空任务中面临高剂量辐射的风险，这种技术或许也能成为帮助宇航员免受宇宙射线伤害的另一种有效方法，保障他们在太空极端环境中的健康与安全。
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