光合作用在絕大多數的人眼中是植物的專屬特權，只要簡單的享受日光浴就可以實現不吃不喝的壯舉。對此權柄的竊取卻早就在學術界展開，從單純的植物走向藍藻，從宏觀的植物細胞走向葉綠體類囊體。從事葉綠體動物細胞移植的科研團隊國內也有很多，包括浙江大學與西湖大學等。可惜的是這種跨物種移植需要克服排斥反應，異源性的葉綠體極易被免疫細胞清除。因此，躲避排斥反應是實現哺乳動物體內的天然光合作用系統的一大前提。
對于哺乳動物細胞而言，其能量和還原當量的生成主要依靠于糖酵解與三羧酸（TCA）循環。針對TCA周期的干預措施有望糾正病理條件下ATP供應失調。但合適的TCA循環干涉位點一直未被學界發現，而直接提供外源性ATP對細胞代謝影響不大。NADPH的相關工作也被類似的問題所困擾。因此，構建可控獨立的ATP和NADPH自我供應系統以增強細胞合成代謝非常重要。
近日，浙江大學邵逸夫醫院骨科與浙江省骨骼肌肉退變與再生修復轉化研究重點實驗室的范順武教授、唐睿康教授以及林賢豐博士帶領其團隊在Nature上發表了一種獨立且可控的基于納米類囊體單元的植物衍生光合作用系統。
該系統可以獨立提供關鍵的能量和還原當量實現細胞合成代謝增強，進而治療退行性疾病。作者團隊使用軟骨細胞膜進行偽裝封裝來突破動植物跨物種困境。這些偽裝納米光合類囊體（CM-NTU）通過膜融合進入軟骨細胞，避免溶酶體降解并實現快速滲透。此外，CM-NTU在暴露于光照下原位增加細胞內ATP和NADPH水平，并改善退化軟骨細胞的合成代謝。系統地糾正了能量失衡并恢復細胞代謝，以改善軟骨穩態并防止骨關節炎的病理進展。
CM-NTU的制備與表征：
首先分析通過擠膜獲得的植物類囊體單元（NTU）。NTU粒徑約為130 nm，低溫透射電子顯微鏡證實了NTU的納米結構。蛋白質組學結果表明，NTUs保留了類囊體膜表面光合作用所需的所有蛋白質成分。Gene Ontology 細胞成分分析表明NTU蛋白組分參與NADPH再生和ATP代謝過程。NTU能夠在光暴露后催化ADP產生ATP。分離測量了NTU中D1和D2蛋白隨時間推移的豐度。在光照下，D1和D2蛋白均在8-16小時內完全降解。在黑暗條件下，兩種蛋白質在5-7天內完全降解。然后測量NTU的ATP生產能力隨時間的變化。在光照16小時或在黑暗中儲存7天后，NTU產生ATP的能力顯著降低。總體而言，NTUs在光照和黑暗條件下產生ATP的能力變化與蛋白質降解水平的變化一致。
接下來，作者團隊純化并獲得了軟骨細胞膜（CM）樣品，并對其進行了蛋白質組學分析。分析表明蛋白質成分主要與細胞膜的結構有關。蛋白質印跡分析的結果進一步驗證了CM的成功分離。將純化的CM和NTU一起物理擠出以獲得CM-NTU。尺寸約216 nm和表面zeta電位數據均表明NTUs成功被細胞膜包被。通過冷凍透射電鏡和透射電子顯微鏡（TEM）可視化樣品證實了CM-NTU的核殼結構。
圖 CM-NTU的制備和表征
評估CM-NTU的細胞攝取：
為了研究NTU的體內代謝情況，將小鼠巨噬細胞或軟骨細胞與NTU，LNP-NTU或CM-NTU一起孵育。巨噬細胞中的NTUs或LNP-NTUs的熒光強度大于CM-NTUs。這一結果表明，CM包被顯著減少了NTU和巨噬細胞之間的相互作用。與NTU或LNP-NTU相比，CM-NTUs被軟骨細胞更有效地內化。這些結果表明了CM-NTU的選擇性靶向能力。
然后，研究CM-NTU的細胞內運輸特性。CM主要積聚在細胞外層，而NTU集中在內部。因此提出CM-NTUs的整合途徑可能類似于包膜病毒的整合途徑，其通過膜融合啟動細胞內化，然后將封閉的衣殼釋放到細胞質中。流式細胞術分析顯示，雖然低溫抑制了CM-NTUs的細胞攝取，但添加內吞相關抑制劑沒有影響。這些發現表明，CM-NTU可能主要通過膜融合機制進入軟骨細胞。繼續研究CM-NTU的選擇性。將CM-NTU添加到五種不同細胞類型。結果表明，與其他細胞相比，軟骨細胞特異性地吸收CM-NTU。與涂有其他膜的NTU相比，軟骨細胞吸收CM-NTU的百分比最高。大多數通過細胞內吞作用內化的異物被進一步運送到溶酶體中，然后在溶酶體中降解。在這項研究中，只有少數內化CM-NTU的信號與溶酶體共定位。
圖 CM-NTU的細胞膜融合和細胞內釋放過程
CM-NTU改善細胞合成代謝：
鑒于CM-NTUs的成功制造，評估其對細胞合成代謝的光控作用。選擇IL-1β誘導小鼠軟骨細胞代謝損傷。暴露在紅光下的CM-NTU照射30分鐘，并用25μM封裝的鐵氧還蛋白用于后續實驗。在這些條件下，CM-NTU恢復了損傷軟骨細胞中ATP和NADPH水平。此外，CM-NTUs在沒有IL-1β處理的情況下也可以增強軟骨細胞中ATP和NADPH的產生。光照/CM-NTUs處理的細胞中ATP和NADPH水平逐漸升高，在1-2小時達到峰值，然后由于細胞內ADP和NADP耗盡而趨于穩定。8小時后，ATP和NADPH水平開始下降。到32小時，ATP和NADPH水平與在非照明細胞中觀察到的水平相似。在非照明細胞中，CM-NTU對細胞ATP水平沒有影響。
將IL-1β處理的軟骨細胞與CM-NTU一起孵育，有或沒有光照射，并跟蹤軟骨細胞的變化。用CM-NTUs和光照射處理顯著增加了ECM合成相關蛋白的水平，并降低了ECM降解相關蛋白的水平。相比之下，在黑暗中CM和CM-NTU對軟骨細胞的蛋白質水平沒有影響。使用CM-NTUs和光照射治療后，注意到殘留軟骨增加。
驗證CM-NTUs對IL-1β誘導的線粒體活性失調的影響。與黑暗/CM或CM-NTUs處理的軟骨細胞相比，光照/CM-NTUs處理的軟骨細胞中觀察到線粒體相關的ROS水平顯著降低。光照/CM-NTUs處理后，線粒體膜電位探針JC-1檢測到的紅色熒光顯著增加，表明能量狀態增強。同時軟骨細胞的SIRT-1，PGC-1α，TFAM，NRF1和NRF2水平升高，而這些蛋白水平的高水平表達與線粒體良好的能量代謝狀態有關。此外，IL-1β刺激后，軟骨細胞中的細胞質ATP/ADP比值從2.42下降到0.84。CM-NTUs的加入使細胞質ATP/ADP的比率恢復到2.39，這表明細胞內能量狀態恢復。這些結果表明，CM-NTUs可以通過光可控的天然光合作用系統改善細胞合成代謝。
圖 CM-NTU改善細胞合成代謝
CM-NTU重新編程細胞代謝：
有研究報道，ATP和NADPH的產生可能導致細胞代謝增強。進行轉錄組學分析，以全面確定細胞合成代謝的變化。炎癥刺激可能通過增加糖酵解和減少氧化磷酸化來增強軟骨細胞的代謝重編程，IL-1β組顯示參與糖酵解的基因表達上調，參與氧化磷酸化的基因表達下調。IL-1β加CM-NTU組表現出參與TCA循環和氧化磷酸化的基因的上調表達，以及參與糖酵解和ECM降解的基因的下調表達。代謝組學分析表明IL-1β加CM-NTU組對細胞TCA循環、呼吸電子傳遞、糖酵解和膠原蛋白合成有顯著影響。
整合轉錄組學和代謝組學分析細胞能量和物質代謝，發現CM-NTUs增加了兩種膠原蛋白合成機制中的代謝物豐度和基因表達，這有利于軟骨ECM的再生。此外，參與糖胺多糖合成關鍵底物的N-乙酰基-D-葡萄糖胺的水平和參與相關基因的表達水平升高。總之，CM-NTU驅動的代謝重編程可以糾正退化軟骨細胞中能量和物質代謝不平衡。
圖 CM-NTU促進細胞代謝重編程
CM-NTU對骨關節炎的治療：
對于動物模型，作者團隊研究了關節內注射CM-NTUs并光照是否可以抑制小鼠前交叉韌帶橫斷（ACLT）誘導的骨關節炎的進展。光照/CM-NTU處理在術后8周和12周顯著減弱軟骨破壞。國際骨關節炎研究學會（OARSI）的分數進一步證實了這一結果。接受光照/CM-NTUs治療的膝關節表現出較少的骨關節炎變化，切片也上顯示Col II和聚集聚糖含量增加。治療組的術后12周表現出軟骨下骨板的形態改變和骨贅形成減少，抑制了脛骨軟骨下骨重塑，減少組織總體積和骨小梁模式因子。
對關節軟骨的ATP和NADPH濃度分析，光照/CM-NTUs治療增加了ATP和NADPH的產生。ACLT術后，關節軟骨中ROS的熒光強度增加，而光照/CM-NTUs治療逆轉該ROS的產生。炎癥層面，降低了誘導性一氧化氮合酶的蛋白質水平。光照/CM-NTUs治療也減少了ACLT誘導的骨關節炎疼痛。綜上所述，這項研究表明，CM-NTUs可以促進軟骨穩態并防止動物的骨關節炎進展。
圖 CM-NTU治療對小鼠骨關節炎的體內影響
小結：
作者團隊利用膜包被策略，證明了植物來源的天然光合系統跨物種移植的可行性和適用性。這種治療策略是可推廣的，因為來自不同成熟哺乳動物細胞來源的涂層均可用應用于該體系并為各種退行性疾病提供治療的可能，這使得該平臺體系擁有極佳的臨床應用潛力。
此外，作者團隊構建了一個自然光合作用系統，該系統在光照下實現了獨立促進細胞中關鍵能量和代謝載體的供應，同時可以克服排斥反應的限制。Nature的資深編輯George Caputa表示如何向細胞輸送能量一直是困擾細胞生物學的難題，并且實現特定代謝物含量的正確補給是臨床治療的持久性難題。該研究對此困境給出了一份令人信服的答案，也為利用天然材料精確調控新陳代謝提供了新方法。這種光合作用系統可以增強細胞合成代謝，在治療退行性疾病方面表現出有希望的臨床潛力。
參考文獻：
Pengfei Chen, Xin Liu , Chenhui Gu, et al. A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism. Nature. 2022 Dec 7.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y#Sec7
