《自然》：浙大团队将植物光合系统植入动物细胞，让受损细胞恢复活力

原创 代丝雨 奇点网 收录于合集 #中国科学家 25个

*仅供医学专业人士阅读参考

记得初中生物课上，第一次学到光合作用的时候，我就在想，如果我也能有叶绿体、可以光合作用，那岂不是晒晒太阳就饱了，就不用吃饭了，多省事儿啊。

如今的我沉迷美食，已经不再那么想错失摄入卡路里的机会了。不过植物的这项技能的确非常厉害，有没有希望为我所用呢？

今天，《自然》杂志的一篇论文实现了我儿时的梦想。研究者们成功将植物的光合作用系统放进了哺乳动物细胞中，以此增强细胞的合成代谢能力。这可以改善退变损伤细胞的代谢功能障碍，从而治疗退行性疾病。

研究者们尝试用这种方法治疗了小鼠的骨关节炎，有效地改善了软骨破坏。论文通讯作者是来自浙江大学医学院附属邵逸夫医院的林贤丰、范顺武和浙江大学化学系的唐睿康。[1]

能量的产生和消耗可以说是这世间万物运转的底层逻辑，细胞也不例外。细胞内各种物质的合成和代谢都需要消耗能量，一旦能量产生出现问题，很多疾病就这样发生了。

细胞功能一旦受损，恢复原状又谈何容易？或许我们可以另外给它装上“太阳能电池”？

植物光合作用的关键细胞器，叶绿体，可以说就是这样的“电池”。叶绿体中包含有一套名为类囊体的内膜系统，光合作用就发生在类囊体膜上。

研究者们从菠菜的叶绿体中提取类囊体，并进一步制备得到了直径约为130nm的纳米类囊体单元（NTUs）。NTUs保留了光合作用所需的所有蛋白质成分，而且能够在光照后催化ADP产生ATP。

冷冻透射电镜下的类囊体和NTUs

NTUs可在光照下有效催化产生ATP

为了安全地把NTUs放进动物细胞，研究者们用软骨细胞膜（CM）将NTUs包裹起来，得到的CM-NTUs在一周内都相对稳定。

将CM-NTUs与细胞共培养，在五种不同的细胞中，软骨细胞吸收CM-NTUs是最强的。而且CM-NTUs能够绕过细胞的内吞机制，避免被溶酶体降解，可以稳定地存在于细胞内。

冷冻电镜下的CM-NTU

对照组是脂质纳米颗粒（LNP）包裹的

研究者用白介素-1β诱导小鼠软骨细胞的代谢损伤，然后基于光照，发现CM-NTU能够显著改善细胞的合成代谢。红光照射30分钟后，损伤细胞中ATP和NADPH水平和正常的对照细胞几乎一样了。

光照下CM-NTU能有效改善损伤细胞的能量代谢

那么这在体内能否形成有效的治疗呢？

先不用担心在体内如何“晒太阳”，经过研究者的实验，红光能够有效穿透小鼠膝关节腔，保留50%左右。

通过手术切断小鼠的前交叉韧带，能够诱导小鼠的骨关节炎。随后，研究者给小鼠关节内注射CM-NTUs并结合光照。

手术后8周和12周进行检查，可以发现软骨破坏显著减少，OARSI评分改善。CT检查显示，CM-NTUs治疗后，小鼠关节形态改善、骨赘形成减少。此外，滑膜炎症和骨关节炎疼痛都有好转。

这说明，CM-NTUs可以促进软骨稳态，并防止小鼠骨关节炎进展。

实验流程

关节切片可见软骨破坏显著减少

从原理来讲，CM-NTUs可能对很多退行性疾病都能起到治疗作用，至于这些情况下要采用怎样的治疗方案，以及在人体中是否也能够顺利应用，就要看将来的啦！

参考资料：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y

本文作者丨代丝雨

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