細胞內合成代謝不足 (表征為細胞內 ATP 和 NADPH 缺乏) 是參與體內許多病理過程的關鍵因素。細胞內物質的合成代謝需要消耗足夠的 ATP,并依賴 NADPH (還原型輔酶 Ⅱ) 為合成代謝提供還原能量的關鍵電子供體。
三羧酸 (TCA) 循環是大多數哺乳動物細胞中產生 ATP 的主要能量代謝過程。然而，針對 TCA 循環的干預措施并不能糾正病理條件下 ATP 供應失調的情況。TCA 循環涉及各種代謝網絡，僅通過遞送特定因子以改變其固有途徑可能會導致細胞死亡，并且，直接提供外源性 ATP 對細胞代謝影響不大。
NADPH 可以為合成反應和氧化還原平衡提供還原力。細胞 NADPH 水平通過多種代謝途徑 (磷酸戊糖途徑、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代謝) 的產生和利用來調節。然而，直接干預這些途徑可能導致細胞代謝失衡，不可控的 NADPH 供應會導致超氧化物的產生，從而又造成氧化應激。此外，NADPH 也很昂貴。
簡言之，在病理條件下，很難將不足的 ATP 和 NADPH 水平增加至最佳濃度。因此，構建一個可控并且獨立的 ATP 和 NADPH 自我供應系統，對增強細胞合成代謝來說尤為重要。

基于 NTUs 的植物源天然光合系統

 

今年 12 月 7 日，Nature 在線發表了名為 “A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism” 的研究性論文。該研究開發了一種獨立且可控的、基于納米類囊體單元 (NTUs) 的植物源天然光合系統。將NTUs 用軟骨細胞膜 (CM) 包裝后遞送入軟骨細胞內，CM-NTUs 在暴露于光后原位增加細胞內 ATP 和 NADPH 水平，并改善退化軟骨細胞的合成代謝。它們還可以系統地糾正能量失衡，改善了小鼠軟骨穩態并防止骨關節炎的病理進展。該天然光合系統成功實現了跨物種應用，能有效增強哺乳動物細胞的合成代謝功能，并在治療退行性疾病方面表現出良好的臨床潛力。

■ NTUs 生產 ATP 和 NADPH

作者團隊首先對 NTUs 進行分析。蛋白質組學結果顯示，NTUs 保留了類囊體膜表面光合作用所需的所有蛋白質組分 (圖 1a)。基因本體 (GO) 細胞組分分析表明，NTUs 能在光照后催化 ADP 產生ATP，并催化依賴于光的 NADP⁺ 還原為 NADPH (圖 1b)。為驗證上述結果，作者測量了分離的 NTUs 中 D1 和 D2 蛋白隨時間推移的豐度變化。如圖 1c 所示，D1 和 D2 蛋白，在光照下 (8-16 小時內) 完全降解，在黑暗條件下 (5-7 天內) 幾乎完全降解。

小貼士：D1 和 D2 蛋白是植物光合作用重要復合體 PSII 的核心亞基蛋白，能夠進行光合作用。

隨后測量了 NTUs 的 ATP 生產能力隨時間的變化。結果表明，NTUs 產生 ATP 的能力在光照 16 小時后或在黑暗中儲存 7 天后顯著下降 (圖 1d-e)。簡言之，在光照和黑暗條件下 NTUs 產生 ATP 能力的變化與蛋白質降解變化水平一致。

 

■ 如何跨物種應用 NTUs？

NTUs 雖能生產 ATP 和 NADPH，但如何有效避免哺乳動物細胞的體內清除和免疫排斥呢？作者認為使用特定的成熟細胞膜作為偽裝，可能是將光合系統植入并逃避跨物種清除的有效策略。

因此，該研究使用軟骨細胞膜 (chondrocyte membrane, CM) 來封裝 NTUs，以制備 CM-NTUs。結果表明，這些 CM-NTUs 可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 (圖 2)。

小貼士：骨關節炎 (Osteoarthritis) 是一種常見的退行性疾病，由于軟骨細胞的能量代謝失衡導致關節軟骨破壞。病理性軟骨細胞表現出 ATP 和 NADPH 耗竭，以及活性氧 (ROS) 和細胞外基質 (ECM) 降解相關蛋白的產生增加。目前骨關節炎的生物治療還無法系統性地糾正損傷退變軟骨細胞的代謝失衡。

 

圖 2. 包膜納米類囊體單位 (CM-NTUs) 示意圖

■ CM-NTUs 可改善細胞的合成代謝

• CM-NTUs 的使用優化

作者首先在不同的光照條件下，將 IL-1β 處理 (誘導小鼠軟骨細胞的代謝障礙) 的軟骨細胞與 CM-NTUs 共孵育，以跟蹤細胞 ATP 和 NADPH 隨時間的變化。然后，調整光強度、光照時間和 CM-NTUs 中封裝的鐵氧還蛋白 (FDX) 濃度，以優化實驗條件。
結果顯示，暴露于紅光 (80 µmol·m^-2·s^-1) 照射 30 分鐘并具有 25 µM FDX (遞送至細胞后稀釋至約 1.2 µM) 的 CM-NTUs，是佳實驗條件，并將其用于后續實驗。在這些條件下，CM-NTUs 恢復了細胞內 ATP 和 NADPH 水平，接近對照軟骨細胞中的水平 (圖 3a-c)。

小貼士：鐵氧還蛋白作為一種常見的電子載體，參與呼吸作用、光合作用、發酵等重要代謝過程。

 

a, 用 CM-NTUs 和紅光照射 (80 µmol·m^-2·s^-1) 處理不同時間的軟骨細胞 ATP 水平。b. 在不同光強度下，用 CM-NTUs 和紅光照射處理 30 min 的軟骨細胞 ATP 水平。c. 用具有不同包封鐵氧還蛋白 (FDX) 濃度的 CM-NTUs 處理的軟骨細胞的 NADPH 水平。

• NTUs 的使用壽命

通過測量光照和非光照細胞中 ATP 和 NADPH 水平隨時間的變化，以闡明細胞中 NTUs 的功能壽命 (圖 4)。

受光照的細胞中，ATP 和 NADPH 水平逐漸增加，在 1-2 小時達到峰值，然后由于細胞內 ADP 和 NADP⁺ 庫的耗盡而達到穩定水平。8 h 后，ATP 和 NADPH 水平開始下降。到 32 小時，ATP 和 NADPH 水平與在非光照細胞中觀察到的相似。在非光照細胞中，CM-NTUs 對細胞 ATP 水平沒有影響。

小貼士：NADP⁺ 和 ADP 在光反應中可被還原成 NADPH 和 ATP。

研究結果還表明，由光合系統產生的 ROS 并沒有增加細胞內 ROS 總水平。此外，在含有 NTU 并經光照的退行性軟骨細胞中，細胞內 ROS 水平下降。

圖 4. 用 CM-NTU 培養的細胞 (有/無光照) 中 ATP (a) 和 NADPH (b) 水平隨時間的變化

• NTUs 對其他退行性疾病有效

為探索 NTUs 對其他退行性疾病的作用效果，該研究使用各種膜包覆的 NTU，并將其與相應的細胞 (肌肉衛星細胞、髓核細胞、人臍靜脈內皮細胞) 進行培養。

結果顯示，光照組 ATP 和 NADPH 的濃度分別比未光照組增加 3.17-3.78 和 1.37-1.40 倍 (圖 5)。也即，光照后，上述細胞中的 ATP 和 NADPH 水平都得到增強。換言之，包裹成熟哺乳動物膜的 NTU 在暴露于光照后，能增強細胞的合成代謝功能 (不局限于軟骨細胞)。

圖 5. 包裹不同哺乳動物細胞膜的 NTUs 在相應的細胞中的所產生的 ATP (a, c, e) 和 NADPH (b, d, f) 水平。 肌肉衛星細胞 (SCs)、髓核細胞 (NPCs) 和人臍靜脈內皮細胞 (HUVECs)。

 

綜上所述， NTU 可通過自然光合系統，有效改善細胞的合成代謝功能。

 

CM-NTU 重新規劃細胞合成代謝程序

 

為全面確定細胞代謝的變化，該研究對暴露在光線下的軟骨細胞進行轉錄組學分析。作者比較了 IL-1β + CM-NTU 組和 IL-1β 組的基因表達模式。結果顯示，IL-1β + CM-NTU 組表現出參與 TCA 循環和氧化磷酸化的基因表達上調，以及參與糖酵解和細胞外基質 (ECM) 降解的基因表達下調 (圖 6a)。
換言之，CM-NTU 重新驅動的代謝過程可系統地糾正退化軟骨細胞中能量 (糖酵解、TCA 循環和氧化磷酸化) 和物質 (膠原蛋白和糖胺聚糖) 代謝的失衡 (圖 6b)。
小貼士：細胞外基質 (ECM) 主要由膠原蛋白和糖胺聚糖組成，骨關節炎時難以再生。

 

CM-NTU 對骨關節炎小鼠模型有效

 

最后，該研究通過關節內注射 CM-NTUs 并進行光照，以評價其是否能抑制小鼠前交叉韌帶橫斷 (ACLT) 手術誘導的骨關節炎的進展。結果顯示，CM-NTUs 在光照后增加原位軟骨細胞內的 ATP 和 NADPH 水平，從而使膠原蛋白 (Col II) 和聚集蛋白聚糖含量增加，并在術后 12 周，有效抑制了軟骨下骨變形和骨贅的增生 (圖 7)。簡言之，CM-NTUs 可以促進軟骨穩態，并防止動物骨關節炎的發生。

 

 

總結

作者構建了一個完全自然的光合系統，可以基于光照獨立促進細胞中 ATP 和 NADPH 的供應。最重要的是，該項研究利用膜包覆策略，證明了植物源性天然光合系統的跨物種移植的可行性和適用性，這為退行性疾病的治療打下堅實的基礎。
 

參考文獻

1. Chen P, et al. A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism. Nature. 2022 Dec;612(7940):546-554.