国自然热点 “代谢重编程” 研究之 一种植物来源的天然光合作用系统，用于改善细胞合成代谢

A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism

一种植物来源的天然光合作用系统，用于改善细胞合成代谢

期刊：nature

影响因子：42.778

发表时间：2022年

合成代谢（anabolism）是维持细胞正常功能的关键过程，一旦合成代谢的供能出现障碍，细胞就难以正常运转并开始衰老。这些能量和电子供体包括细胞“能量货币”三磷酸腺苷（ATP），以及关键电子供体：还原形式的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）。

骨关节炎是一种常见的退行性疾病，病理上表现为软骨细胞ATP和NADPH耗竭和细胞外基质(ECM)蛋白合成减少，包括胶原和蛋白聚糖。目前的治疗方法不能系统地改变在退化软骨细胞中发生的代谢失衡。

先前的研究还结合了菠菜的类囊体膜和人工生物网络，以实现小规模的光合代谢反应，但是需要克服体内生物活性组织的跨物种移植的排斥反应。

细胞膜，作为体内各种细胞之间相互识别和调节的关键细胞结构，在保持其内部内容物方面起着至关重要的作用。来源于细胞膜的囊泡可用于包裹特定材料，以增强其生物相容性和治疗效果。

用软骨细胞衍生的细胞膜包裹纳米合成的类囊体制成CM-NTUs，以治疗骨关节炎，改善退化的软骨细胞合成代谢。

1.CM-NTUs的制备及表征鉴定；

2.评估细胞摄取CM-NTUs； 

3.CM-NTUs改善细胞合成代谢； 

4.CM-NTUs重编程细胞代谢；

5.观察CM-NTU治疗骨关节炎的疗效。

1、CM-NTUs的制备及表征鉴定

透射电子显微镜观察类囊体细胞器（NTU）和细胞膜(CM)结构； 

蛋白质组学和生信分析表明NTU组分参与NADPH和ATP代谢过程； 

体外检测了在光照和黑暗条件下NTUs产生ATP的与蛋白质降解水平的变化；

GO分析纯化获得软骨细胞膜(CM)与细胞膜的结构有关 l透射电子显微镜证实了CM-NTUs的核-壳结构。

2、细胞摄取CM-NTUs的评估

荧光检测发现CM涂层显著降低了NTUs和巨噬细胞之间的相互作用。并且CM-NTUs比NTUs或LNP-NTUs更有效地被软骨细胞吸收；

通过流式检测发现CM-NTUs可能主要通过膜融合机制进入软骨细胞； 

CM-NTUs添加到五种不同类型细胞，发现CM-NTUs更多的靶向软骨细胞； 

荧光标记溶酶体发现，少数内化的CM-NTUs与溶酶体共存； 

将CM-NTUs与骨关节炎患者的软骨移植物共孵育，并且外泌体抑制剂处理，发现NTUs可能以EVs的形式实现跨细胞转运。

3、CM-NTUs改善细胞合成代谢

通过IL-1β诱导小鼠软骨细胞的代谢损伤，再与CM-NTUs一起孵育，检测ATP和NADPH水平变化，特定光照下，CM-NTUs恢复了细胞内ATP和NADPH水平；

IF和PCR检测发现光照下，CM-NTUs显著增加了ECM合成相关蛋白，并降低了ECM降解相关蛋白；

通过探针JC-1标记/ROS和WB检测相关蛋白发现CM-NTUs改善IL-1β诱导的线粒体活性失调。

4、CM-NTUs重编程细胞代谢

转录组学和代谢组学来分析，光照下CM-NTUs对软骨细胞合成代谢的改变。CM-NTUs降低糖酵解相关基因表达和代谢物丰度，增加TCA循环相关基因表达和代谢物丰度。

表明CM-NTU驱动的代谢重编程可以系统地纠正退化软骨细胞中代谢失衡。

5、NTU治疗骨关节炎的疗效观察

通过前交叉韧带横断(ACLT)手术诱导小鼠骨关节炎模型；

番红O染色，HE染色、步态分析和CT检测发现CM-NTU结合光照缓解了骨关节炎症状； 

通过检测体内ATP、NADPH和ROS水平变化，进一步证实了CM-NTU结合光照改善了骨关节炎内的代谢失衡。

在本研究中，CM-NTUs可以促进软骨细胞代谢稳态，并缓解动物骨关节炎的进展。

创新点

1.利用植物类囊体合成ATP和NADPH改善软骨细胞中的代谢失衡；

2.利用细胞膜包裹NTU克服跨物种间运输障碍。

不足

1.光穿透人的皮肤和肌肉效率； 

2.自然光对CM-NTU影响；

3.体内，炎症反应检测比较少；

4.CM-NTUs的特异性靶向不高。

可延伸点

1.炎症反应的检测； 

2.自然光对CM-NTU的影响。