Растение

Nature, том 612, страницы 546–554 (2022 г.) Процитировать эту статью

87 тысяч доступов

12 цитат

649 Альтметрика

Подробности о метриках

Недостаточный внутриклеточный анаболизм является решающим фактором, участвующим во многих патологических процессах в организме1,2. Анаболизм внутриклеточных веществ требует потребления достаточной внутриклеточной энергии и продукции восстанавливающих эквивалентов. АТФ действует как «энергетическая валюта» для биологических процессов в клетках3,4, а восстановленная форма НАДФН является ключевым донором электронов, обеспечивающим восстанавливающую способность анаболизма5. При патологических состояниях трудно корригировать нарушенный анаболизм и повысить недостаточный уровень АТФ и НАДФН до оптимальных концентраций1,4,6,7,8. Здесь мы разрабатываем независимую и контролируемую наноразмерную фотосинтетическую систему растительного происхождения на основе нанотилакоидных единиц (NTU). Чтобы обеспечить возможность межвидового применения, мы используем особую мембрану зрелых клеток (мембрану хондроцитов (ХМ)) для камуфляжной инкапсуляции. В качестве доказательства концепции мы демонстрируем, что эти CM-NTU проникают в хондроциты посредством слияния мембран, избегают деградации лизосом и достигают быстрого проникновения. Более того, CM-NTU повышают внутриклеточные уровни АТФ и НАДФН in situ после воздействия света и улучшают анаболизм в дегенерированных хондроцитах. Они также могут системно корректировать энергетический дисбаланс и восстанавливать клеточный метаболизм, улучшая гомеостаз хряща и защищая от патологического прогрессирования остеоартрита. Наша терапевтическая стратегия дегенеративных заболеваний основана на естественной фотосинтетической системе, которая может контролируемо усиливать клеточный анаболизм, независимо обеспечивая ключевые энергетические и метаболические переносчики. Это исследование также обеспечивает лучшее понимание получения и применения биоорганизмов и композитных биоматериалов для лечения заболеваний.

При патологических состояниях наблюдается дефицит внутриклеточной энергии и восстанавливающих эквивалентов1,2. Цикл трикарбоновых кислот (ТСА) является основным энергетическим метаболическим процессом генерации АТФ в большинстве клеток млекопитающих3,4. Таким образом, вмешательства, направленные на цикл ТЦА, обещают исправить нарушение регуляции поставок АТФ при патологических состояниях. Однако цикл ТЦА включает в себя различные метаболические сети, и доставка специфического фактора, который изменяет его внутренний путь, может даже вызвать гибель клеток6. Кроме того, прямое поступление экзогенного АТФ мало влияет на клеточный метаболизм7. Восстановленная форма НАДФН может обеспечить восстанавливающую способность реакций синтеза и окислительно-восстановительного баланса5. Уровни НАДФН в клетках регулируются посредством производства и использования нескольких метаболических путей (то есть пентозофосфатного пути, окисления жирных кислот и метаболизма глютамина), и прямое вмешательство, направленное на эти пути, может привести к клеточному метаболическому дисбалансу1,4. Более того, НАДФН стоит дорого, а неконтролируемое поступление НАДФН может вызвать выработку цитотоксического супероксида, что, в свою очередь, может привести к окислительному стрессу. Эти свойства ограничивают клиническое применение НАДФН8. Следовательно, важно создать контролируемую и независимую систему самообеспечения АТФ и НАДФН для усиления клеточного анаболизма9,10,11. Мы предлагаем систематическую стратегию проектирования верхнего уровня, которую можно использовать для лечения заболеваний.

Использование природных систем для производства АТФ и НАДФН открывает новые возможности применения. Синтетические липосомы с АТФ-синтазой могут создавать протонный градиент и стимулировать синтез АТФ9,12. Предыдущие исследования также сочетали тилакоидные мембраны шпината и искусственные биологические сети для реализации фотосинтетических анаболических реакций на микроуровне13,14. Однако использование контролируемой и независимой природной фотосинтетической системы для улучшения клеточного анаболизма еще не достигнуто. Межвидовая трансплантация биологически активной ткани in vivo также должна преодолеть элиминацию и отторжение организмом. В организме человека на клеточном уровне за выведение инородных тел отвечают различные типы иммунных клеток (в основном макрофаги)15. На субклеточном уровне (органеллы) лизосомы переваривают и удаляют инородные тела путем фагоцитоза и растворения16. Таким образом, предотвращение отторжения и устранения естественной системы фотосинтеза в организме млекопитающих для достижения функциональной стратегии межвидового применения остается проблемой.