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

 

 

研究背景

 

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。

 

 

文献研究的科学问题

 

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。

 

 

文献研究的主要内容

 

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。

 

 

研究框架

 

 

 

研究结果及分析

 

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。

 

 

文献结论

 

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。

 

 

文献总结

 

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。

 

 

文献涉及的实验技术

 

 

 

晶莱生物

晶莱生物创立于2016年，拥有北京(北京晶莱华科生物技术有限公司)及长沙(湖南晶莱生物技术有限公司)两个研发机构，是专注于生物医药临床期前研发与基础医学科研服务的国家高新技术企业及专精特新企业。依托北京、长沙两地的3000余平实验平台，晶莱构建了8个研究平台，可为客户提供包括临床前CRO、动物寄养、动物模型构建、细胞型构建、药效及各类表型、机制、通路等全方位的研究服务。

 

截至目前，晶莱生物已与国内超过500家生物医药公司、高校及医院建立了紧密的合作关系，成功实施了10000余项研究/研发项目，积累了超过100000+客户。