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細胞內合成代謝不足，是參與體內許多病理過程的一個關鍵因素。細胞內物質的合成代謝，需要消耗足夠的細胞內能量，并產生還原性等價物。ATP作為細胞生物過程的“能量貨幣”，NADPH的還原形式是合成代謝提供還原能量的關鍵電子供體。

在病理狀態下，很難糾正受損的合成代謝，也很難將不足的ATP和NADPH水平提高到最佳濃度。

在此，來自浙江大學的唐睿康&范順武&林賢豐等研究者開發了一個基于納米類囊體單位(NTUs)的獨立和可控的納米植物衍生光合系統。相關論文以題為“A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism”于2022年12月07日發表在Nature上。

在病理狀態下，細胞內能量和還原物是缺乏的。三羧酸(TCA)循環是大多數哺乳動物細胞中ATP生成的主要能量代謝過程。因此，針對TCA周期的干預，有望糾正病理條件下ATP供應失調。然而，TCA循環涉及各種代謝網絡，特定因子的傳遞改變其內在通路，甚至可能導致細胞死亡。另外，直接提供外源性ATP對細胞代謝影響不大。

NADPH的還原形式，可以為合成反應和氧化還原平衡提供還原動力。細胞NADPH水平是通過幾種代謝途徑(即磷酸戊糖途徑、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代謝)的產生和利用來調節的，直接干預這些途徑可能導致細胞代謝失衡。此外，NADPH是昂貴的，不受控制的NADPH供應，會導致細胞毒性超氧化物的產生，這反過來又會導致氧化應激。

這些特性限制了NADPH的臨床應用。因此，構建一個可控的、獨立的ATP和NADPH自供系統，對增強細胞合成代謝具有重要意義。研究者提出了一個系統的頂層設計策略，可用于治療疾病。

利用自然系統生產ATP和NADPH，可以實現新的應用。用ATP合酶合成脂質體，可以建立質子梯度并驅動ATP合成。此前的研究也將菠菜類囊體膜與人工生物網絡結合，實現了微尺度上的光合合成代謝反應。然而，利用可控和獨立的天然光合系統，來改善細胞合成代謝還沒有實現。體內生物活性組織的跨物種移植，也需要克服身體的排除和排斥。

在人體內，在細胞水平上，各種類型的免疫相關細胞(主要是巨噬細胞)負責清除異物。在亞細胞水平(細胞器)，溶酶體消化和清除異物吞噬作用和溶解。因此，避免排斥和消除哺乳動物體內的自然光合作用系統，以實現功能性的跨物種應用策略，仍然是一個挑戰。

細胞膜是體內各細胞之間相互識別和調節的關鍵細胞結構，在保留其內部內容物方面起著至關重要的作用。來自細胞膜的囊泡，可用于包裹特定材料，以增強其生物相容性和治療效果。因此，研究者認為使用特定的成熟細胞膜作為偽裝，可能是一種有效的策略，以避免跨種淘汰。反過來，一個獨立的天然光合系統的體內移植，可用于增強退行性疾病的細胞合成代謝。

骨關節炎是一種常見的退行性疾病，病理性軟骨細胞表現為ATP和NADPH消耗，活性氧(ROS)和基質金屬蛋白酶(MMPs)的產生增加。能量不足的軟骨細胞，表現為細胞外基質(ECM)蛋白的合成減少，包括膠原蛋白和蛋白聚糖。軟骨細胞內能量儲備的損失加上代謝途徑向糖酵解的轉變，導致病理性軟骨細胞中ECM合成和合成代謝受損。目前的治療不能系統地糾正退化軟骨細胞中發生的代謝失衡，并與不良的臨床結果相關。

在此，研究者利用常用的骨關節炎小鼠模型進行概念驗證研究。研究者用軟骨細胞來源的膜對NTUs進行納米囊化，以生產CM-NTUs。為了實現跨物種應用，研究者使用特定的成熟細胞膜(軟骨細胞膜(CM))進行偽裝封裝。作為概念的證明，研究者證明了這些CM-NTUs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。

此外，CM-NTUs在光照下增加細胞內ATP和NADPH的原位水平，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，恢復細胞代謝，改善軟骨內穩態，防止骨關節炎的病理進展。該治療退行性疾病的策略是基于天然的光合系統，通過獨立提供關鍵能量和代謝載體，可以控制地增強細胞合成代謝。本研究也加深了對生物有機體和復合生物材料，在疾病治療中的制備和應用的認識。

圖1. CM-NTUs的制備與表征

圖2. CM-NTUs的細胞膜融合和胞內釋放過程

圖3. CM-NTUs促進細胞合成代謝

圖4. CM-NTUs促進細胞代謝重編程

圖5. CM-NTU治療小鼠骨關節炎的體內效應

總之，研究者使用膜涂層策略，證明了植物來源的自然光合系統跨物種移植的可行性和適用性。這種治療策略是可推廣的，因為來自不同成熟哺乳動物細胞來源的涂層，可用于為各種退行性疾病提供特定的應用益處。此外，該策略還可以克服身體的排除和排斥的局限性。此外，研究者構建了一個完全天然的光合作用系統，可以在光照的基礎上獨立促進細胞關鍵能量和代謝載體的供應。最后，本研究為利用天然材料精確調控代謝提供了新的方法。這種光合作用系統可以促進細胞合成代謝，在治療退行性疾病方面具有廣闊的臨床應用前景。

作者簡介

唐睿康，浙江大學化學系教授（求是特聘）、中國青年科技獎獲得者、國家杰出青年科學基金獲得者、國家科技創新領軍人才。

1991-1995年就讀南京大學基礎學科教學強化部、獲學士學位；1995-1998年為南京大學化學化工學院研究生、獲博士學位；1998-2001年在紐約州立大學布法羅分校從事博士后研究；2001-2005年任紐約州立大學布法羅分校化學系研究助理教授；2005年2月到浙江大學化學系工作至今，2021年1月起擔任浙江大學實驗室與設備管理處處長。2006年入選教育部長江學者獎勵計劃特聘教授，2011年獲得中國青年科技獎，2016年獲得國家杰出青年科學基金，2018年入選國家創新領軍人才。是浙江大學求是高等研究院、硅材料國家重點實驗室、附屬邵逸夫醫院浙江省骨骼肌肉退變與再生修復轉化研究重點實驗室成員。圍繞生物礦化開展多學科交叉研究，內容包括：材料合成、生物材料、仿生修復以及材料調控生物等，涉及化學、材料、生物和醫學等多個領域，主持國家重點研發計劃項目及國家自然科學基金委重點項目等。

學術兼職：《無機化學學報》副主編、Nano Research 編委、Science China Materials 編委；《結構化學》編委；中國生物材料學會智能仿生生物材料分會副主任委員、生物陶瓷分會常務委員；浙江省高等教育學會實驗室工作分會理事長。

文獻信息

Chen, P., Liu, X., Gu, C.?et al.?A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism.?Nature?(2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05499-y

原文鏈接：

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

https://person.zju.edu.cn/0005003

原創文章，作者：v-suan，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.zzhhcy.com/index.php/2022/12/08/e19bb99cbe/

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