Биологи научили мышей фотосинтезировать

Китайские биологи внедрили тилакоиды хлоропластов в клетки хрящевой ткани мышей, больных остеоартритом — и тем самым обеспечили протекание естественных растительных реакций фотосинтеза в этих клетках. Для этого они выделили тилакоиды из хлоропластов шпината и модифицировали их так, чтобы избежать отторжения иммунной системой организма-реципиента. Это позволило ученым восстановить в больных клетках уровень молекул АТФ и НАДФН — главных внутриклеточных источников энергии — необходимых для синтеза множества биохимических соединений. Восстановив таким образом нормальное функционирование хрящевых клеток мышей, ученые облегчили протекание у них остеоартрита. Работа опубликована в журнале Nature.

Биохимические реакции анаболизма — синтеза сложных молекулярных соединений — составляют неотъемлемую часть обмена веществ, происходящего в живых клетках. Нарушение протекания таких реакций приводит к сбою нормального функционирования клетки — и в дальнейшем может стать причиной развития различных заболеваний.

Для протекания анаболических реакций необходимо множество биохимических соединений. Два важнейших компонента — это молекулы АТФ (аденозинтрифосфата) — молекулярные переносчики энергии, и молекулы НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфата) — доноры электронов для окислительно-восстановительных реакций. При многих заболеваниях молекулы АТФ и НАДФН не синтезируются в достаточных количествах, что приводит к нарушению обмена веществ в клетке и, как следствие, развитию различных патологий.

К таким патологиям относится остеоартрит — заболевание, при котором в клетках хрящевой ткани (хондроцитах) из-за нехватки энергии нарушается синтез внеклеточных белков матрикса. Это приводит к постепенному разрушению суставной хрящевой ткани, что приводит к болям в суставах, а впоследствии может привести к их полной неподвижности.

Таким образом, перед учеными и врачами уже долгое время стоит задача — как обеспечить больные клетки достаточным количеством молекул АТФ и НАДФН. Существующие подходы основаны либо на том, чтобы доставлять АТФ и НАДФН в клетки извне (что в случае АТФ малоэффективно, а в случае НАДФН — опасно), либо на том, чтобы точечно модифицировать метаболические пути биосинтеза этих молекул в клетках (что очень трудно, потому что метаболические пути образуют огромную сеть, и сложно модифицировать один из путей так, чтобы не затронуть другие).

Разобраться с этой проблемой взялась группа исследователей из Китая под руководством Чена Пэнфэя (Chen Pengfei) из университета Чжэцзян. Для этого они предложили принципиально новый подход — для того, чтобы обеспечить больные клетки постоянным источником АТФ и НАДФН они решили внедрить в больные клетки тилакоиды хлоропластов, которые в ходе фотосинтеза синтезируют эти молекулы.

У растений молекулы АТФ и НАДФН образуются в процессе фотосинтеза, в ходе которого солнечная энергия используется для синтеза различных биомолекул. В природных условиях фотосинтез протекает в специализированных органеллах растительных клеток — хлоропластах, внутри которых находятся тилакоиды — мембранные пузырьки, содержащие все необходимые белки и компоненты для реакций фотосинтеза.

Именно тилакоиды — фактически готовые природные системы синтеза АТФ и НАДФН — решили использовать ученые для решения проблемы нехватки этих молекул в больных клетках. Для этого они разработали на основе тилакоидов нанотилакоидные структуры — везикулы, содержащие внутри тилакоиды хлоропластов, которые они затем внедрили в клетки мышей, больных остеоартритом.

Первым делом ученые собрали нанотилакоидные структуры из тилакоидов хлоропластов, которые они выделили из листьев шпината. Основная сложность при подготовке любых структур для пересадки из одного организма в другой (особенно когда речь идет о пересадке растительных структур в животные клетки) заключается в том, чтобы избежать отторжения иммунной системой организма-реципиента. Для того чтобы замаскировать тилакоиды от иммунной системы мышей, ученые поместили тилакоиды в везикулы (микроскопические пузырьки диаметром 100-150 нанометров), образованные из мембран мышиных хондроцитов. Это решило сразу две проблемы: во-первых, это обеспечило защиту тилакоидов от иммунной системы (которая не могла детектировать тилакоиды внутри везикул), а во-вторых, обеспечило их доставку внутрь хондроцитов — путем везикулярного эндоцитоза («проглатывания» клеткой содержимого везикул).

После инкубации нанотилакоидных структур с хондроцитами мышей, ученые оценили эффективность эндоцитоза и сохранности нанотилакоидных структур. Первым делом исследователи измерили концентрацию нанотилакоидных структур в хондроцитах. Они показали, что их концентрация значительно выше (p < 0,0001), чем концентрация нанотилакоидных структур из контрольной группы, которую составляли тилакоиды, завернутые в обычную липидную мембрану.

Затем ученые исследовали взаимодействие мембран клетки реципиента и нанотилакоидных структур, покрасив их интеркалирующими липидными красителями. Оказалось, что мембрана нанотилакоидных структур после инкубации сливается с мембраной клетки-реципиента. Эти результаты подтверждают, что нанотилакоидные структуры попадают в клетку путем эндоцитоза, в ходе которого мембрана везикулы сливается с мембраной захватывающей ее клетки, и содержимое везикулы попадает внутрь.

После получения нанотилакоидных структур и проверки эффективности их захвата клетками-реципиентами, ученые стали измерять эффекты, которые эти системы оказывают на хондроциты. Введя нанотилакоидные структуры в хондроциты и облучив их светом, исследователи измерили уровень молекул АТФ и НАДФН в этих клетках — и установили, что уровень этих молекул в таких клетках значительно выше по сравнению с контрольными группами (которые составляли клетки без нанотилакоидных структур и клетки с нанотилакоидными структурами, не подвергшиеся облучению светом).

Далее ученые решили проверить влияние такого «лечения» на модели клеток. Для того чтобы смоделировать такое патологическое состояние, ученым было необходимо вызвать клеточный стресс и нарушить внутриклеточный метаболизм, для чего они обработали хондроциты интерлейкином 1β (IL-1β). Далее ученые ввели в клетки нанотилакоидные структуры и облучили их светом (контрольные группы остались такими же, как в предыдущем эксперименте). Оказалось, что после облучениях светом уровни АТФ и НАДФН значительно выросли и стали примерно такими же, как у клеток, которые не подвергались обработке IL-1β (то есть тех, у которых метаболизм не был нарушен).

Затем ученые перешли к проверке эффективности своей технологии лечения на живых мышах. Для этого они использовали широко распространенную модель для изучения остеоартрита — мышам проводили хирургическую операцию, при которой им повреждали суставы, что впоследствии приводило к развитию болезни.

После проведения такой операции исследователи произвели мышам инъекцию нанотилакоидных структур в разрушенные хрящи, после чего облучили их светом. Ученые обнаружили, что после инъекции состояние хрящей у мышей стало значительно лучше по сравнению с контрольной группой (оценка проводилась с помощью окраски хрящей иммуногистологическим красителем).

Затем ученые оценили эффективность работы нанотилакоидных структур, проведя рентгеновскую микротомографию хрящей коленных суставов мышей, прошедших двухнедельное лечение. Оказалось, что состояние хрящей на морфологическом уровне у мышей, прошедших лечение, также значительно лучше.

Наконец, исследователи измерили в хрящевых клетках мышей концентрации ATP и NADPH и показали, что уровень этих молекул выше у мышей, прошедших лечение, по сравнению с контрольными группами.

Таким образом, ученые разработали и предложили уникальный способ лечения остеоартрита. Вместо того чтобы искусственным образом модифицировать клеточный метаболизм, ученые использовали готовую фотосинтетическую систему — разработанную и откалиброванную природой в ходе миллиардов лет эволюции — и внедрили ее в животные клетки, обеспечив тем самым их корректное функционирование. Исследователи считают, что эту технологию в дальнейшем можно будет оптимизировать для лечения других болезней, связанных с изменением метаболизма.

Мы уже писали про методы лечения остеоартрита — хоть и более традиционные. Ученые применяли для этого антитела, антидепрессанты и нестероидные противовоспалительные средства (последние, правда, сделали ситуацию только хуже).