Können auch Menschen Photosynthese betreiben? Forschungsergebnisse der Zhejiang-Universität erscheinen in Nature

Spinat, aufgrund der Zeichentrickfigur „Popeye“, hat bei vielen in den 1970er und 1980er Jahren Geborenen tiefe Kindheitserinnerungen hinterlassen. Heutzutage steht Spinat nicht nur täglich auf unseren Tischen, sondern Wissenschaftler versprechen ihm auch „unendliche Kraft“. Dem Team von Dr. Lin Xianfeng und Professor Fan Shunwu von der Abteilung für Orthopädie des Run Run Shaw-Krankenhauses der medizinischen Fakultät der Zhejiang-Universität sowie dem Team von Professor Tang Ruikang von der Abteilung für Chemie der Zhejiang-Universität gelang es, durch Photosynthese „Biobatterien“ zu gewinnen – Thylakoide aus Spinat. Durch eine hochentwickelte Herstellungstechnologie gelang ihnen die weltweit erste artenübergreifende Übertragung pflanzlicher Thylakoide auf alternde und erkrankte Zellen bei Tieren . Dadurch verfügen tierische Zellen nun auch über die Energie der pflanzlichen Photosynthese und können so an die „Tür der Zeit“ klopfen, um Zelldegeneration und Alterung umzukehren.

Am 8. Dezember, Pekinger Zeit, wurde dieses originelle wissenschaftliche Forschungsergebnis in Form eines langen Artikels in der führenden internationalen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die Erstautoren des Artikels sind Dr. Chen Pengfei, Distinguished Research Fellow Liu Xin und Doktorand Gu Chenhui vom Run Run Shaw Hospital der Zhejiang University School of Medicine; Die korrespondierenden Autoren sind der angesehene Forschungsstipendiat/Oberarzt Lin Xianfeng von der Abteilung für Orthopädie des Run Run Shaw-Krankenhauses der medizinischen Fakultät der Zhejiang-Universität sowie Professor Fan Shunwu und Professor Tang Ruikang von der Abteilung für Chemie der Zhejiang-Universität.

„Die Befolgung der Naturgesetze und die innovative Lösung des weltweit schwierigen Problems der Energieversorgung von Zellen haben die Möglichkeit der Stoffwechseltechnik eröffnet.“ Leitende Redakteure und Gutachter des Magazins Nature lobten die neuesten Forschungsergebnisse des Forschungsteams der Zhejiang-Universität in höchsten Tönen. Berichten zufolge besteht der spannendste Teil dieser Forschung darin, dass das Team eine Technologie zur Nanobeschichtung von Zellmembranen entwickelt hat , die Zellmembranen von Säugetieren in der äußeren Schicht nanogroßer Pflanzenthylakoide einkapselt und Pflanzenthylakoide durch geschickte Tarnung der Zellmembran in Säugetierzellen transplantiert. Dadurch wird der „Code“ für den Energietransfer zwischen Arten erfolgreich entschlüsselt und eine spezifische Energieversorgung erreicht, die sich bei der Behandlung degenerativer Osteoarthritis bewährt hat.

Die Milliarden Jahre alte Weisheit der Pflanzen sinnvoll nutzen

Aufladen tierischer Zellen

Mit fortschreitender Krankheitsforschung haben immer mehr Studien ergeben, dass unzureichende Energie in tierischen Zellen eine Hauptursache für die Alterung von Gewebe und das Auftreten und die Entwicklung degenerativer Erkrankungen ist. So wie der Mensch drei Mahlzeiten am Tag benötigt, benötigen auch die Zellerneuerung und der Stoffwechsel Energie- und Stoffzufuhr, und ATP und NADPH sind die unverzichtbaren Energie- und Stoffwährungen für die Zellregeneration und -reparatur. Die direkte Versorgung entarteter Zellen mit Energie und Substanzen ist jedoch eine enorme wissenschaftliche Herausforderung.

Lin Xianfeng schlug ein Konzept vor: „Können wir ein ‚Ladegerät‘ entwickeln, um kontrolliert ATP und NADPH in Zellen zu erzeugen?“ Die durch wechselseitige Diskussionen zwischen den medizinischen und chemischen Forschungsgruppen ausgelöste Brainstorming-Sitzung eröffnete eine neue Welt der Forschung. Wissenschaftler haben große Anstrengungen unternommen, um mithilfe von Biomaterialien ATP und NADPH zu synthetisieren. Doch wie man Zellen dazu bringt, ein solches Fremdgerät zu „akzeptieren“ und die Konzentration von ATP und NADPH genau zu regulieren, war auf diesem Gebiet schon immer ein Problem von Weltrang.

Basierend auf der langjährigen, intensiven Entwicklung des orthopädischen Forschungsteams des Run Run Shaw-Krankenhauses der Zhejiang-Universität im Bereich Biomaterialien, der chemisch-biologischen Forschungsidee „Materialien, die die Biologie regulieren“ und dem Konzept „künstlicher Organellen“ des Teams von Tang Ruikang in der Abteilung für Chemie, richtete das Team seine Aufmerksamkeit gezielt auf die magische Welt der Natur – in der Natur bilden Pflanzen und Tiere eine sich perfekt ergänzende Beziehung. Pflanzen produzieren Sauerstoff und Zucker durch die Aufnahme von Kohlendioxid, Tiere tun das Gegenteil. Ist es möglich, diese makrokomplementäre Beziehung auf die Zellebene auszudehnen und durch die Implantation „photosynthetischer Organellen“ das Energieversorgungssystem der Pflanze zu einer „biologischen Batterie“ zu machen, die die Energieversorgung tierischer Zellen wieder auffüllt?

„Ich habe sie hunderte Male in der Menge gesucht, und als ich mich umdrehte, stand sie da im trüben Licht.“ Im Laufe von Milliarden von Jahren haben Pflanzen ein nahezu perfektes Organell zur Energieversorgung entwickelt – das Thylakoid, eine Energiefabrik, die kontrolliert und stabil ATP und NADPH produzieren kann. Als Rohstoff wählte das Forschungsteam Spinat, der täglich verzehrt wird, das grünste Gemüse auf dem Markt ist und auch in der Pflanzenstoffwechselforschung relativ häufig vorkommt. Nach unermüdlichen Bemühungen gelang es ihnen, die Thylakoidbestandteile aus den grünen Blättern des Spinats zu extrahieren und zu reinigen.

Lin Xianfeng (links) und Chen Pengfei (rechts) diskutieren ihre Experimente

Erstmals artenübergreifende Übertragung möglich

Perfekte Regeneration und Reparatur ist kein Traum

Der „Akku“ zum Energietanken steht bereit, aber wo ist die „Schnittstelle“? Die sichere und präzise Verabreichung von Thylakoiden an alternde und degenerierte Zellen von Tieren ist zu einem großen Problem geworden, das die Forschungsteams daran hindert, diese Methode im medizinischen Bereich anzuwenden. Die Forschung zur artenübergreifenden Verabreichung bioaktiver Komponenten verlief lange Zeit schleppend. Insbesondere der menschliche Körper verfügt über ein komplexes Immunsystem. Verschiedene Immunzellen, hauptsächlich Makrophagen, identifizieren und phagozytieren aktiv Fremdkörper und bauen sie dann durch Lysosomen ab und verdauen sie.

Wie können Barrieren zwischen Arten überwunden werden? Teammitglied Chen Pengfei probierte verschiedene Verabreichungsmethoden wie etwa die Liposomenverkapselung aus, erzielte jedoch nie die erwarteten idealen Ergebnisse. „Wie wäre es, die zelleigenen Zellmembranen zur Kapselung zu verwenden? Mithilfe des Prinzips des homologen Targetings können wir der Zelle weismachen, dass die Thylakoide, die wir liefern, ‚ihre eigenen‘ sind. Dadurch vermeiden wir eine Immunabstoßung im Körper und erreichen eine grenzüberschreitende Zelltransplantation von Nano-Pflanzen-Thylakoiden.“

Mit kühnen Annahmen und sorgfältiger Überprüfung, unter der ständigen Ermutigung von Fan Shunwu und Tang Ruikang und der Inspiration von Lin Xianfeng, gelang es dem Team nach einigen Untersuchungen, Zellmembranen zum „Verkleiden“ der Nanothylakoide zu verwenden und die intrazelluläre Abgabe von Nanothylakoiden zu erreichen.

„Das Entweichen von exogenen Biomaterialien aus Lysosomen ist ein wichtiger Schritt für eine erfolgreiche Übertragung. Durch verschiedene Experimente zur Hemmung der Endozytose haben wir wiederholt nachgewiesen, dass tierische Zellen Nanothylakoide nicht mehr als ‚Fremdkörper‘ ausscheiden, sondern sie zu einem Teil von ihnen machen.“ Liu Xin fügte hinzu, dies bedeute, dass das Forschungsteam die „schwarze Technologie“ beherrsche, um die Degeneration und Alterung tierischer Zellen zu verzögern.

Schematische Darstellung des Wirkungsmechanismus dieser Studie

Die Anwendungsgebiete sind unermesslich

Erster Durchbruch in der Behandlung von Arthrose

Welche besondere Schlüsselrolle spielen Nanothylakoide in Zellen? Im Zuge der Veröffentlichung dieser Forschungsergebnisse haben vier internationale Top-Gutachter aus Disziplinen wie Biomaterialien, Zellstoffwechsel und klinischer Medizin dem Team eine Reihe von Vorschlägen und Verbesserungen zu diesem Kernthema vorgelegt.

Durch Überprüfung mit einer Vielzahl interdisziplinärer technischer Mittel und nach mehr als einem Jahr gründlicher Experimente und Testanalysen konnte das Team nachweisen, dass Thylakoide in Nanogröße die für die Photosynthese erforderlichen Proteine ​​und anderen funktionellen Monomere auf den Thylakoiden behalten, eine ausreichende Einwirkungszeit und Abbaustabilität aufrechterhalten und die Produktion von ausreichend ATP und NADPH sicherstellen können, wodurch der Stoffwechselzustand erkrankter Zellen systematisch umgekehrt wird. „Der Verifizierungsprozess umfasste anspruchsvolle Modellierungen und Berechnungen, insbesondere die Analyse der Produktion von ATP und NADPH und ihrer genauen effektiven Konzentrationsniveaus, was uns ein neues Verständnis der Forschungsergebnisse ermöglichte“, sagte Gu Chenhui.

Inwieweit kann diese spannende Nanothylakoid-„Schwarze Technologie“ im Körper eine Rolle spielen? Dies ist das Thema, das die besten internationalen Gutachter aus verschiedenen Disziplinen während des gesamten Begutachtungsprozesses am meisten beschäftigt.

Um zu testen, ob diese Art von „Biobatterie“ den Stoffwechselzustand erkrankter Zellen umkehren kann, wählte das Team zunächst ein Osteoarthritis-Krankheitsmodell aus, um eine „konzeptionelle Überprüfung“ dieser Art von „Biobatterie“ durchzuführen. Osteoarthritis ist in der klinischen Praxis eine der Hauptursachen für Deformitäten und Behinderungen. Dies ist auf das Ungleichgewicht des Energiestoffwechsels der Chondrozyten und den Mangel an ATP und NADPH zurückzuführen, der zur Zerstörung des Gelenkknorpels führt. Derzeit können biologische Behandlungen von Osteoarthritis das metabolische Ungleichgewicht beschädigter und degenerativer Chondrozyten nicht systematisch korrigieren, was zu einer schlechten klinischen Prognose führt.

Fan Shunwu leitete das wissenschaftliche Forschungsteam und verbrachte mehr als ein Jahr damit, kontinuierlich nach verschiedenen interdisziplinären technischen Mitteln zu suchen, um systematisch zu überprüfen, ob die in die Chondrozytenmembran eingekapselten Nanothylakoide nicht nur der Beseitigung durch das Immunsystem effektiv entgehen, sondern auch selektiv von entarteten Chondrozyten aufgenommen werden können. Durch eine nicht-invasive Lichttherapie in vitro können die ATP- und NADPH-Werte in degenerativen Chondrozyten gezielt erhöht und eine ausreichende „Ausdauer“ aufrechterhalten werden, wodurch der Anabolismus der Chondrozyten umgestaltet und die Behandlung degenerativer Osteoarthritis erreicht wird.

Schematische Darstellung lichtstimulierter Chondrozyten

Innovation und F&E haben eine vielversprechende Zukunft

George Caputa, leitender Redakteur von Nature, kommentierte: „Die Energieversorgung von Zellen war schon immer ein großes Problem in der Zellbiologie und klinischen Medizin, und die korrekte Auffüllung bestimmter Metabolitenspiegel ist eine anhaltende Herausforderung in der klinischen Behandlung. Welchen besseren Weg gäbe es, diese Probleme zu lösen, als die Fabrik zu nutzen, die sich über Milliarden von Jahren entwickelt hat – die Thylakoide?“

Professor Francisco Cejudo, ein Gutachter der Arbeit, sagte: „Das Herausragende an dieser Arbeit ist, dass es dem Forschungsteam gelungen ist, pflanzliche Mikroorganellen in Säugetierzellen zu transplantieren. Diese Technologie, die das pflanzliche Photosynthesesystem nutzt, um Säugetierzellen gezielt und lichtabhängig mit ATP und NADPH zu versorgen, ist eine spannende Errungenschaft, die die Möglichkeit des Stoffwechsel-Engineerings eröffnet.“

Im gleichen Zeitraum veröffentlichte Nature in der Rubrik „Research Briefing“ den Artikel „Plant cell device enables transfer of metabolites to mammalian cells“, der die Forschungsergebnisse bekannt machte und positiv bewertete.

Tang Ruikang sagte: „Diese Studie demonstriert die biomedizinische Anwendung der artenübergreifenden Transplantation von Thylakoiden aus natürlichen Pflanzen in Säugetierzellen. Die wichtigsten Rohstoffe dieser Studie stammen aus natürlichen Pflanzen und sind hochgradig biologisch sicher. Gleichzeitig bietet die Technologie der Zellmembran-Nanobeschichtung das Potenzial für eine Produktion im großen Maßstab. Diese innovative Technologie dürfte künftig in den Bereichen Medizin, Energie, Materialien usw. Anwendung finden.“

Das Team von Fan Shunwu sagte: „Der Erfolg dieser Forschung ist der Atmosphäre der freien Forschung im Krankenhaus, der einstimmigen Unterstützung der Schule, des Colleges, des Krankenhauses und der Abteilung sowie der Finanzierung durch die National Natural Science Foundation und das National Key R&D Program des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie zu verdanken.“ Es wird berichtet, dass sich das Team schon seit langem intensiv mit der Erforschung der Mechanismen degenerativer Erkrankungen des Bewegungsapparats sowie der Entwicklung und Erforschung von Biomaterialien aus natürlichen Quellen beschäftigt und weiterhin mutig mit interdisziplinärer Forschung experimentiert. Das Unternehmen hat eine Reihe hochkarätiger Forschungsergebnisse in renommierten Fachzeitschriften wie Nature, Matter, Developmental Cell, Nature Communications, Science Advances, JACS usw. veröffentlicht und neue klinische Technologien für verschiedene häufige und schwierige Erkrankungen wie Wirbelsäule, Gelenke, Knochentraumata und Wundheilung eingesetzt. Zudem hat es sich intensiv mit der „Anwendung von Technologie in der klinischen Praxis und dem Verfassen von Artikeln über das Land des Mutterlandes“ beschäftigt.

Derzeit hat das Forschungsteam gleichzeitig Erfindungspatente eingereicht und mit der Produktumwandlung begonnen.