■ NTUs 生产 ATP 和 NADPH

作者团队首先对 NTUs 进行分析。蛋白质组学结果显示，NTUs 保留了类囊体膜表面光合作用所需的所有蛋白质组分 (图 1a)。基因本体 (GO) 细胞组分分析表明，NTUs 能在光照后催化 ADP 产生ATP，并催化依赖于光的 NADP⁺ 还原为 NADPH (图 1b)。为验证上述结果，作者测量了分离的 NTUs 中 D1 和 D2 蛋白随时间推移的丰度变化。如图 1c 所示，D1 和 D2 蛋白，在光照下 (8-16 小时内) 完全降解，在黑暗条件下 (5-7 天内) 几乎完全降解。

小贴士：D1 和 D2 蛋白是植物光合作用重要复合体 PSII 的核心亚基蛋白，能够进行光合作用。

■ 如何跨物种应用 NTUs？

NTUs 虽能生产 ATP 和 NADPH，但如何有效避免哺乳动物细胞的体内清除和免疫排斥呢？作者认为使用特定的成熟细胞膜作为伪装，可能是将光合系统植入并逃避跨物种清除的有效策略。

因此，该研究使用软骨细胞膜 (chondrocyte membrane, CM) 来封装 NTUs，以制备 CM-NTUs。结果表明，这些 CM-NTUs 可通过膜融合进入软骨细胞，避免溶酶体降解并实现快速渗透 (图 2)。

图 2. 包膜纳米类囊体单位 (CM-NTUs) 示意图

■ CM-NTUs 可改善细胞的合成代谢

• CM-NTUs 的使用优化

小贴士：铁氧还蛋白作为一种常见的电子载体，参与呼吸作用、光合作用、发酵等重要代谢过程。

a, 用 CM-NTUs 和红光照射 (80 µmol·m^-2·s^-1) 处理不同时间的软骨细胞 ATP 水平。b. 在不同光强度下，用 CM-NTUs 和红光照射处理 30 min 的软骨细胞 ATP 水平。c. 用具有不同包封铁氧还蛋白 (FDX) 浓度的 CM-NTUs 处理的软骨细胞的 NADPH 水平。

• NTUs 的使用寿命

受光照的细胞中，ATP 和 NADPH 水平逐渐增加，在 1-2 小时达到峰值，然后由于细胞内 ADP 和 NADP⁺ 库的耗尽而达到稳定水平。8 h 后，ATP 和 NADPH 水平开始下降。到 32 小时，ATP 和 NADPH 水平与在非光照细胞中观察到的相似。在非光照细胞中，CM-NTUs 对细胞 ATP 水平没有影响。

小贴士：NADP⁺ 和 ADP 在光反应中可被还原成 NADPH 和 ATP。

研究结果还表明，由光合系统产生的 ROS 并没有增加细胞内 ROS 总水平。此外，在含有 NTU 并经光照的退行性软骨细胞中，细胞内 ROS 水平下降。

图 4. 用 CM-NTU 培养的细胞 (有/无光照) 中 ATP (a) 和 NADPH (b) 水平随时间的变化

• NTUs 对其他退行性疾病有效

为探索 NTUs 对其他退行性疾病的作用效果，该研究使用各种膜包覆的 NTU，并将其与相应的细胞 (肌肉卫星细胞、髓核细胞、人脐静脉内皮细胞) 进行培养。

结果显示，光照组 ATP 和 NADPH 的浓度分别比未光照组增加 3.17-3.78 和 1.37-1.40 倍 (图 5)。也即，光照后，上述细胞中的 ATP 和 NADPH 水平都得到增强。换言之，包裹成熟哺乳动物膜的 NTU 在暴露于光照后，能增强细胞的合成代谢功能 (不局限于软骨细胞)。

图 5. 包裹不同哺乳动物细胞膜的 NTUs 在相应的细胞中的所产生的 ATP (a, c, e) 和 NADPH (b, d, f) 水平。 肌肉卫星细胞 (SCs)、髓核细胞 (NPCs) 和人脐静脉内皮细胞 (HUVECs)。

综上所述， NTU 可通过自然光合系统，有效改善细胞的合成代谢功能。

最后，该研究通过关节内注射 CM-NTUs 并进行光照，以评价其是否能抑制小鼠前交叉韧带横断 (ACLT) 手术诱导的骨关节炎的进展。结果显示，CM-NTUs 在光照后增加原位软骨细胞内的 ATP 和 NADPH 水平，从而使胶原蛋白 (Col II) 和聚集蛋白聚糖含量增加，并在术后 12 周，有效抑制了软骨下骨变形和骨赘的增生 (图 7)