Фотосинтез полечил грызунов от синдрома сухого глаза

Китайские и сингапурские исследователи фотосинтезирующие наночастицы на основе функциональных элементов растительных хлоропластов. В экспериментах на клеточных культурах, слезах пациентов и грызунах они эффективно уменьшали окислительный стресс, лежащий в основе синдрома сухого глаза, и уменьшали проявления этого заболевания. Отчет о работе опубликован в журнале Cell.

Синдром сухого глаза — широко распространенное многофакторное заболевание, при котором нарушается гомеостаз слезной пленки, что приводит к дискомфорту, боли и жжению в глазах и нарушению зрения. Независимо от пускового фактора, в основе его патогенеза лежат хроническое воспаление и окислительный стресс, из-за которых происходят активация иммунных клеток и прогрессирующее нарушение эпителия роговицы. Для лечения применяют циклоспорин А и лифитеграст, которые не всегда эффективны, обладают серьезными побочными эффектами и дорогостоящи.

В основе естественной защиты от окислительного стресса лежит восстановленная форма никотинамиддинуклеотидфосфата (НАДФН, NADPH). В животных клетках основным источником этого кофермента служит пентозофосфатный путь, но при воспалении и окислительном стрессе его возможностей не хватает, а компенсаторная активация дополнительно усиливает продукцию активных форм кислорода (АФК, ROS). В растительных клетках НАДФН продуцируют структурные элементы хлоропластов — тилакоидные граны, в которых происходят светозависимые реакции фотосинтеза. Этот НАДФН быстро расходуется в строме хлоропластов на восстановительный пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина), в котором из углекислого газа синтезируются углеводы.

Дэвид Тай Лён (David Tai Leong) из Сингапурского национального университета и его коллеги изолировали растительные хлоропласты шпината (Spinacia oleracea), с помощью мягкой обработки детергентом выделили из них свободные от стромы структурно и функционально сохранные тилакоидные граны и упаковали их в компактные наночастицы с помощью амфифильного сурфактанта Pluronic F127. Под действием света эти наночастицы стабильно производили и практически не расходовали НАДФН. Систему назвали LEAF (Light-reaction Enriched thylAkoid NADPH-Foundry, обогащенное светозависимыми реакциями тилакоидное производство НАДФН).

Сначала ее испытали на культурах животных клеток, в которых химическими ингибиторами подавляли собственную продукцию НАДФН. Добавление LEAF при освещении эффективно восстанавливало внутриклеточный уровень НАДФН до исходного, при этом снижая концентрацию АФК. Этот опыт повторили с макрофагами, активированными подобно воспалительному окружению при синдроме сухого глаза. LEAF быстро подвергались эндоцитозу, восстанавливали уровень НАДФН и снижали концентрацию АФК, переключая клеточный метаболизм с воспалительного на гомеостатический. Аналогичные эффекты наблюдались при добавлении LEAF к поврежденным окислительным стрессом роговичным эпителиоцитам.

После этого авторы работы создали in vitro модель синдрома сухого глаза, поместив в двухкамерную трансвелл-систему активированные макрофаги и клетки эпителия роговицы. Добавление LEAF к макрофагам восстанавливало окислительно-восстановительный баланс внеклеточной среды и прерывало обусловленное воспалением токсическое взаимодействие двух типов клеток. Схожий эффект наблюдался и при помещении их в отдельную камеру, что препятствовало эндоцитозу и ограничивало действие только внеклеточной средой. Кроме того, LEAF нейтрализовывали АФК и в полностью бесклеточной среде. Таким образом, эффекты LEAF реализуются и внеклеточно за счет антиоксидантной активности их мембраны и синтеза НАДФН, и внутриклеточно за счет восстановления баланса НАДФН и подавления синтеза провоспалительных сигнальных молекул.

В эксперименте ex vivo со слезной жидкостью шести пациентов с синдромом сухого глаза добавление 250 нанограмм LEAF на миллилитр с последующим 30-минутным действием света повышало концентрацию НАДФН в 20 раз и снижало концентрацию АФК почти на 500 процентов. При моделировании этого заболевания у крыс и мышей инстилляция LEAF в конъюнктиву под действием обычного освещения в течение пяти дней вдвое повышала уровень НАДФН, снижала уровни биохимических маркеров воспалительного стресса, восстанавливала продукцию слезной жидкости, увеличивала толщину поврежденного эпителиального слоя роговицы и повышала площадь секретирующих слизь бокаловидных клеток. По силе терапевтический эффект был сопоставим с циклоспорином А. Транскриптомный анализ ткани роговицы показал, что такая терапия подавляет экспрессию провоспалительных и связанных со стрессом генов и повышает экспрессию противовоспалительных, антиоксидантных и гомеостатических, восстанавливая связанные с НАДФН метаболические пути до нормальных уровней.

В длительной серии опытов по безопасности LEAF не вызывала никаких заметных побочных эффектов, токсичности и системного действия. Исследователи дополнительно показали, что при изготовлении LEAF четырьмя разными группами из двух стран из местного шпината параметры и функциональность этих наночастиц демонстрируют минимальные коэффициенты различий, что говорит о хорошей воспроизводимости процесса их приготовления. В сумме полученные данные свидетельствуют о перспективности дальнейшей разработки LEAF в качестве терапии синдрома сухого глаза, а возможно, и других воспалительных заболеваний роговицы.

Ранее японским исследователям в ходе фундаментальных экспериментов удалось включить целостные хлоропласты экстремофильной одноклеточной красной водоросли в клетки яичника китайского хомячка и пронаблюдать в них фотосинтезирующую активность в течение как минимум двух дней.