移植光依赖性反应用于哺乳动物眼部光合作用的研究报告

研究作者与发表信息

本研究由新加坡国立大学（National University of Singapore）化学与生物分子工程系的David Tai Leong（梁大卫）教授团队，联合浙江大学医学院附属第二医院眼科中心叶娟教授团队、山东第一医科大学孙晓教授团队以及南京邮电大学丁显光教授团队共同完成。论文第一作者为邢阔然（Kuoran Xing）和严炎（Yan Yan），通讯作者包括丁显光、孙晓、叶娟和梁大卫。该研究发表于《Cell》杂志2026年7月9日第189卷，文章DOI为10.1016/j.cell.2026.04.034。

研究背景与科学问题

哺乳动物的眼睛虽然持续暴露于可见光中，但仅将光用于视觉感知，并不具备植物那样的光合作用能力。植物细胞内的叶绿体（chloroplast）通过类囊体（thylakoid）膜上精密组织的光系统I（photosystem I，PSI）和光系统II（photosystem II，PSII）超复合体，将光能转化为NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）和ATP。其中NADPH是一种在动植物细胞中共同存在的关键还原力分子，支撑着抗氧化防御与代谢平衡。

在哺乳动物细胞中，NADPH主要通过磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP）生成。然而，在炎症和氧化应激状态下，PPP来源的NADPH供应不足；若过度驱动PPP以补偿NADPH，反而会加剧活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，形成正反馈恶性循环。因此，研究团队提出一个核心科学问题：能否将植物类囊体的光依赖性反应机制移植到哺乳动物眼部，利用自然可见光驱动NADPH的原位合成，从而恢复氧化还原稳态并抑制炎症？

此前已有研究尝试将类囊体膜片段递送至深层器官治疗疾病，但这些方法受限于可见光穿透不足、膜片段电子传递链受损、需外源补充铁氧还蛋白（ferredoxin，FDX）或借助超声触发非光合电子释放等问题。本研究选择眼部作为靶器官，因为眼睛天然暴露于环境可见光下，这为原位光合作用提供了直接的能量来源。

研究设计与方法流程

研究团队首先从菠菜中分离完整叶绿体，通过温和低渗冲击释放类囊体基粒（grana），再以FDA批准的两亲性聚合物表面活性剂Pluronic F127重新封装，制备出纳米尺度的类囊体系统，命名为LEAF（light-reaction enriched thylakoid NADPH-foundry）。LEAF选择性富集光反应组分（PSI/PSII、细胞色素b₆f复合体、ATP合酶、FDX、FNR），同时最大限度去除基质中消耗NADPH的卡尔文-本森-巴沙姆循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）酶。研究通过定量蛋白质组学、KEGG通路富集分析、基因集富集分析（GSEA）验证了LEAF的蛋白组成特征，通过透射电镜确认其保留基粒样膜结构。叶绿素荧光分析评估了PSII光化学效率（Fv/Fm）及电子传递链各环节的完整性。

为验证LEAF的NADPH生产能力及其机制，研究设定了多种物理和生物化学扰动条件：热失活、Triton X-100膜破裂处理、光系统抑制剂（DCMU、百草枯、DCBQ）、碳固定相关通路抑制剂（低CO₂培养基、乙醛酸钠、氟化钠）等，以NADPH和葡萄糖产量为功能读数。随后，研究在RAW264.7巨噬细胞系和永生化人角膜上皮细胞（HCE-S）中评估LEAF的摄取途径、胞内NADPH恢复能力及其抗炎抗氧化效果。通过IDH抑制剂AGI-6780、G6PD抑制剂EGCG和NADK抑制剂SNAD组成的抑制剂鸡尾酒阻断哺乳动物内源性NADPH合成，检验LEAF的正交供能能力。代谢组学分析用于揭示LEAF对炎症细胞整体代谢状态的调控。Transwell共培养体系用于模拟巨噬细胞与角膜上皮之间的炎症串扰，并通过转运蛋白抑制剂（TPI）区分细胞外ROS与细胞因子的相对贡献。此外，研究采集了干燥性角结膜炎（keratoconjunctivitis sicca，KS）患者的泪液样本进行离体实验，并在苯扎氯铵（BAK）诱导的小鼠KS模型和东莨菪碱诱导的大鼠干眼模型中验证LEAF的体内疗效。安全性评价包括豚鼠皮肤致敏试验、兔眼刺激试验以及长期生物安全评估。

主要实验结果

在体外机制层面，LEAF的NADPH产率较未修饰类囊体提高20%，并在至少五次光暗循环中维持稳定，而未修饰类囊体在三次循环后失活，完整叶绿体因基质碳固定消耗NADPH而无净产出。热失活、膜破裂及PSI/PSII抑制剂均消除NADPH生成，证实其依赖于完整的光合电子传递。叶绿素荧光分析显示LEAF的PSII光化学效率与天然类囊体相当，而超声、匀浆和纳米挤出等物理破碎方法均导致反应中心完整性受损和电子传递协调性丧失。

在细胞层面，LEAF在60分钟内被RAW264.7细胞内化，主要以脂筏依赖性内吞途径进入细胞，并主要在非溶酶体区室中存留。当哺乳动物内源性NADPH合成通路被完全抑制时，LEAF在光照下仍能恢复胞内NADPH至基础水平并降低ROS约50%。在LPS刺激的RAW264.7中，LEAF加光照在30分钟内恢复NADPH、谷胱甘肽（GSH）和ROS至稳态水平，显著下调促炎因子TNF-α、IL-1β、MMP-9，同时上调抗炎因子和M2巨噬细胞标志物。通过CCCP抑制光合ATP合成与百草枯抑制光合NADPH生成的对比实验证明，LEAF的治疗效果主要由光合NADPH介导，而非ATP。

代谢组学分析显示，光照激活的LEAF使LPS诱导的炎症巨噬细胞代谢谱向未处理对照组回归，显著改变了脂质生物合成、脂肪酸合成、氨基酸代谢及抗氧化代谢相关代谢物，并将过度活化的PPP和GSH代谢途径恢复至正常水平。在细胞外机制层面，LEAF保留了植物来源的抗氧化酶（SOD、GPX、TrxR、GSR），这些酶的活性在光照下大幅增强，且依赖于光合NADPH的持续再生。条件培养基实验表明，细胞外LEAF可直接清除ROS，且对HCE-S的保护作用主要针对细胞外ROS而非细胞因子。

在患者泪液样本中，LEAF处理使NADPH水平从0.11 nmol/mL升高至2.22 nmol/mL，并将总ROS降低近500%，其中H₂O₂从10.5 nmol/mL降至0.45 nmol/mL，超氧阴离子从2.60 nmol/mL降至0.59 nmol/mL。在BAK诱导的小鼠KS模型中，LEAF加环境光照使角膜组织NADPH水平恢复至近健康水平，荧光素染色评分显著降低，角膜上皮厚度从23.0 μm恢复至28.6 μm，结膜杯状细胞面积增加至健康对照的1.67倍。单细胞RNA测序显示，LEAF加光照使KS诱导的免疫和上皮细胞状态向健康谱系回归，促炎基因和应激相关基因被广泛抑制。

研究结论与价值

本研究首次证明，纳米尺度的类囊体基粒超结构可在哺乳动物角膜细胞内保持光合活性，利用环境可见光正交性地产生NADPH和ATP，无需外源辅因子，且不受细胞内源性代谢调控的影响。LEAF通过胞内整合恢复氧化还原平衡，并通过胞外途径直接清除ROS，从而阻断巨噬细胞与角膜上皮之间的自放大炎症循环。这一策略确立了以光作为哺乳动物代谢系统能量输入的新范式，并提示了一种跨生物界、类似内共生的功能性相互作用，即动物细胞从植物来源的光合新细胞器中获益。

从科学价值看，该研究突破了传统光合作用仅限于植物和某些海蛞蝓等少数动物的认知边界，展示了将植物细胞器功能模块移植到哺乳动物细胞的可能性。从应用价值看，LEAF为干眼症等以慢性炎症和氧化应激为共同病理终点的眼部疾病提供了一种光驱动、无药理学靶点的治疗策略，可能规避现有免疫抑制剂（如环孢素A和利非替拉斯特）起效慢、靶点狭窄、局部刺激性及高成本等局限。此外，LEAF的制备工艺在不同操作者和不同地区的菠菜来源间表现出良好的批次一致性，且体外储存稳定性达一年（-80°C），为其临床转化奠定了基础。

研究亮点

首要亮点在于LEAF的制备策略：通过温和去除叶绿体基质以阻止NADPH消耗，同时保留完整的光依赖性反应超结构，实现了NADPH的最大化积累和持续产出。其次，研究揭示了LEAF的双重作用域——细胞内通过光合电子传递链补充NADPH以激活宿主抗氧化系统，细胞外则借助保留的植物抗氧化酶和光合再生NADPH直接清除ROS。第三，LEAF的光合NADPH供应与哺乳动物内源性NADPH生物合成通路完全解耦，在炎症导致的代谢功能障碍中仍能发挥治疗作用。第四，体内实验证实环境光强度（50 mJ/cm²/min，约0.83 mW/cm²）已足以驱动LEAF的NADPH生产，无需额外外部光照设备，这为其在真实临床场景中的应用提供了可行性依据。