От овощного прилавка до лаборатории: шпинат используют для выработки энергии в клетках и лечения синдрома сухого глаза

В овощном магазине пучок шпината, казалось бы, предназначен для привычных целей: салатов, пирогов, начинки для пасты или какого-нибудь модного детокс-сока. Но группа ученых сумела сделать с этими листьями нечто иное: взять механизм, преобразующий свет в энергию, и использовать его в клетках глаза. Результат, пока еще экспериментальный, может стать новым способом лечения воспалений глаз, таких как синдром сухого глаза, без традиционных лекарств. «Работа, опубликованная в журнале Cell и возглавляемая исследователями из Национального университета Сингапура, предлагает необычный подход в медицине: внедрение в клетки животных биологического механизма, свойственного растениям. Вместо введения традиционного лекарства команда разработала наночастицы на основе структур шпината, способные использовать свет для выработки энергии внутри клеток. Именно это слияние миров — перенос биологических функций из растительного царства в животное — делает эксперимент прорывом в биомедицинских исследованиях». Эти частицы, получившие название LEAF, получают из микроскопических структур шпината, ответственных за фотосинтез — процесс, с помощью которого растения преобразуют свет в энергию. Исследователи выделили их и адаптировали так, чтобы они могли проникать в клетки глаза с помощью глазных капель. Оказавшись там и используя окружающий свет в качестве источника, они начинают вырабатывать энергетические соединения, которые воздействуют на внутренний баланс клеток и помогают снизить окислительный стресс, связанный с воспалением. «Отправной точкой исследования является распространенное и, во многих случаях, хроническое заболевание: синдром сухого глаза. Речь идет о нарушении состояния поверхности глаза, в котором задействованы многочисленные факторы, но которое имеет общий компонент: длительное воспаление и повреждение, вызванное реактивными молекулами, разрушающими клетки. «Доступные сегодня методы лечения направлены на компенсацию этого процесса. Некоторые из них направлены на увлажнение глаза с помощью искусственных слез. Другие, такие как определенные противовоспалительные препараты, снижают иммунную реакцию. Но в большинстве случаев речь идет о симптоматическом лечении или о методах, которые воздействуют на проблему опосредованно. «Подход, предлагаемый в данной работе, иной. Вместо того чтобы блокировать воспаление или заменять слезы, он пытается воздействовать на внутреннее состояние клеток. Для этого используется та же стратегия, что и у растений, хотя и адаптированная: улавливание энергии света. Частицы LEAF содержат функциональные фрагменты хлоропластов, где происходит фотосинтез. Внутри этих структур находятся системы, позволяющие улавливать свет и преобразовывать его в химическую энергию. В ходе эксперимента исследователи выделили эти компоненты, удалили ненужные элементы и инкапсулировали их в наноразмерные частицы, достаточно малые, чтобы проникнуть в клетки животных. «Попав в глаз, эти частицы используют окружающий свет — тот же, что участвует в процессе зрения, — для запуска фотохимической реакции. В результате они генерируют энергетические молекулы, которые клетки используют для восстановления своего внутреннего баланса. Среди этих молекул находится NADPH, ключевое соединение в антиоксидантных механизмах. «Эта деталь имеет центральное значение для понимания наблюдаемого эффекта. Повреждение при синдроме сухого глаза в значительной степени связано с избытком активных форм кислорода, которые вызывают окислительный стресс. NADPH входит в состав систем, нейтрализующих эти молекулы. Повышая его доступность, клетки восстанавливают способность реагировать на повреждения. «Мы берем технологию, которая развивалась в растениях в течение миллионов лет, и переносим ее на клетки животных», — пояснил журналу Nature исследователь Дэвид Тай Леонг, один из авторов работы. В том же духе в исследовании эти частицы описываются как своего рода временный «неоорганелл», способный функционировать внутри клетки, не интегрируясь в ее структуру на постоянной основе. «Первые испытания были проведены в лаборатории на культивируемых клетках. В ходе исследований было отмечено, что частицы быстро встраивались в ткани, а при воздействии света уровень энергетических молекул повышался. Это повышение привело к снижению показателей воспаления и уменьшению окислительного повреждения. «Следующим шагом стало тестирование системы на животных моделях синдрома сухого глаза. В этих испытаниях применение капель с частицами LEAF продемонстрировало измеримый эффект по различным показателям заболевания. Были зарегистрированы улучшения состояния поверхности роговицы, уменьшение воспаления и частичное восстановление пораженных структур. «Результаты зависели от одного фундаментального условия: наличия света. Когда обработанные глаза не подвергались воздействию света, эффект был минимальным или отсутствовал вовсе. Напротив, при естественном освещении система активировалась и вызывала наблюдаемые реакции. «Помимо исследований на животных, команда проанализировала образцы человеческих слез в контролируемых условиях вне организма. В этих экспериментах при добавлении частиц и их воздействии светом наблюдалось увеличение количества антиоксидантов и уменьшение количества активных форм кислорода, что соответствует предложенным механизмам. Еще одним важным аспектом работы является ее потенциал для промышленного производства. Авторы подсчитали, что небольшое количество листьев шпината может дать достаточно материала для многократного лечения. Этот расчет, основанный на лабораторных методах, позволяет предположить, что данная система может оказаться относительно доступной, если ее эффективность будет подтверждена на последующих этапах. «Однако в самом исследовании отмечаются существенные ограничения. Частицы не остаются в клетках бесконечно, и их активность продолжается в течение ограниченного периода — нескольких часов. Они также не воспроизводят полный процесс фотосинтеза растений, а лишь ту фазу, которая генерирует энергию, не производя сахаров. «Кроме того, имеющиеся результаты относятся к экспериментальным моделям. Разработка еще не прошла клинические испытания на людях, поэтому нет данных об эффективности и безопасности в реальных условиях применения. Исследователи работают в этом направлении, стремясь в ближайшие месяцы перейти к испытаниям на людях. «Возможность применения системы в виде капель — один из факторов, вызывающих наибольший интерес. В отличие от других сложных методов лечения, этот формат не требует инвазивных устройств или сложных процедур. Эта особенность в сочетании с использованием света в качестве источника энергии открывает новые перспективы в терапевтических стратегиях». Параллельно с этим команда изучает, можно ли распространить этот подход на другие ткани или заболевания, в которых окислительный стресс играет значительную роль, такие как макулярная дегенерация, болезнь Паркинсона или ревматоидный артрит. «Идея внедрения функциональных механизмов растительного происхождения в клетки животных открывает новое направление исследований, выходящее за рамки лечения синдрома сухого глаза».