Глаза, как у растений: учёные создали капли со «встроенным фотосинтезом»

Учёные разработали новые глазные капли, которые позволяют мышиным глазам осуществлять отдельные этапы фотосинтеза.

Эти капли содержат фотосинтетический механизм, извлечённый из листьев шпината, и используют светозависимые реакции для облегчения симптомов синдрома сухого глаза. К такому выводу пришло исследование, опубликованное 15 мая в журнале Cell. Хотя эксперименты проводились на мышах, авторы надеются, что после дальнейших испытаний терапию смогут применять и у людей.

Это исследование — «прекрасный пример инженерного решения, вдохновлённого симбиотическими отношениями в природе», — отметил Кори Аллард, клеточный биолог из Гарвардской медицинской школы, не участвовавший в работе.

Как шпинат помогает глазам

Растения полагаются на фотосинтез для производства энергии (в форме глюкозы) из солнечного света. Органеллы под названием хлоропласты осуществляют фотосинтез и придают растениям зелёный цвет. Хотя ни одно животное не способно к фотосинтезу самостоятельно, некоторые виды развили симбиотические отношения с фотосинтезирующими водорослями. Отдельные виды морских слизней — например, листоед (Costasiella kuroshimae) и мангровый слизень (Elysia bangtawaensis) — даже воруют хлоропласты у водорослей, которыми питаются.

В новом исследовании Дэвид Тай Леонг, инженер-химик из Национального университета Сингапура, и его коллеги проверили, смогут ли глаза млекопитающих выдержать нечто подобное. Их цель — найти способ лечения синдрома сухого глаза. Это заболевание поражает слёзную плёнку, покрывающую глаз, и приводит к образованию окислителей и воспалению, которые могут ухудшать зрение.

Чтобы создать капли, команда сначала извлекла из хлоропластов шпината уложенные стопкой компартменты, называемые тилакоидными гранами. Именно в этих гранах — структурах, содержащих хлорофилл — происходят первые, светозависимые этапы фотосинтеза. Затем исследователи заключили эти тилакоидные стопки в крошечные капсулы, создав систему, которую они назвали LEAF (от англ. «обогащённая световыми реакциями тилакоидная NADPH-фабрика»).

Когда LEAF в виде глазных капель закапывали мышам с искусственно вызванным синдромом сухого глаза, воспаление снижалось. На пути к производству глюкозы хлоропласты вырабатывают в тилакоидных гранах химическое вещество под названием NADPH. NADPH действует как антиоксидант и помогает нейтрализовать соединения, которые усиливают воспаление в глазах.

Результаты: сравнимо с лекарством

Через пять дней мыши, получавшие капли LEAF, показали результаты, сопоставимые с мышами, которых лечили существующим коммерческим препаратом от синдрома сухого глаза. У них наблюдалось усиленное слезоотделение и меньшие повреждения роговицы по сравнению с мышами, получавшими только физраствор.

«Глаз уникально подходит для такой стратегии, поскольку свет уже является неотъемлемой частью его нормальной физиологической функции», — написал в электронном письме Live Science доктор Сяньфэн Линь, ортопед из Медицинской школы Чжэцзянского университета в Китае. Хотя Линь не участвовал в новой работе, он и его коллеги опубликовали в 2022 году исследование в журнале Nature, в котором использовали похожую фотосинтетическую систему для борьбы с воспалением при артрите мышиных коленей.

«Эта работа расширяет роль света в глазу: от чисто сенсорной к потенциально способствующей локальной метаболической поддержке и восстановлению тканей», — добавил Линь.

Никаких зелёных глаз (как у Халка)

Хотя капли и содержат хлорофилл, его концентрация очень низкая, и сами капли выглядят прозрачными.

«Мы используем высокооптимизированную фотосинтетическую машинерию, поэтому нам не нужны огромные количества системы LEAF, — объяснил Леонг. — Из-за низкой концентрации зелёный цвет не виден. Так что наши глаза не станут зелёными, как у Халка».

Когда капли появятся для людей?
Пока капли не готовы для использования на людях — им ещё предстоит пройти обширные испытания на безопасность и долгосрочную эффективность. Но команда уже работает над организацией клинического исследования, которое в первую очередь оценит именно безопасность, сообщил Леонг Live Science.

Если капли одобрят для людей, лекарство будет использовать естественную работу наших глаз, поскольку для активации ему нужен лишь обычный окружающий свет. Пациент будет «получать терапию, которая соответствует тому, как мы обычно живём изо дня в день», — подчеркнул Леонг.

Что дальше? Мнение экспертов

Несмотря на впечатляющие результаты, исследователи предупреждают, что путь до аптеки будет долгим. Основные вопросы — долговременное воздействие тилакоидных мембран на сетчатку и возможные иммунные реакции. Однако сам подход открывает новое направление в офтальмологии: использование биологически полученных «фотосинтетических фабрик» для доставки антиоксидантов прямо в ткани.

Похожие системы уже тестируются для заживления ран, лечения воспалений при артрите и даже для активации клеток мозга светом. Если капли LEAF дойдут до клиники, они могут стать первой в своём роде «живой» терапией для глаз, работающей буквально от солнечного света.