植物光合作用被用于测试心脏能量辅助方案
中国研究人员将菠菜部分光合作用机制改造后，开展了一项不同寻常的医学实验：帮助受损的大鼠心脏产生更多可用能量。这项研究由武汉华中科技大学同济医院的研究人员牵头，并发表于Small，描述了一种由植物类囊体膜制成、可通过红光激活的纳米颗粒。
这项早期研究针对的是心力衰竭中的一个核心问题。心肌需要持续供应ATP，这是一种细胞用来驱动重要活动的分子。当通常负责提供大部分ATP的线粒体受损时，能量短缺可能进一步加重心脏泵血困难。
植物也会产生ATP，但其方式是通过光合作用。研究人员从菠菜中提取类囊体膜，将其分解成纳米级颗粒，并试图把这一植物系统转化为一种可控的心脏细胞能量来源。细胞实验和大鼠实验结果表明，在红光刺激下，这种方法可以提高ATP水平，并可能减轻实验性心力衰竭环境中的损伤。
颗粒的设计方式
类囊体是植物细胞内的膜结构，包含将光转化为化学能所需的机制。研究团队没有直接使用未经处理的植物材料，而是将类囊体衍生纳米颗粒包裹在从心肌细胞中提取的膜内。这层包膜旨在改善颗粒与心肌细胞的相互作用，心肌细胞正是负责心脏收缩的细胞。
在实验室测试中，培养的大鼠心脏细胞摄取包膜颗粒的数量多于未包膜颗粒。当细胞接受红光照射时，经过处理的细胞显示出更高的ATP水平。研究人员将这一平台描述为一种光控纳米光合系统，实际上是把植物来源的机制用作生物能源来源。
这种可控性是这一概念的重要特点。研究并未将这些颗粒描述为心脏自然代谢的替代物。相反，红光为额外的产能活动提供触发信号。原则上，这可能使未来的治疗能够在特定时间开启，但目前的研究距离证明这种控制在人类身上是否安全或实用还相去甚远。
大鼠实验结果
研究团队在实验诱导的心力衰竭大鼠中测试了这一系统。报告称，接受菠菜来源、经心肌细胞膜包裹并进行红光激活的纳米颗粒后，大鼠的泵血功能得到改善，组织损伤也少于实验中的对照动物。
这一发现之所以引人注目，是因为它针对的是心力衰竭许多表面表现之下的一种机制：心脏所需能量与受损细胞能够产生的能量之间存在差距。许多心血管治疗侧重于降低心脏负荷、管理体液平衡或处理潜在疾病过程。这项研究探索的是，提供一种额外的、由光驱动的细胞能量来源，最终是否能够补充这些治疗策略。
研究人员仍然恰当地将这一结果定位为实验性发现。该结果证明的是大鼠细胞和大鼠疾病模型中的一种效应，而不是一种已经确立的疗法。它并未显示菠菜纳米颗粒能够治疗人类心力衰竭，也没有确立引入植物来源纳米材料或反复照射组织的长期安全性。
具有前景的结果与重大的转化医学问题
在这类技术超越临床前研究之前，还需要回答多个问题。科学家需要确定颗粒如何在体内分布、能够保持活性多长时间、是否会引发免疫反应，以及所需光剂量能否安全到达目标组织。研究人员还需要评估，额外的ATP生成能否在不同病因和不同阶段的心力衰竭中带来持久益处。
递送也是一个实际挑战。依赖红光刺激的疗法，必须将其生物治疗与一种可靠的方式结合起来，使相关组织能够接受光照。该研究表明，在所报告的实验设置中，这种激活可以发挥作用；但它并未解决类似系统如何用于常规临床护理。
尽管如此，这项研究展示了纳米医学中的一个更广泛方向：从一种生物体借用生物功能，并将其改造用于另一种生物体。在本研究中，被借用的功能是光合能量转换，配合旨在引导材料进入心脏细胞的细胞膜包膜。
- 这些颗粒源自菠菜类囊体膜。
- 研究人员使用心肌细胞膜作为包膜，以改善实验室测试中心肌细胞对颗粒的摄取。
- 红光激活与经处理的大鼠心脏细胞ATP水平升高相关。
- 在诱导心力衰竭的大鼠中，据报告该治疗与泵血功能改善和组织损伤减少相关。
其意义在于概念验证
这项研究应被视为概念验证，而不是近期即可应用的治疗方法。它的价值在于证明，植物光合作用成分可以被工程化为纳米级系统，进入心脏细胞，并在动物模型中通过光照激活。对于一种部分由细胞能量处理受损所定义的疾病而言，这是一项引人注目的技术展示。
这种方法能否转化为医学用途，将取决于尚未报告的结果：重复验证、更长期的随访、安全性测试，以及在更接近人类疾病的模型中开展研究。目前，这些发现为一个基本的生物学问题提供了富有创意的答案——叶片中部分产能机制能否被重新引导，为一颗苦苦支撑的心脏提供帮助。在受控条件下的大鼠实验中，研究人员报告称，答案是肯定的。
本文根据Phys.org的报道编写。阅读原文。
Originally published on phys.org
