心臟居然借助藻類進行“光合作用”!

国产v亚洲v天堂a《Science》刊載斯坦福大學腦洞大開的研究,藻類為心臟病治療提供全新思路。

国产v亚洲v天堂a作為威脅人類生命健康的第壹大殺手,心臟病在很大程度上就是因為血管堵塞導致的供氧不足而造成的,現在全球每年約有600萬人因心臟病突發死亡。但目前,除了服用藥物溶解血栓,或者植入血管支架外,並無其他有效治愈方法。

圖1. 接受藻類治療過後的小鼠心臟

圖1. 接受藻類治療過後的小鼠心臟

既然心臟病突發導致死亡的根本原因就是心肌缺氧。那麽,有沒有其他方式能主動為心臟細胞提供氧氣?這很容易讓人聯想到光合作用,而且,也確實有人想這壹想法付諸實踐了。

印象中,談到光合作用,人們往往會將其視為是植物的“專利”,但實際上,在藻類之中也存在著相當壹部分擁有此項技能的個體,它們會像植物壹樣“吃掉”光線,並將其轉換為氧氣。

在最近的《Science》雜誌刊發的壹篇文章中,就提到了來自斯坦福大學的研究團隊,如何利用這種藻類來拯救因缺氧而心臟病發作的小鼠。

圖2. 跳動心臟的熱成像圖

圖2. 跳動心臟的熱成像圖

事實上,目前治療心臟類疾病唯壹的方法就是重建流向心臟的血液通道。美國心臟協會(American Heart Association)主席 Steve Houser 表示,目前最有效的方法是通過服用藥物來溶解血栓,或者通過在動脈中植入支架,而植入支架往往要通過開胸手術。

圖3. 美國心臟協會主席Steve Houser

圖3. 美國心臟協會主席Steve Houser

然而,現有的心臟病治療方法明顯太過單壹,研究人員們希望找到壹種全新的方式,來在心臟病發作是及時為心臟提供氧氣。壹開始,他們考慮過使用植物細胞的光合作用來產生氧氣。論文聯合作者、斯坦福大學醫學院心臟外科主任Jeseph Woo表示:“我們試圖在甘藍和菠菜中提取葉綠體,但後來發現,壹但葉綠體脫離了植物細胞就無法正常工作了。”

圖4. 斯坦福大學醫學院心臟外科主任Jeseph Woo

圖4. 斯坦福大學醫學院心臟外科主任Jeseph Woo

所以,接下來,Joseph和他的團隊決定轉而使用與葉綠體比較類似的細菌——聚球藻(Synechococcus elongatus),它的光合作用是與植物的光合作用屬於同壹個原理,都是以光為主要能量來源,將二氧化碳轉化為氧氣。

研究團隊首先將藻類與小鼠心臟細胞放在培養皿中,結果藻類不僅可以存活,而且在進行光照時,它們還能將二氧化碳和水轉換為氧氣和葡萄糖。

隨後,研究人員開始在活體動物身上進行對照實驗:他們為小鼠進行了開胸手術,人為阻斷心臟血液供給來模擬心臟病發時的狀況。此時,再將藻類註入小鼠心臟並進行光照,效果是顯著的,藻類產生的氧氣馬上被缺氧的心肌細胞吸收。

圖5. 小鼠心臟細胞被聚球藻包圍

圖5. 小鼠心臟細胞被聚球藻包圍

只過了僅僅?10 分鐘,在光照環境中的心臟部分的氧氣就增加了?25 倍,而與之對應的仍處於黑暗環境中的心臟部分的氧氣只增加了?3 倍

45 分鐘左右,拿只接受光照但沒註入藻類與只註入藻類但沒接受光照的心臟進行相比,同時接受藻類和光照的小鼠心臟的供血量分別增加了60%30%

在手術之後的四周,實驗小鼠甚至連患心臟病的風險都降低了。“這種差異並不需要仔細觀測,而完全是巨大的改變!”Woo說。不過,雖然動物的免疫系統並不對藻類有排異反應,但由於藻類本身的壽命較短,所以它們最後會小鼠的心臟中死去。

圖6. 心臟病

圖6. 心臟病

但不論如何,實驗獲得了初步的成功。麻省理工學院的微生物學家及免疫學家Susan Erdman?說,“這是將微生物應用於重大疾病解決的典型案例,可以稱得上是突破性的創舉!”?

耶魯大學醫學院的心臟手術專家Arnar Geirsson並沒有參加這項工作,但他仍然對這項進展表示肯定:“斯坦福團隊的概念非常獨特,絕對屬於跳出思考框架而得出的結果。”

圖7. 耶魯大學醫學院的心臟手術專家Arnar Geirsson

圖7. 耶魯大學醫學院的心臟手術專家Arnar Geirsson

當然,小鼠畢竟不是人類,在這項技術真正用於人體之前還有很長的路要走。“除了要考慮藻類可能造成的健康風險之外,最重要的壹點是這類手術需要進行開胸——絕大多數醫生都極力避免的危險操作,”Houser說。但這種方法為治療心臟病提供了壹個全新的思路。

?隨著技術的進步,科學家們可以通過註射的方式來註入藻類。通過將準備好的藻類與靶向心臟細胞的抗體相結合,然後壹同註入靜脈之中,避免了直接註入心臟中的高風險性。

圖8. 靜脈註射示意

圖8. 靜脈註射示意

與此同時,該團隊還在探索光照的替代解決方案,通過使用可以穿透皮膚與骨骼的光來滿足藻類所需要的光,而這也是目前來看最現實的方法,否則,就必須要退回到開胸手術的原始路徑上來。

至於對未來應用的展望,不可否認的是,如果真的可以進入到臨床階段,那麽人類在攻克心臟病頑疾的道路上可以說是又邁進了壹步,至少也可以做到延長心臟病人的壽命。

更為直接的是,在新鮮器官的儲存方面,這種藻類也可以派上用場,我們可以想象將會有眾多的器官需求者會因此受益。“不過,談這些還都為時尚早,就像所有的基礎科學研究壹樣,不進行到最後壹步,壹切還很難下定結論,”Houser說。

圖9. Jeseph Woo及其團隊

圖9. Jeseph Woo及其團隊

接下來,Woo和他的團隊將會進壹步對藻類進行遺傳基因修改,使其更加有效地產生氧氣。同時,他們還會在類似於羊和豬這類大型的動物身上開展類似實驗。但不管結果如何,這種創造性地使用自然藻類的方法還是還外界帶來了壹陣驚喜,或許也將啟發科學工作者思考出更多具有突破性的科研方法。

 

參考資料:

http://www.sciencemag.org/news/2017/06/light-activated-bacteria-protect-rats-heart-attacks

https://www.theverge.com/2017/6/14/15800096/heart-attack-photosynthesis-bacteria-rats

http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/49662/title/Bright-Lights-and-Bacteria-Treat-Rats–Heart-Attacks/

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