华中科技大学团队研发纳米光合系统，为大脑缺氧提供全新解决方案

近日，来自华中科技大学的研究团队发表了一项研究，他们研发了一种近红外光（NIR） 触发的纳米光合作用生物系统，该系统能够通过持续产生氧气并吸收二氧化碳，来保护神经元细胞免受缺氧导致的细胞死亡，从而治疗中风。

图|相关研究以 发表在 ACS《纳米快报》（Nano Letters）上

研究人员表示，该方法不仅在治疗中风方面表现出了生物安全性和有效性，而且还拓宽了光合作用疗法的生物医学应用。

中风的致病原因，最常见的是大脑血管堵塞，导致中风患者神经受损。一般临床上采取静脉溶栓（IVT）和动脉内血栓切除术（IAT）两种治疗方法，但由于治疗时间窗口窄、颅内出血风险较高等原因，仅有极少部分患者能够得到及时有效的治疗。

近年来，科学家们在解决心脑血管疾病中引入 “光合作用” 的概念，实践证明自养型蓝藻细菌 Syechococcus elongatus（S. elongatus）能够在光照下自发产生氧气，但这一疗法面临持续光提供和手术创伤等限制。

在这项最新研究中，研究团队开发的纳米光合作用疗法（NPT），利用 core−shell Nd3+ 掺杂的上转换纳米颗粒（UCNP）将 808 nm 近红外光转换为可见光，从而驱动 S. elongatus 消耗二氧化碳并产生氧气，保护神经元免受缺血性损伤。

图|纳米光合作用治疗策略示意图

研究团队将 S. elongatus 与小鼠脑神经瘤细胞（N2a）共同培养，发现 S. elongatus 与哺乳动物细胞具有良好的细胞相容性。将 S. elongatus 静脉注射到小鼠体内后，与注射相同剂量的金黄色葡萄球菌的小鼠相比，接受 S. elongatus 注射的小鼠并未出现明显的体重下降，也没有引起炎症，细胞指标基本保持不变，也没有引起溶血和血小板聚集等不适。因此，S. elongatus不会产生排异性，不会对动物的健康产生影响。

研究人员将 S. elongatus 与小鼠脑神经瘤细胞共同培养后发现，小鼠脑神经瘤细胞能够消耗 S. elongatus 产生的氧气，而且可以将乳酸的产生显著降低 32％，这就说明 “光合作用” 产生的氧气能够有效供应，被动物细胞所吸收。中风患者的神经元会在体内遇到缺氧及局部缺血的情况，而实验表明 S. elongatus 能够保护神经元细胞免受缺氧导致的死亡。

图|在颅骨阻碍近红外光照射的情况示意图

研究表明，即使当近红外光被颅骨阻挡时，仍观察到氧气水平升高和二氧化碳水平降低。也就是说，即使小鼠的颅骨阻碍了近红外光的照射，S. elongatus 与上转换纳米材料的结合所产生的保护功效仍保持在 51.9％ 的活力水平。

研究人员对 43 只小鼠进行了轮番试验后发现，中风的小鼠在接受治疗后，运动协调性得到改善，进一步表明该系统对于中风动物的脑神经功能具有积极的恢复作用。

通过测试接受 NPT 治疗 8 周的小鼠血管密度发现，S. elongatus 可能通过影响小胶质细胞来增强血管生成，NPT 治疗方法在促进血管生成和保护其余血管网络免受中风相关损伤方面具有双重作用。

研究人员对实验小鼠进行了脑部 MRI 检测，未发现脑组织中存在梗塞现象，而且也没有发现小鼠的肝脏和肾脏受到损伤，进一步证实了这些微米级细菌的体内安全性。

综上，当应用于中风的动物模型中时，纳米光合作用疗法可以有效地提高组织氧合能力、减少梗塞体积，并改善行为结果，促进小鼠卒中后的脑血管生成。

不可否认，如果未来可以将这种纳米光合作用疗法应用到临床上，那么人类在攻克中风、心梗等疾病上将迈出飞跃性的一步。但论文指出，鉴于人类患者的颅骨厚度和梗塞深度与小鼠的颅骨厚度和梗塞深度不同，因此 NPT 中的近红外光照射条件还需要根据人类患者的实际情况进行临床转化，重新优化。

研究人员在论文结尾总结，此项研究是在近红外辐照下利用 S. elongatus 和 UCNPs 治疗中风的首次研究，这样一个近红外驱动的产氧生物系统可能是中风治疗的一个有价值临床选择。