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心脏居然能进行“光合作用”!

2017年06月16日 17:07 转自: DeepTech深科技 点击:[]

 

 

作为威胁人类生命健康的第一大杀手,心脏病在很大程度上就是因为血管堵塞导致的供氧不足而造成的,现在全球每年约有600万人因心脏病突发死亡。但目前,除了服用药物溶解血栓,或者植入血管支架外,并无其他有效治愈方法。

 

既然心脏病突发导致死亡的根本原因就是心肌缺氧。那么,有没有其他方式能主动为心脏细胞提供氧气?这很容易让人联想到光合作用,而且,也确实有人想这一想法付诸实践了。

 

印象中,谈到光合作用,人们往往会将其视为是植物的“专利”,但实际上,在细菌之中也存在着相当一部分拥有此项技能的个体,它们会像植物一样“吃掉”光线,并将其转换为氧气。

 

在最近的《Science》杂志刊发的一篇文章中,就提到了来自斯坦福大学的研究团队,如何利用这种细菌来拯救因缺氧而心脏病发作的小鼠。

 

事实上,目前治疗心脏类疾病唯一的方法就是重建流向心脏的血液通道。美国心脏协会(American Heart Association)主席 Steve Houser 表示,目前最有效的方法是通过服用药物来溶解血栓,或者通过在动脉中植入支架,而植入支架往往要通过开胸手术。

 

然而,现有的心脏病治疗方法明显太过单一,研究人员们希望找到一种全新的方式,来在心脏病发作是及时为心脏提供氧气。一开始,他们考虑过使用植物细胞的光合作用来产生氧气。论文联合作者、斯坦福大学医学院心脏外科主任Jeseph Woo表示:“我们试图在甘蓝和菠菜中提取叶绿体,但后来发现,一但叶绿体脱离了植物细胞就无法正常工作了。”

 

所以,接下来,Joseph和他的团队决定转而使用与叶绿体比较类似的细菌——聚球藻(Synechococcus elongatus),它的光合作用是与植物的光合作用属于同一个原理,都是以光为主要能量来源,将二氧化碳转化为氧气。

 

研究团队首先将细菌与小鼠心脏细胞放在培养皿中,结果细菌不仅可以存活,而且在进行光照时,它们还能将二氧化碳和水转换为氧气和葡萄糖。

 

随后,研究人员开始在活体动物身上进行对照实验:他们为小鼠进行了开胸手术,人为阻断心脏血液供给来模拟心脏病发时的状况。此时,再将细菌注入小鼠心脏并进行光照,效果是显著的,细菌产生的氧气马上被缺氧的心肌细胞吸收。

 

只过了仅仅 10 分钟,在光照环境中的心脏部分的氧气就增加了 25 倍,而与之对应的仍处于黑暗环境中的心脏部分的氧气只增加了 3 倍。

 

45 分钟左右,拿只接受光照但没注入细菌与只注入细菌但没接受光照的心脏进行相比,同时接受细菌和光照的小鼠心脏的供血量分别增加了60%30%

 

在手术之后的四周,实验小鼠甚至连患心脏病的风险都降低了。“这种差异并不需要仔细观测,而完全是巨大的改变!”Woo说。不过,虽然动物的免疫系统并不对细菌有排异反应,但由于细菌本身的寿命较短,所以它们最后会小鼠的心脏中死去。

 

但不论如何,实验获得了初步的成功。麻省理工学院的微生物学家及免疫学家Susan Erdman 说,“这是将微生物应用于重大疾病解决的典型案例,可以称得上是突破性的创举!”

 

耶鲁大学医学院的心脏手术专家Arnar Geirsson并没有参加这项工作,但他仍然对这项进展表示肯定:“斯坦福团队的概念非常独特,绝对属于跳出思考框架而得出的结果。”

 

当然,小鼠毕竟不是人类,在这项技术真正用于人体之前还有很长的路要走。“除了要考虑细菌可能造成的健康风险之外,最重要的一点是这类手术需要进行开胸——绝大多数医生都极力避免的危险操作,”Houser说。但这种方法为治疗心脏病提供了一个全新的思路。

 

随着技术的进步,科学家们可以通过注射的方式来注入细菌。通过将准备好的细菌与靶向心脏细胞的抗体相结合,然后一同注入静脉之中,避免了直接注入心脏中的高风险性。

 

与此同时,该团队还在探索光照的替代解决方案,通过使用可以穿透皮肤与骨骼的光来满足细菌所需要的光,而这也是目前来看最现实的方法,否则,就必须要退回到开胸手术的原始路径上来。

 

至于对未来应用的展望,不可否认的是,如果真的可以进入到临床阶段,那么人类在攻克心脏病顽疾的道路上可以说是又迈进了一步,至少也可以做到延长心脏病人的寿命。

 

更为直接的是,在新鲜器官的储存方面,这种细菌也可以派上用场,我们可以想象将会有众多的器官需求者会因此受益。“不过,谈这些还都为时尚早,就像所有的基础科学研究一样,不进行到最后一步,一切还很难下定结论,”Houser说。

 

接下来,Woo和他的团队将会进一步对细菌进行遗传基因修改,使其更加有效地产生氧气。同时,他们还会在类似于羊和猪这类大型的动物身上开展类似实验。但不管结果如何,这种创造性地使用自然细菌的方法还是还外界带来了一阵惊喜,或许也将启发科学工作者思考出更多具有突破性的科研方法。

 

 

参考资料:

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

https://www.statnews.com/2017/06/14/photosynthetic-bacteria-heart-attack/

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

 

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