《Science》子刊：科學家要把藍細菌植入心臟，通過光合作用給心肌供氧

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來源｜奇點網

作者｜王新凱

編輯｜Xtecher 陳光

微信公眾號ID｜Xtecher

來自貝勒醫學院的華人科學家王萌教授帶領團隊以秀麗隱桿線蟲為模型，對其體內將近4000種存在不同突變的大腸桿菌進行了篩選，找到了幾十個能夠延長壽命、延緩腫瘤發展和β-澱粉樣蛋白積聚的基因！而且還發現了一個可以「續命」的化合物——莢膜異多糖酸（colanic acid，CA）[1]。

斯坦福大學心衰研究高級實驗室（Woo Lab）團隊成員（前排中為Jeseph Woo教授）

6月15日，《Science Advances》發表了斯坦福大學和賓尼法尼亞大學科學家開展的一項極具創新性的實驗成果[1]，當大鼠因心肌梗塞造成心肌缺氧時，研究人員將藍細菌植入到大鼠心臟，光照之下藍細菌便憑藉光合作用來維持心肌組織中的血氧平衡，從而保障了心肌的緊急氧供應和心臟的正常泵血！

實驗結果顯示，和未植入藍細菌的對照組相比，僅僅10分鐘後，實驗組光照下心肌組織中氧氣的含量就增加了約25倍，就算是黑暗條件下，注入了藍細菌的心肌組織中氧氣含量也出現了3倍的升高。到45分鐘時，大鼠左心室收縮力和心輸出量（CO）均得到提升，植入藍細菌的大鼠心臟比對照組多泵出約60%的血液！

更厲害的是，實驗過程中所用的藍細菌沒有引起任何毒副作用和明顯的免疫反應，大鼠心肌細胞與藍細菌實現了完美共存！

麻省理工學院的微生物學家、免疫學家Susan Erdman稱讚這項研究，提出了一個絕對創新的解決方案，非常巧妙地利用天然微生物來解決人類的嚴重疾病。「我認為這是偉大的實踐。」Erdman說，「想像一下這項技術的前景，就讓人非常興奮。」

單個大鼠心肌細胞（紅色）和多個藍細菌（綠色）的掃描電鏡照片

心肌缺血是心臟病的常見癥狀。廣為人知的冠心病，就是由於冠狀動脈的阻塞造成的心肌缺血、缺氧或壞死，嚴重時會引發心律失常、休克或心力衰竭，並危及生命。根據世衛組織的統計，每年有740萬人死於冠心病。在過去的幾十年中，隨著藥理學的發展和外科手術的進步，比如心臟支架手術和搭橋手術，使得心臟病的死亡率已經大大降低[2]。

然而，即使經過冠狀動脈旁路移植手術或各種介入治療後，心臟病患者仍然存在著大量的微血管供血不足[3]。因此許多急性心梗患者即使經過手術倖存下來，也難逃缺血性心肌病、心力衰竭和死亡的厄運[4]。

也就是說，急性心臟病比如心肌梗塞一旦病發，即使經過藥物緩解和緊急手術挽回生命，部分心肌組織也會因為缺血缺氧而造成永久性損傷。這種損傷似乎不可避免而又貽害無窮。

「有一天我在思考，心臟病最根本問題是什麼？可以理解為沒有足夠的氧氣及時傳遞到心肌組織。」斯坦福大學心胸外科醫生，也是研究論文的通訊作者Joseph Woo回憶說，「那麼什麼情況下，才會時刻保障都有氧氣存在？答案是植物！」[5]

研究通訊作者、斯坦福大學醫學院心臟外科主任Jeseph Woo教授

綠色植物的光合作用能夠從陽光中獲得能量，將二氧化碳和水轉化為碳水化合物進行自身生長，在這個過程中綠色植物還會產生一些多餘的氧氣，釋放到大氣中，而這些氧氣對於進行有氧呼吸的生物比如人類來說是賴以生存。這是小學科學書上都有的基本知識。

「既然心臟病專家一直在考慮如何為缺血性心肌組織提供及時的血液供應，而氧氣又是其中的關鍵，」Joseph Woo說，「如果直接將植物的光合作用機制，加入到心肌組織中將會怎樣？」

估計很多人小時候都有過類似異想天開的想法，把植物細胞中的葉綠體提取出來，放進動物細胞中，只要有光照，細胞就能自給自足，簡直完美。

沒錯，科學家也是這麼想的。一開始的時候，研究人員簡單粗暴地研磨羽衣甘藍和菠菜，分離出葉綠體，並將它們注入心肌細胞。實驗結果令人失望，但又似乎不出意料。Joseph Woo表示，「我們發現葉綠體不喜歡待在植物細胞外，它們不是很穩定。」

揣測一下葉綠體的內心讀白：就這樣就想成功？簡直是小瞧了綠色植物在生態圈的地位！

科學家並沒有就此止住，經過不斷嘗試，研究團隊最終選擇了超微型光合自養原核生物，聚球藻（Synechococcus elongatus）。聚球藻屬藍細菌，是全球碳循環的主要參與者和初級生產力的主要貢獻者，而且聚球藻在生物工程學中常作為增強生物燃料生產的工具或調查晝夜節律的模型生物[6]。

在這些特徵的基礎上，研究人員假設藍細菌可以維持周圍二氧化碳、氧氣、水和葡萄糖的含量平衡，也就能夠在體內缺血環境中幫助清除多餘的二氧化碳，並為缺血心肌細胞提供必需的氧氣和潛在的葡萄糖。

當研究人員將心肌細胞和藍細菌放在培養皿中共同培養時，發現它們不僅可以很融洽地生活在一起，而且當用光照射時，還產生了多餘的氧氣！雖然很好理解這其中的原理，甚至很多人也有過類似的遐想，但當真正看到動物細胞和光合細胞能夠構成了一個小的「生態循環」時，還是很激動人心的！

那麼，活體實驗的結果會是怎樣呢？

急性心肌梗死的大鼠活體模型

科學家首先對大鼠做了開胸手術中，人為地阻斷心臟血液供應來模擬心臟病發作，然後將藍細菌植入大鼠心臟，並暴露於光照下。實驗結果正如文章開頭所提到的那樣，令人驚喜不已！

在急性心肌缺血環境下心肌組織血氧含量、新陳代理和心臟功能的對比（有無植入藍細菌和光照）。A和B，10和20分鐘時的心肌組織血氧含量；C，用於量化衡量心肌能量的熱成像；E和F，45分鐘後心室壓力上升率；G，45分鐘後心輸出量。

實驗結果還顯示，這些光合微生物為大鼠的心臟功能提供了長期的改善。術後四周後再來對比，仍然發現接受了藍細菌植入的大鼠心臟比對照組有著顯著改善的心肌收縮力。研究人員甚至表示，這種差異化根本不用仔細觀察，簡直是完全不同的改觀，效果太明顯了！

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心臟核磁共振影像顯示植入了聚球藻後左心室射血分數增加

更重要的是，在將藍細菌植入心肌組織期間，並沒有引起任何的毒副作用和明顯的免疫反應。按照Joseph Woo的表述就是，機體好像忽視了它們一樣。

雖然目前大部分植入的藍細菌在心臟中只存活了24小時，但其對心臟功能的改善至少持續了4周。這個初步的實驗成果，已經體現出在需要臨時供氧的情況下，例如在心臟搭橋手術之前的急性心肌梗塞期間，開展藍細菌治療的巨大潛力。

「為了檢查細菌清除率以及確定這種光合療法的安全性，更詳細的研究將是必要的。任何使用這種治療人類疾病的方法還有很長的路要走。」耶魯大學醫學院心臟手術專家Arnar Geirsson教授說，「但是，如果真的能夠進入臨床階段，則可以應用到太多疾病和領域中，包括中風、外周組織缺血等。」

接下來，研究人員還會對藍細菌進行進一步的基因改造，並且改進實驗方法，使技術更加接近臨床轉化。也許下一步，藍細菌為心肌細胞提供的不僅僅是氧氣，還有葡萄糖。

當然，對於這項研究也有人持有不同的看法。紐約市西奈山醫院心臟病專家Hina Chaudhry就認為他們在技術方面存在著很大的障礙，一方面，人類的肌肉比老鼠要厚，使得光線不可能深入達到細菌；另一方面，她不相信研究人員對於細菌無害的報告，並認為他們對動物免疫反應的研究是「膚淺和粗略」的。

「這是一個精彩的、激進的想法，我很高興看到動物身上的實驗，但是應用到臨床還有很長一段路要走。我打賭它不會成功。」Chaudhry說。

也許對於科學家這次打破常規的創新，以治療心肌缺血的目的和標準來衡量，的確還存在著諸多障礙，但如果從科學技術的發展來看，則是一件有著里程碑意義的成就！畢竟以此可以發揮的腦洞簡直就是無窮的！

也許未來有一天，人類終將打破地球環境（比如氧氣、水和吃飯）的限制，走向更大的未知。而這一切都將是基於科技的力量。

參考資料：

[1] http://advances.sciencemag.org/content/3/6/e1603078.full

[2] Rosamond W. American Heart Association Statistics Committee and Stroke Statistics Subcommittee. Heart disease and stroke statistics-2007 update: a report from the American heart association statistics committee and stroke statistics subcommittee[J]. Circulation, 2007, 115: e69-e171.

[3] Araszkiewicz A, Grajek S, Lesiak M, et al. Effect of impaired myocardial reperfusion on left ventricular remodeling in patients with anterior wall acute myocardial infarction treated with primary coronary intervention[J]. The American journal of cardiology, 2006, 98(6): 725-728.

[4] Bolognese L, Carrabba N, Parodi G, et al. Impact of microvascular dysfunction on left ventricular remodeling and long-term clinical outcome after primary coronary angioplasty for acute myocardial infarction[J]. Circulation, 2004, 109(9): 1121-1126.

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

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

本文為Xtecher轉載自「奇點網（微信公眾號ID：geekheal_com）」

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封面來源：奇點網 排版：陳光 校對：米琪

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