治疗中风新方法：纳米光合作用生物系统

在美国，每40秒就有一人中风，每4分钟就有一人因中风死亡。最常见的中风类型是缺血性中风，当向大脑提供富氧血液的血管阻塞时，就会发生缺血性中风。尽管中风能够在临床上医治，但大多数治疗中风的药物只针对炎症等并发效应，而非缺氧本身。

中国华中科技大学的科学家们研究了一种将光合细菌与近红外光相结合的纳米光合作用生物系统，以治疗缺血性中风（文章见：Nano Letters, doi: 10.1021/acs.nanolett.1c00719）。在中风小鼠身上的实验显示，这种“纳米光合作用系统”能够在吸收二氧化碳的同时产生氧气，恢复神经元功能。

图1 CT结果显示左脑中没有血液流动，这是缺血性中风的迹象。一种将上转换纳米颗粒与光合细菌相结合的技术将成为缺血性中风的新型治疗方法

到达大脑

在此前的研究中，研究人员曾将蓝藻S. elongatus用于治疗心肌缺血（一种会导致心脏的血流量和氧合减少的症状）。蓝细菌是一种能够通过光合作用，产生和释放氧气的细菌。但问题在于，由于光合作用需要光照，此项研究必须借助侵入性手术打开大鼠的胸腔，以将心脏暴露在光照之下。

在目前研究中，研究人员提出了一种不同的方法，能够在不切开头骨的条件下将光线入射到脑中。近红外光更容易穿透骨骼等生物组织，但不能直接驱动光合作用。因此，该研究小组使用上转换纳米颗粒（upconversion nanoparticles, UCNPs）将近红外光转化为S. elongatus产生氧气所必需的可见光。

治疗效果

此纳米光合疗法将掺钕的上转换纳米颗粒和S. elongatus相结合，二者均与神经元细胞生物相容。在对一只头骨完好的小鼠测试时，808纳米处的近红外辐射被上转换纳米颗粒转换为细菌光合作用所需的波长，成功使S. elongatus消耗二氧化碳、产生氧气。

图2 接受纳米光合作用治疗的小鼠脑切片（右图）比对照组小鼠（左图）受损神经元更少

接下来，研究人员观察了纳米光合疗法对缺血性中风后受损脑组织的疗效。研究人员对脑动脉阻塞的小鼠注射了UCNPs和S. elongatus，然后在红外光下照射了40分钟。结果显示，纳米光合成疗法改善了脑组织氧合和神经元存活，减少了组织死亡体积。运动协调和肢体控制测试结果还显示，此疗法促进了小鼠的功能恢复。

早期结果

虽然该疗法仍处于非常早期的阶段，但目前的结果表明，纳米光合系统是一种可行的缺血性中风疗法。生物相容性测试中并未发现S. elongatus与人类神经元细胞结合时，产生任何副作用。此外，在活体小鼠中存在的蓝藻细菌并没有引发免疫反应。