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針對上述問題，山東師范大學(xué)唐波團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種由小球藻（C. pyre）、可降解上轉(zhuǎn)換納米顆粒（UCNPs）及透明質(zhì)酸甲酰丙烯酸酯（HAMA）組成的天然光合系統(tǒng)（HCU），可在近紅外光照射下實(shí)現(xiàn)原位光交聯(lián)、光合產(chǎn)氧及線粒體細(xì)胞色素c氧化酶（CCO）活性增強(qiáng)。該系統(tǒng)在MI小鼠模型中顯著提升了心肌ATP水平，緩解缺氧微環(huán)境，減少梗死面積并恢復(fù)心功能，提出了一種基于光合產(chǎn)氧與光生物調(diào)節(jié)協(xié)同作用的心肌缺血治療新思路。該文章于2025年9月30日以《Chlorella-derived natural photosynthetic system for in situ energy metabolism enhancement in cardiomyocytes》為題發(fā)表于《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-025-63749-9）。

圖1.原位心肌缺血修復(fù)的自然光合作用系統(tǒng)示意圖

（1）可降解UCNPs的合成與表征

研究團(tuán)隊(duì)用一種改進(jìn)的水熱方法合成了具有可控生物降解性和良好上轉(zhuǎn)換熒光性能的UCNPs(NaCeF4：Yb，Tm，Zr)。透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)和掃描電子顯微鏡(STEM)圖像(圖2A)表明，合成的UCNPs呈均勻的矩形結(jié)構(gòu)，且分散良好，粒徑為50 nm。X射線衍射圖顯示合成的UCNP的所有衍射峰都與NaCeF4納米晶(JCPDS no.75-1924)相匹配，這表明成功地合成了NaCeF4基質(zhì)(圖2D)。值得注意的是，XPS(圖2E)、EDS(圖2C)、相應(yīng)的元素圖(圖2B)和X射線衍射峰的右移表明摻雜離子(Yb、Tm和Zr)已經(jīng)進(jìn)入了NaCeF4基質(zhì)的晶格。在980 nm的激發(fā)下，UCNP發(fā)出了不同波長的光(圖2F)，包括365 nm(¹D₂→³F₆，四光子過程)，475 nm(¹G₄→³H₆，三光子過程)和800 nm(¹D₂→³F₃，雙光子過程)(圖2G)。上轉(zhuǎn)換發(fā)光(UCL)的性質(zhì)UCNPS/C.pyre/HAMA(HCU)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)(365 Nm)、小球藻光合作用(475 Nm)和CCO活化(800 Nm)提供了必要條件。

水溶性的[ZrF7]^4-物種具有快速溶解的傾向，導(dǎo)致NaCeF4晶格被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎x子和[ZrF7]^4-團(tuán)簇(圖2H)。此外，透射電子顯微鏡圖像顯示，在PBS緩沖溶液中48小時(shí)后，部分UCNP已解體為碎片(圖2I)。在PBS溶液中，隨著時(shí)間的推移，降解的鋯離子的濃度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，而降解速率隨著鋯離子摻雜量的增加而相應(yīng)地逐漸增加(圖2J，K)。此外，UCNPs在純水中分散48h后，明亮的藍(lán)色UCL消失(圖2L)，進(jìn)一步證實(shí)了UCNPS的降解性。

圖2.可降解NaCeF4：Yb，Tm，Zr UCNPs的表征。A NaCeF4的電子顯微鏡圖像(比例尺：50 nm)。B對應(yīng)的NaCeF4元素圖譜：YB，Tm，Zr，C EDS分析，D X射線衍射譜和E XPS譜。F 激發(fā)波長為980 nm，功率密度為1.0W/cm²的NaCeF4：Yb，Tm，Zr的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。G提出了能量傳遞機(jī)制。H UCNPs降解過程示意圖。I 在PbS緩沖溶液中分散NaCeF4：Yb，Tm，Zr 48h前(左)和后(右)的電子顯微鏡圖像。(圖像部分放大，比例尺：100 nm。) J 在PbS緩沖溶液中分散NaCeF4：Yb，Tm，Zr時(shí)，隨著時(shí)間的推移降解的Zr組分的累積釋放曲線和K 475 nm發(fā)射的UCL強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。L 在功率密度為1.0W/cm²的980 nm激光激發(fā)下，在去離子水中的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜和UCL亮度隨時(shí)間變化的照片

（2）HCU的合成與表征

研究者制備了由HAMA、C.pyre和UCNPs組成的光合作用系統(tǒng)(HCU)，通過原位光固化實(shí)現(xiàn)心肌的光合作用產(chǎn)氧(圖3A)。LAP的紫外吸收與UCNPS的365 nm UCL一致(圖3B)。同樣，小球藻的明顯紫外吸收峰也與UCNPs的460 nm和475 nm UCL很好地對準(zhǔn)(圖3B)。光譜重疊為HCU提供了響應(yīng)近紅外光的機(jī)會(huì)，促進(jìn)了原位固化和光合作用。在980 nm激發(fā)下，UCNPs在365 nm、460 nm和475 nm處的UCL強(qiáng)度同時(shí)降低，進(jìn)一步表明LAP和小球藻可以通過吸收UCNPs的UCL而被激活(圖3B)。在980 nm激發(fā)下，HCU通過10 mm厚的雞肌組織原位固化(圖3C)。掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示出一個(gè)堅(jiān)韌的水凝膠網(wǎng)絡(luò)，而UCNPs和小球藻均勻地分布在水凝膠中(圖3D)。 由于HAMA的羥基(-OH)與組織的氨基(-NH2)和巰基(-SH)之間的氫鍵，HCU對組織表面表現(xiàn)出很強(qiáng)的粘附性(圖3E，F(xiàn))。此外，固化的水凝膠塊在15天后完全溶解在PBS中(圖3G）。

圖3.HAMA/C.pyre/UCNPS(HCU)的制備與表征。A 原位光合作用系統(tǒng)的制備工藝及光交聯(lián)機(jī)理。B 激發(fā)波長為980 nm，功率密度為1.0W/cm²的NaCeF4：Yb，Tm，Zr(粉紅)晶體的吸收光譜和上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。C近紅外光固化HCU被10 mm厚度的雞肉覆蓋的照片。D 掃描電子顯微鏡圖像顯示HCU內(nèi)的銅綠假單胞菌(綠色)和UCNPs(黃色)。比例尺，10μm。E與各種基材表面的粘附性。F HCU凝膠的粘合機(jī)理。D HCU在PBS中的降解過程

（3）HCU的原位產(chǎn)氧能力

球形小球藻發(fā)出明亮的紅色熒光(圖4A)，表明小球藻在HCU中具有顯著的生物活性。用氧指示劑探針([Ru(DPP)3]Cl2，RDPP)可以檢測到小球藻產(chǎn)生氧氣。熒光強(qiáng)度的變化表明，在充足的光照條件下，小球藻溶液中的可溶性氧濃度增加，并在黑暗中降低(圖4B)，這表明小球藻完全具有進(jìn)行光合作用的活性。另外，用功率密度為1.0W/cm2的980 nm激光輻照C.pyre、HAMA/C.pyre(HC)和HAMA/C.pyre/UCNPs(HCU)，每隔2min測量體系中RDPP熒光強(qiáng)度的變化，共30min。正如預(yù)期的那樣，熒光強(qiáng)度逐漸減弱，驗(yàn)證了HCU(NIR)組中的C.pyre能夠有效地產(chǎn)生氧氣(圖4C)。

（4）HCU對缺氧微環(huán)境的逆轉(zhuǎn)作用

使用缺氧和葡萄糖剝奪(OGD)方法誘導(dǎo)心肌細(xì)胞缺氧(圖4D)。為了研究HCU對心肌細(xì)胞的影響，研究者使用RDPP探針評估了氧濃度的變化。在980 nm微米輻射下，HCU(NIR)處理的H9c2細(xì)胞的RDPP熒光強(qiáng)度顯著降低，表明HCU的光合氧產(chǎn)生能力(圖4E）。此外，通過免疫熒光法在體外評價(jià)了光合作用系統(tǒng)緩解低氧的能力。與常氧條件下相比，MI組的H9c2細(xì)胞顯示出明顯的低氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）的紅色熒光(圖4F)。相比之下，HCU(NIR)組的紅色熒光強(qiáng)度顯著降低，表明HCU先前具有緩解缺氧的作用(圖4F）。低氧激活了細(xì)胞內(nèi)的各種凋亡途徑。正如預(yù)期的那樣，HCU(近紅外)處理下調(diào)了低氧誘導(dǎo)的HIF-1α的蛋白表達(dá)水平，表明低氧微環(huán)境得到緩解(圖4I)。同時(shí)，抗凋亡蛋白Bcl2表達(dá)上調(diào)，并抑制線粒體細(xì)胞色素c的釋放?？沟蛲龅鞍證-Caspase3的表達(dá)下調(diào)，進(jìn)一步表明HCU(NIR)組caspase途徑的激活受到抑制(圖4I-M)。此外，利用流式細(xì)胞儀進(jìn)一步評價(jià)低氧誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡的治療效果(圖4N)。缺氧組心肌細(xì)胞凋亡率為23.91%，HCU(NIR)組心肌細(xì)胞凋亡率顯著下降至8.72%(圖4N，O)。提示HCU對缺氧誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡有明顯的抑制作用。

圖4.光合作用系統(tǒng)對心肌細(xì)胞耐缺氧能力和抗凋亡作用的驗(yàn)證。A亮場和熒光場的圖像。比例尺，5μm。B小球藻活性。C溶解含HCU溶液在不同處理?xiàng)l件下的O2水平變化。D 誘導(dǎo)心肌細(xì)胞缺氧的三維流程圖。E H9c2細(xì)胞經(jīng)不同處理后用RDPP探針染色的熒光圖像。F H9c2細(xì)胞經(jīng)不同處理后用HIF-1α抗體(紅色)和DAPI(藍(lán)色)染色的熒光圖像，比例尺：50μm。G熒光定量分析RDPP探針。H熒光定量分析HIF-1α。I 免疫印跡法檢測H9c2細(xì)胞中缺氧誘導(dǎo)因子-1、α、c-半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3和細(xì)胞色素c的表達(dá)水平。J-M對應(yīng)的蛋白表達(dá)定量直方圖。N流式細(xì)胞儀檢測不同處理后H9c2細(xì)胞的抗凋亡作用。O相應(yīng)的抗細(xì)胞凋亡率定量直方圖

（5）通過HCU恢復(fù)能量代謝

線粒體在為心肌組織提供能量方面起著至關(guān)重要的作用。賦予水凝膠線粒體保護(hù)特性是防止心肌缺血進(jìn)展的有效策略。用透射電子顯微鏡(TEM)評價(jià)心肌細(xì)胞線粒體的形態(tài)(圖5A)。與正常組相比，缺氧狀態(tài)下線粒體形態(tài)變圓，基質(zhì)密度降低。此外，脊骨明顯縮小、縮短，甚至完全消失，這表明線粒體受到了嚴(yán)重的損傷。與之形成鮮明對比的是，HCU(NIR)組(980 nm，1.0W/cm2)的線粒體呈棒狀，外膜光滑，內(nèi)膜折疊成不同長度的嵴，與正常線粒體非常相似(圖5B，C)。線粒體形態(tài)的恢復(fù)提示HCU可減輕缺氧所致的線粒體損傷。光生物調(diào)節(jié)(PBM)是一種通過上調(diào)細(xì)胞色素c氧化酶(CCO)活性來促進(jìn)三磷酸腺苷(ATP)合成的治療方法。在氧化磷酸化過程中，質(zhì)子泵通過運(yùn)輸質(zhì)子來建立跨膜潛力。線粒體膜電位的測量被用來評估呼吸鏈損傷的程度和能量代謝。不出所料，HCU(NIR)和HU(NIR)都能防止線粒體膜電位在低氧環(huán)境中的下降。與HU(NIR)組相比，HCU(NIR)組對線粒體膜電位下降的抑制作用更明顯(圖5D，H），說明產(chǎn)氧和光生物調(diào)節(jié)相結(jié)合對線粒體提供了更好的保護(hù)作用。為了驗(yàn)證光生物調(diào)節(jié)效應(yīng)，研究者測量了CCO的活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，HU(NIR)組和HCU(NIR)組的CCO活性增加，表明UCNP的UCL通過PBM提高了CCO的活性(圖5F）。然后評估HCU對細(xì)胞代謝的光可控效應(yīng)。在980 nm激光(1.0W/cm2)照射10min后，HU(NIR)組和Hcu(NIR)組的ATP水平均升高，而Hcu(NIR)組的ATP水平接近正常組(圖5e）。這些結(jié)果表明，原位供氧進(jìn)一步刺激了ATP的產(chǎn)生。

圖5.水凝膠的線粒體功能修復(fù)能力。A H9c2細(xì)胞的生物電子顯微鏡圖像顯示線粒體的形態(tài)變化，比例尺：500 nm。B、C線粒體的長度、寬度。D JC-1聚集體的三維熒光定量。E不同處理后的ATP倍數(shù)變化。F 不同處理后CCO活性倍數(shù)變化。G GATP/ADP倍數(shù)變化。H 正常組、缺氧組、NIR組(980 nm、1.0W、20min)、HC(HAMA/C.pyre)組、HC(NIR)組、HU(HAMA/UCNPs)組、HU(NIR)組、HCU(HAMA/C.pyre/UCNPs)組、HCU(NIR)組的H9c2細(xì)胞熒光圖像。標(biāo)尺，20μm

（6）HCU對活體心肌缺血的治療作用

為了評價(jià)HCU對心肌梗死(MI)的治療效果，我們用異丙腎上腺素(ISO，一種非選擇性β-腎上腺素能受體激動(dòng)劑)誘導(dǎo)小鼠心肌梗死(圖6A)。在ISO誘導(dǎo)后，小鼠的心電圖顯示ST段顯著抬高，病理性Q波加深，T波倒置，QRS時(shí)限延長(圖6B)。同時(shí)，超聲心動(dòng)圖顯示射血分?jǐn)?shù)(EF)和短軸縮短率(FS)顯著降低，表明MI模型誘導(dǎo)成功(圖6C)。然后將這些MI小鼠隨機(jī)分為三組：MI組、BB組(酒石酸美托洛爾；β1-腎上腺素能受體拮抗劑)和HCU(近紅外線)組。由于缺乏氧氣供應(yīng)，心肌梗死組的心功能在7天內(nèi)趨于下降(圖6C，D)。TTC染色用于進(jìn)一步評估MI模型中的梗塞范圍(圖6I)。梗死區(qū)Hcu(NIR)組由33.38%±6.69%降至3.20%±1.47%，與正常組相當(dāng)，優(yōu)于BB組(圖6I、N)。提示HCU可逆轉(zhuǎn)ISO所致的心肌損傷。應(yīng)用H&E和Masson染色評價(jià)不同治療方法對心肌修復(fù)的療效(圖6J)。心肌梗死組出現(xiàn)惡性的室壁重構(gòu)，如心肌纖維化和膠原沉積。此外，HCU還阻止了進(jìn)一步的梗塞擴(kuò)大和纖維化沉積，從而縮小了梗塞面積(圖6J和L-N)。這些結(jié)果表明，氧的產(chǎn)生和血管緊張素轉(zhuǎn)換酶可抑制心室重構(gòu)。此外，對免疫熒光染色進(jìn)行了分析。心肌梗死組HIF-1α呈鮮紅色熒光(圖6K)。值得注意的是，BB組和HCU(NIR)組的亮紅色熒光均顯著減少(圖6g)，表明供氧引起的心肌缺氧減輕。

圖6.光合作用系統(tǒng)對心肌缺血小鼠的體內(nèi)治療作用。A MI模型中動(dòng)物治療方案的示意圖。B小鼠誘導(dǎo)前(左)和誘導(dǎo)后(右)的心電圖。C不同治療組小鼠治療7d后的超聲心動(dòng)圖。D-G對不同時(shí)期的EF、FS、LVESV和LVESD進(jìn)行定量分析。H 彩色多普勒超聲檢測小鼠缺血心臟的典型圖像。I 不同組小鼠心臟的TTC染色。J Masson和H&E染色顯示不同組小鼠心臟切片的纖維組織(藍(lán)色)和心肌(紅色)三色染色，比例尺：100μm。K HIF-1α(紅色)和DAPI免疫染色(藍(lán)色)，比例尺：50μm，L-N定量分析膠原面積、纖維化區(qū)、梗死區(qū)

（7）HCU對心肌梗死影響的心臟轉(zhuǎn)錄分析

對6周齡KM小鼠心臟組織進(jìn)行RNA-seq分析(N：正常組；M：MI組；T：心肌內(nèi)注射HCU組)。RNA-SEQ分析發(fā)現(xiàn)心肌梗死后1331個(gè)基因的表達(dá)增加，134個(gè)基因的表達(dá)減少，而HCU處理的心臟中139個(gè)基因的表達(dá)增加，1550個(gè)基因的表達(dá)減少(圖7A，B)?；虮倔w論分析顯示，上調(diào)的基因富含在線粒體呼吸鏈復(fù)合體和ATP合成酶復(fù)合體中(圖7C，D)。與心肌梗死相比，經(jīng)HCU處理的心臟mt-ATP8(三磷酸腺苷合成酶)和mt-CO2(細(xì)胞色素c氧化酶)的mRNA水平顯著升高(圖7D)。對HCU處理的轉(zhuǎn)錄本數(shù)據(jù)集的分析顯示，能量代謝基因mt-ND5和mt-Atp8以及心肌收縮基因Trdn的表達(dá)增加(圖7D)。在HCU處理的小鼠中，增加了ATP的合成以及CCO的活性。此外，對HCU處理的心臟和MI心臟之間KEGG途徑豐富的GSEA分析顯示，在ATP形成、心肌收縮、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體和細(xì)胞凋亡的豐富方面存在顯著差異(圖7E)。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明，HCU治療導(dǎo)致線粒體氧化呼吸和心功能恢復(fù)的改善。最后，還觀察到炎癥相關(guān)基因如Igkc和Jchain的減少，表明HCU具有良好的生物相容性，與血清和H&E/Masson結(jié)果一致(圖7D)。這些結(jié)果提示，HCU誘導(dǎo)的能量代謝調(diào)節(jié)和心功能恢復(fù)。

圖7 HCU對心肌梗死影響的心臟轉(zhuǎn)錄學(xué)分析。A DEGS分布趨勢的火山圖(MI與正常)。B DEGS分布趨勢的火山圖(HCUvsMI)。C GO富集度分析。E GSEA分析心肌梗死與正常及HCU與心肌梗死形成過程中KEGG途徑的豐富