醫(yī)科大論文：光合作用及其模擬技術(shù)在人類疾病治療中的應(yīng)用

醫(yī)科大論文：光合作用及其模擬技術(shù)在人類疾病治療中的應(yīng)用摘要：光合作用的深入研究和模擬極大地促進(jìn)了人類社會(huì)的發(fā)展。本文簡(jiǎn)單總結(jié)提高光合作用效率、通過光合作用模擬及藍(lán)藻基因工程改造生產(chǎn)清潔能源分別在糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)中的作用，詳細(xì)綜述利用藻類光合作用生產(chǎn)氧氣在心臟病、腫瘤、糖尿病慢性傷口愈合和中風(fēng)等缺氧疾病治療中的應(yīng)用，以及模擬葉綠素光反應(yīng)的光動(dòng)力治療技術(shù)在下肢炎癥、腫瘤、動(dòng)脈粥樣硬化、皮膚病、口腔疾病、皮膚傷口愈合和年齡相關(guān)性黃斑變性等疾病治療中的應(yīng)用，為光合作用的拓展應(yīng)用提供一定的參考。關(guān)鍵詞：光合作用糧食安全生態(tài)文明疾病治療光合作用是綠色植物、光合細(xì)菌和藻類等將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的過程，包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)。光反應(yīng)包括ATP的合成和水的氧化分解，暗反應(yīng)可以將二氧化碳（CO2）固定為碳水化合物。CO2是全球氣候變暖的主要原因之一，提高光合作用效率，不僅可以增加作物產(chǎn)量，保障糧食安全，還可以減少碳排放，促進(jìn)碳達(dá)峰與碳中和，利于生態(tài)文明建設(shè)。另外，藻類的光合作用可以原位產(chǎn)生氧氣（O2），可用于人類疾病的治療。光合作用模擬是指對(duì)光合系統(tǒng)中關(guān)鍵酶和電子吸收與傳遞鏈體系的模擬，可提供清潔能源。模擬葉綠素電子吸收和傳遞的光敏劑可以用于疾病的治療，保護(hù)人類健康。因此，本文就光合作用在糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)中的重要性進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)，詳細(xì)綜述光合作用及其模擬技術(shù)在人類疾病治療中的應(yīng)用。一、光合作用與糧食安全和生態(tài)文明建設(shè)“中國人的飯碗任何時(shí)候都要牢牢端在自己手上”，“糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)”。提高糧食產(chǎn)量是保障糧食安全的一條主要途徑。而提高光合作用效率是增加糧食產(chǎn)量的重要手段。通過合成生物學(xué)的手段對(duì)光合作用相關(guān)基因（如色素、捕光天線、電子傳遞體、碳同化限速酶等）的改造可以增加作物產(chǎn)量。增加光合有效光譜也可以提高光合作用效率。在可溶性稀土含量低的土壤施加稀土肥料，可以通過對(duì)光合作用的影響明顯增加農(nóng)作物產(chǎn)量。此外，在藍(lán)藻中構(gòu)建還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的額外消耗體系，可以顯著增加光系統(tǒng)Ⅱ和光系統(tǒng)Ⅰ的活性，提高光合效率，促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)?！熬G水青山就是金山銀山”，大量植樹造林可以增加CO2的消耗，減緩全球變暖，保護(hù)水資源和土地資源，增加生物多樣性，利于構(gòu)建人與自然和諧共處的環(huán)境，對(duì)大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，建設(shè)美麗中國非常重要。我國科學(xué)家對(duì)菠菜、豌豆、硅藻等植物的光系統(tǒng)Ⅱ及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析，對(duì)于光能的高效捕獲和傳遞，人工光合作用的模擬具有非常重要的意義。光系統(tǒng)Ⅱ放氧中心（oxygenevolvingcentre，OEC）的晶體結(jié)構(gòu)在2011年被解析，分子式為Mn4CaO5。2015年，我國科學(xué)家成功合成了Mn4Ca簇合物，獲得了與OEC結(jié)構(gòu)最接近的模擬物，為人工高效利用太陽能奠定了基礎(chǔ)。對(duì)天線色素的模擬可以極大地提高太陽能電池捕光和能量轉(zhuǎn)化效率。氫化酶的模擬也被用于水的光催化產(chǎn)氫。此外，“人工樹葉”系統(tǒng)包含光敏劑、電子供體和電子受體，光照下可以將水裂解，產(chǎn)生H2。通過基因工程改造的藍(lán)藻可以將CO2轉(zhuǎn)化為生物燃料，生產(chǎn)清潔能源?？偠灾瑢?duì)光合作用光系統(tǒng)、OEC、氫化酶的模擬以及微生物的基因工程改造，可以為人類提供清潔能源，減少碳排放。二、光合作用在人類疾病治療中的應(yīng)用心臟病、腫瘤和中風(fēng)等疾病的共同點(diǎn)是缺氧引起的組織損傷，而傷口在治療過程中也容易造成O2缺乏。藍(lán)藻和螺旋藻可以在動(dòng)物模型中降低病變組織的CO2含量，原位產(chǎn)生O2。與傳統(tǒng)輸送O2的納米藥物相比，該方法具有更好的生物相容性和安全性，毒副作用小，給藥方式多樣。最重要的是藻類可以規(guī)模化生產(chǎn)，可再生，成本低，容易工程化改造，可減輕患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，在心臟病、腫瘤、糖尿病慢性傷口愈合和中風(fēng)等缺氧疾病的治療方面具有很好的臨床應(yīng)用前景。2.1心臟病冠狀動(dòng)脈疾病是導(dǎo)致人類死亡的主要病因之一，雖然通過藥物和血管重建可以降低死亡率，但幸存者也會(huì)因?yàn)檠芄嘧⒉蛔銓?dǎo)致心衰。通過構(gòu)建缺血再灌注心肌病大鼠模型，將藍(lán)藻注射到模型大鼠的心臟，光照后發(fā)現(xiàn)大鼠心臟的氧含量、代謝和心臟功能明顯增強(qiáng)，對(duì)心臟具有長(zhǎng)期的保護(hù)作用，且藍(lán)藻治療不會(huì)引起病理性免疫反應(yīng)，沒有毒性。該研究為利用人工光合作用治療人類心臟疾病提供了一個(gè)很好的方法。2.2腫瘤腫瘤靶向的磁性Fe3O4工程化螺旋藻具有很好的生物相容性，成本低，可以大規(guī)模生產(chǎn)。該螺旋藻通過光合作用在缺氧實(shí)體腫瘤中原位產(chǎn)生O2，可以調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境，提高放療的療效。放療的同時(shí)也會(huì)釋放出葉綠素，作為光敏劑在光照下產(chǎn)生活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS），起到光動(dòng)力治療的作用，具有很好的腫瘤治療效果。另外，該螺旋藻也被用于腫瘤治療和腫瘤微環(huán)境的監(jiān)測(cè)。2.3糖尿病慢性傷口糖尿病患者的傷口有可能發(fā)展為潰瘍，O2對(duì)于傷口的愈合非常重要，目前的氧療法治療效果不理想。利用光合作用原位產(chǎn)生O2促進(jìn)傷口愈合是一個(gè)很好的解決方案。含活性藍(lán)藻的水凝膠貼片通過光合作用產(chǎn)生溶解氧，能高效滲透皮膚。該貼片可促進(jìn)糖尿病小鼠體外細(xì)胞增殖、遷移和血管形成，促進(jìn)慢性創(chuàng)面愈合和皮膚移植成活。該微藻凝膠貼劑不會(huì)引起免疫反應(yīng)。據(jù)悉，該貼片已經(jīng)完成了5位患者的臨床試驗(yàn)，成功促進(jìn)了糖尿病患者慢性傷口愈合，且沒有發(fā)生不良反應(yīng)事件。2.4中風(fēng)缺氧是中風(fēng)導(dǎo)致殘疾和死亡的主要原因之一。體外研究發(fā)現(xiàn)，小鼠神經(jīng)瘤細(xì)胞可以吸收藍(lán)藻產(chǎn)生的O2，保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，納米材料將近紅外光轉(zhuǎn)化為可見光，促進(jìn)藍(lán)藻的光合作用，在模型小鼠腦內(nèi)產(chǎn)生O2，增加血管生成，減少梗死，促進(jìn)腦組織修復(fù)。中風(fēng)小鼠的運(yùn)動(dòng)行為得到明顯改善。三、光合作用模擬在人類疾病治療中的應(yīng)用光動(dòng)力治療（photodynamictherapy，PDT）是利用特定波長(zhǎng)的光照射病變組織，激發(fā)光敏劑產(chǎn)生大量ROS，殺傷病變組織的一種新型療法。光敏劑的作用類似于葉綠素，可以吸收特定波長(zhǎng)的光，發(fā)生光化學(xué)或光物理反應(yīng)。第1代光敏劑毒副作用大；第2代光敏劑純度高、單線態(tài)氧產(chǎn)量高，對(duì)深層組織穿透效果好、副作用??；第3代光敏劑與脂蛋白、抗體、腫瘤表面標(biāo)記分子等結(jié)合，具有很高的靶向性。光敏劑從結(jié)構(gòu)上分為葉綠素類（二氫卟吩類）、卟啉類和酞菁類等衍生物。目前，光敏劑被用于下肢炎癥、腫瘤、動(dòng)脈粥樣硬化、皮膚病、口腔疾病、皮膚傷口和年齡相關(guān)性黃斑變性等疾病的治療。PDT具有廣譜性、耐受性好、靶向性高、成本低等優(yōu)勢(shì)，臨床應(yīng)用前景廣闊。3.1下肢炎癥由葉綠素a、抗壞血酸和金納米顆粒組成的光合作用模擬體系，在光照下可以產(chǎn)生H2，體外實(shí)驗(yàn)中降低了脂多糖誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞ROS和促炎因子的產(chǎn)生，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中顯著減輕了脂多糖誘導(dǎo)的小鼠下肢炎癥，表明該模擬體系具有減輕小鼠下肢炎癥中氧化應(yīng)激的能力。3.2腫瘤腫瘤是造成人類死亡的主要疾病之一，目前治療腫瘤的方法主要有手術(shù)、放療、化療、免疫治療等。PDT具有毒性低、選擇性消滅腫瘤細(xì)胞、治療費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。納米尺寸的光敏劑輸送載體可以提高治療效果，減少傳統(tǒng)PDT的副作用?？梢越Y(jié)合腫瘤組織的特點(diǎn)，如酸性環(huán)境，設(shè)計(jì)靶向性更好的光敏劑。光敏劑靶向腫瘤組織后，經(jīng)光照刺激產(chǎn)生大量ROS，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡、壞死、自噬和免疫原性細(xì)胞死亡，從而起到消滅腫瘤的作用。目前，在臨床上，癌前角化病皮膚病變和一些非黑色素瘤皮膚癌通常使用PDT治療。此外，一些實(shí)體腫瘤，如食道癌、肺癌和前列腺癌，已被證明是PDT的可行靶點(diǎn)。PDT也是其他器官腫瘤治療的選擇，也可以聯(lián)合其他治療方法，為患者提供更好的療效。3.3動(dòng)脈粥樣硬化急性冠狀動(dòng)脈綜合征是由易損動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的破裂或侵蝕引起的繼發(fā)性血小板活化和血栓形成引起，可以導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈管腔部分或完全阻塞，是一種高發(fā)病和高死亡疾病。大多數(shù)基于卟啉的光敏劑可以選擇性積累在動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中，且苯卟啉衍生物與低密度脂蛋白聯(lián)合可增強(qiáng)兔動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中苯卟啉衍生物的攝取選擇性。在兔和豬模型中，不同光敏劑介導(dǎo)的PDT均能穩(wěn)定和消退動(dòng)脈粥樣硬化斑塊，起到很好的治療效果。另外，PDT也可以預(yù)防再狹窄的發(fā)生。小規(guī)模臨床試驗(yàn)也證明了PDT的安全性和有效性，但還需要更大規(guī)模的臨床研究。3.4皮膚病PDT已經(jīng)用于光化性角化病、原位鱗狀細(xì)胞癌和淺表基底細(xì)胞癌的治療，具有很好的清除率和美容效果，也成功地用于痤瘡、毛囊炎、硬化性苔蘚、靜脈潰瘍和病毒性疣等炎癥性和感染性皮膚病的治療。PDT安全且耐受性良好，常見的不良反應(yīng)是局部疼痛。隨著日光PDT的出現(xiàn)，這種療法為患有頑固性皮膚病的患者提供了一種替代方法。3.5口腔疾病口腔疾病，如蛀牙、牙周病、牙髓感染等，是由病毒和細(xì)菌引起，對(duì)患者的生活品質(zhì)有很大的影響。由于大多數(shù)光敏劑是疏水的，抗菌PDT對(duì)口腔傳染病的治療效果較差，新型納米技術(shù)的發(fā)展將疏水光敏劑靶向遞送到微生物中，提高了抗菌PDT的抗菌性能。目前，已有商品化的光敏劑用于口腔疾病的臨床治療，但是，納米材料的生物利用度和安全性還需要更多的研究?？咕鶳DT已經(jīng)用于口腔疾病的治療，且效果良好。3.6皮膚傷口PDT已經(jīng)用于皮膚傷口的治療，包括慢性潰瘍、基底細(xì)胞癌、術(shù)后病變或術(shù)后瘢痕、皮膚利什曼病、傷口切除、光化性唇炎等。用于傷口愈合的光敏劑主要是第2代光敏劑，使用的光源有激光和LED光源。PDT提高了皮膚創(chuàng)面愈合效果，傷口中可能存在的微生物制劑的光解作用對(duì)愈合過程的成功起到了重要作用。3.7年齡相關(guān)性黃斑變性年齡相關(guān)性黃斑變性（age-relatedmaculardegeneration，AMD）是一種不可逆的慢性退行性疾病，多見于55歲以上人群。PDT只能維持視力的相對(duì)穩(wěn)定，延緩黃斑變性病變，但不能明顯提高視力。PDT聯(lián)合蘭尼單抗治療可以減少單抗的注射次數(shù)，減輕患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。最近研究發(fā)現(xiàn)，玻璃體內(nèi)注射單抗聯(lián)合PDT可以有效改善視力，減少中央黃斑厚度和黃斑變性面積，治療效果持久，患者可耐受，值得臨床推廣。四、展望光合作用為人類生活提供了必需的O2和能量，提高光合作用效率可以確保糧食安全。目前，利用太陽能、CO2和