医科大论文：光合作用及其模拟技术在人类疾病治疗中的应用

医科大论文：光合作用及其模拟技术在人类疾病治疗中的应用摘要：光合作用的深入研究和模拟极大地促进了人类社会的发展。本文简单总结提高光合作用效率、通过光合作用模拟及蓝藻基因工程改造生产清洁能源分别在粮食安全和生态文明建设中的作用，详细综述利用藻类光合作用生产氧气在心脏病、肿瘤、糖尿病慢性伤口愈合和中风等缺氧疾病治疗中的应用，以及模拟叶绿素光反应的光动力治疗技术在下肢炎症、肿瘤、动脉粥样硬化、皮肤病、口腔疾病、皮肤伤口愈合和年龄相关性黄斑变性等疾病治疗中的应用，为光合作用的拓展应用提供一定的参考。关键词：光合作用粮食安全生态文明疾病治疗光合作用是绿色植物、光合细菌和藻类等将光能转变为化学能的过程，包括光反应和暗反应。光反应包括ATP的合成和水的氧化分解，暗反应可以将二氧化碳（CO2）固定为碳水化合物。CO2是全球气候变暖的主要原因之一，提高光合作用效率，不仅可以增加作物产量，保障粮食安全，还可以减少碳排放，促进碳达峰与碳中和，利于生态文明建设。另外，藻类的光合作用可以原位产生氧气（O2），可用于人类疾病的治疗。光合作用模拟是指对光合系统中关键酶和电子吸收与传递链体系的模拟，可提供清洁能源。模拟叶绿素电子吸收和传递的光敏剂可以用于疾病的治疗，保护人类健康。因此，本文就光合作用在粮食安全和生态文明建设中的重要性进行简单总结，详细综述光合作用及其模拟技术在人类疾病治疗中的应用。一、光合作用与粮食安全和生态文明建设“中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手上”，“粮食安全是国家安全的重要基础”。提高粮食产量是保障粮食安全的一条主要途径。而提高光合作用效率是增加粮食产量的重要手段。通过合成生物学的手段对光合作用相关基因（如色素、捕光天线、电子传递体、碳同化限速酶等）的改造可以增加作物产量。增加光合有效光谱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，可以通过对光合作用的影响明显增加农作物产量。此外，在蓝藻中构建还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的额外消耗体系，可以显著增加光系统Ⅱ和光系统Ⅰ的活性，提高光合效率，促进农作物增产。“绿水青山就是金山银山”，大量植树造林可以增加CO2的消耗，减缓全球变暖，保护水资源和土地资源，增加生物多样性，利于构建人与自然和谐共处的环境，对大力推进生态文明建设，建设美丽中国非常重要。我国科学家对菠菜、豌豆、硅藻等植物的光系统Ⅱ及其复合物的结构进行了解析，对于光能的高效捕获和传递，人工光合作用的模拟具有非常重要的意义。光系统Ⅱ放氧中心（oxygenevolvingcentre，OEC）的晶体结构在2011年被解析，分子式为Mn4CaO5。2015年，我国科学家成功合成了Mn4Ca簇合物，获得了与OEC结构最接近的模拟物，为人工高效利用太阳能奠定了基础。对天线色素的模拟可以极大地提高太阳能电池捕光和能量转化效率。氢化酶的模拟也被用于水的光催化产氢。此外，“人工树叶”系统包含光敏剂、电子供体和电子受体，光照下可以将水裂解，产生H2。通过基因工程改造的蓝藻可以将CO2转化为生物燃料，生产清洁能源。总而言之，对光合作用光系统、OEC、氢化酶的模拟以及微生物的基因工程改造，可以为人类提供清洁能源，减少碳排放。二、光合作用在人类疾病治疗中的应用心脏病、肿瘤和中风等疾病的共同点是缺氧引起的组织损伤，而伤口在治疗过程中也容易造成O2缺乏。蓝藻和螺旋藻可以在动物模型中降低病变组织的CO2含量，原位产生O2。与传统输送O2的纳米药物相比，该方法具有更好的生物相容性和安全性，毒副作用小，给药方式多样。最重要的是藻类可以规模化生产，可再生，成本低，容易工程化改造，可减轻患者的经济负担，在心脏病、肿瘤、糖尿病慢性伤口愈合和中风等缺氧疾病的治疗方面具有很好的临床应用前景。2.1心脏病冠状动脉疾病是导致人类死亡的主要病因之一，虽然通过药物和血管重建可以降低死亡率，但幸存者也会因为血管灌注不足导致心衰。通过构建缺血再灌注心肌病大鼠模型，将蓝藻注射到模型大鼠的心脏，光照后发现大鼠心脏的氧含量、代谢和心脏功能明显增强，对心脏具有长期的保护作用，且蓝藻治疗不会引起病理性免疫反应，没有毒性。该研究为利用人工光合作用治疗人类心脏疾病提供了一个很好的方法。2.2肿瘤肿瘤靶向的磁性Fe3O4工程化螺旋藻具有很好的生物相容性，成本低，可以大规模生产。该螺旋藻通过光合作用在缺氧实体肿瘤中原位产生O2，可以调节肿瘤微环境，提高放疗的疗效。放疗的同时也会释放出叶绿素，作为光敏剂在光照下产生活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS），起到光动力治疗的作用，具有很好的肿瘤治疗效果。另外，该螺旋藻也被用于肿瘤治疗和肿瘤微环境的监测。2.3糖尿病慢性伤口糖尿病患者的伤口有可能发展为溃疡，O2对于伤口的愈合非常重要，目前的氧疗法治疗效果不理想。利用光合作用原位产生O2促进伤口愈合是一个很好的解决方案。含活性蓝藻的水凝胶贴片通过光合作用产生溶解氧，能高效渗透皮肤。该贴片可促进糖尿病小鼠体外细胞增殖、迁移和血管形成，促进慢性创面愈合和皮肤移植成活。该微藻凝胶贴剂不会引起免疫反应。据悉，该贴片已经完成了5位患者的临床试验，成功促进了糖尿病患者慢性伤口愈合，且没有发生不良反应事件。2.4中风缺氧是中风导致残疾和死亡的主要原因之一。体外研究发现，小鼠神经瘤细胞可以吸收蓝藻产生的O2，保护神经元细胞。体内实验表明，纳米材料将近红外光转化为可见光，促进蓝藻的光合作用，在模型小鼠脑内产生O2，增加血管生成，减少梗死，促进脑组织修复。中风小鼠的运动行为得到明显改善。三、光合作用模拟在人类疾病治疗中的应用光动力治疗（photodynamictherapy，PDT）是利用特定波长的光照射病变组织，激发光敏剂产生大量ROS，杀伤病变组织的一种新型疗法。光敏剂的作用类似于叶绿素，可以吸收特定波长的光，发生光化学或光物理反应。第1代光敏剂毒副作用大；第2代光敏剂纯度高、单线态氧产量高，对深层组织穿透效果好、副作用小；第3代光敏剂与脂蛋白、抗体、肿瘤表面标记分子等结合，具有很高的靶向性。光敏剂从结构上分为叶绿素类（二氢卟吩类）、卟啉类和酞菁类等衍生物。目前，光敏剂被用于下肢炎症、肿瘤、动脉粥样硬化、皮肤病、口腔疾病、皮肤伤口和年龄相关性黄斑变性等疾病的治疗。PDT具有广谱性、耐受性好、靶向性高、成本低等优势，临床应用前景广阔。3.1下肢炎症由叶绿素a、抗坏血酸和金纳米颗粒组成的光合作用模拟体系，在光照下可以产生H2，体外实验中降低了脂多糖诱导的巨噬细胞ROS和促炎因子的产生，体内实验中显著减轻了脂多糖诱导的小鼠下肢炎症，表明该模拟体系具有减轻小鼠下肢炎症中氧化应激的能力。3.2肿瘤肿瘤是造成人类死亡的主要疾病之一，目前治疗肿瘤的方法主要有手术、放疗、化疗、免疫治疗等。PDT具有毒性低、选择性消灭肿瘤细胞、治疗费用低等优点。纳米尺寸的光敏剂输送载体可以提高治疗效果，减少传统PDT的副作用。可以结合肿瘤组织的特点，如酸性环境，设计靶向性更好的光敏剂。光敏剂靶向肿瘤组织后，经光照刺激产生大量ROS，导致肿瘤细胞凋亡、坏死、自噬和免疫原性细胞死亡，从而起到消灭肿瘤的作用。目前，在临床上，癌前角化病皮肤病变和一些非黑色素瘤皮肤癌通常使用PDT治疗。此外，一些实体肿瘤，如食道癌、肺癌和前列腺癌，已被证明是PDT的可行靶点。PDT也是其他器官肿瘤治疗的选择，也可以联合其他治疗方法，为患者提供更好的疗效。3.3动脉粥样硬化急性冠状动脉综合征是由易损动脉粥样硬化斑块的破裂或侵蚀引起的继发性血小板活化和血栓形成引起，可以导致冠状动脉管腔部分或完全阻塞，是一种高发病和高死亡疾病。大多数基于卟啉的光敏剂可以选择性积累在动脉粥样硬化斑块中，且苯卟啉衍生物与低密度脂蛋白联合可增强兔动脉粥样硬化斑块中苯卟啉衍生物的摄取选择性。在兔和猪模型中，不同光敏剂介导的PDT均能稳定和消退动脉粥样硬化斑块，起到很好的治疗效果。另外，PDT也可以预防再狭窄的发生。小规模临床试验也证明了PDT的安全性和有效性，但还需要更大规模的临床研究。3.4皮肤病PDT已经用于光化性角化病、原位鳞状细胞癌和浅表基底细胞癌的治疗，具有很好的清除率和美容效果，也成功地用于痤疮、毛囊炎、硬化性苔藓、静脉溃疡和病毒性疣等炎症性和感染性皮肤病的治疗。PDT安全且耐受性良好，常见的不良反应是局部疼痛。随着日光PDT的出现，这种疗法为患有顽固性皮肤病的患者提供了一种替代方法。3.5口腔疾病口腔疾病，如蛀牙、牙周病、牙髓感染等，是由病毒和细菌引起，对患者的生活品质有很大的影响。由于大多数光敏剂是疏水的，抗菌PDT对口腔传染病的治疗效果较差，新型纳米技术的发展将疏水光敏剂靶向递送到微生物中，提高了抗菌PDT的抗菌性能。目前，已有商品化的光敏剂用于口腔疾病的临床治疗，但是，纳米材料的生物利用度和安全性还需要更多的研究。抗菌PDT已经用于口腔疾病的治疗，且效果良好。3.6皮肤伤口PDT已经用于皮肤伤口的治疗，包括慢性溃疡、基底细胞癌、术后病变或术后瘢痕、皮肤利什曼病、伤口切除、光化性唇炎等。用于伤口愈合的光敏剂主要是第2代光敏剂，使用的光源有激光和LED光源。PDT提高了皮肤创面愈合效果，伤口中可能存在的微生物制剂的光解作用对愈合过程的成功起到了重要作用。3.7年龄相关性黄斑变性年龄相关性黄斑变性（age-relatedmaculardegeneration，AMD）是一种不可逆的慢性退行性疾病，多见于55岁以上人群。PDT只能维持视力的相对稳定，延缓黄斑变性病变，但不能明显提高视力。PDT联合兰尼单抗治疗可以减少单抗的注射次数，减轻患者经济负担。最近研究发现，玻璃体内注射单抗联合PDT可以有效改善视力，减少中央黄斑厚度和黄斑变性面积，治疗效果持久，患者可耐受，值得临床推广。四、展望光合作用为人类生活提供了必需的O2和能量，提高光合作用效率可以确保粮食安全。目前，利用太阳能、CO2和