变废为宝！从“水葫芦”中，挖掘出一篇Nature大子刊！

将入侵植物“变废为宝”——光合微球为糖尿病伤口愈合提供绿色疗法

糖尿病已成为全球第八大死亡和致残原因，目前有4.22亿人受该疾病影响，每年导致150万人死亡。预计到2050年，全球患病率将超过13.1亿。慢性糖尿病伤口是这一负担的主要驱动因素之一，长期的缺氧和持续的炎症反应导致患者承受巨大痛苦，生活质量下降，下肢截肢风险升高。目前临床干预手段尚不统一，迫切需要一种普遍有效且可规模化的治疗策略。

近日，温州医科大学沈建良研究员、纪建松教授和钱宇娜研究员合作，报告了一种创新的绿色治疗策略：研究人员从入侵水生植物——凤眼莲（俗称水葫芦）中提取完整的叶绿体，通过微流控技术制备成光合微球，用于慢性糖尿病伤口的修复。这种名为“代谢调节微球”的生物工程平台，将生态修复与可持续医疗相结合，为再生医学提供了全新的框架。相关内容以“Upcycling plant biomass into photosynthetic microspheres for diabetic wound healing”为题，发表在《Nature Sustainability》。

研究团队开发了三种类型的微球：负载二甲双胍的内源性调节微球、负载水葫芦叶绿体的外源性光合产氧微球，以及两者联合的融合微球。这些微球直径在50-130微米之间，通过海藻酸钙离子交联形成。实验显示，微球可持续产氧达3周之久，有效缓解局部缺氧并恢复氧化还原平衡。在小鼠和猪的糖尿病伤口模型中，该疗法抑制炎症、促进血管生成、加速再上皮化，实现了适应性组织再生。研究揭示，廉价入侵水生生物质可升级为先进治疗性生物材料，为下一代再生医学提供了可扩展且可持续的框架。

研究人员首先从水葫芦中提取了叶绿体，其粒径约为2微米（图1b）。蛋白质组学结果显示，这些叶绿体保留了光合作用所需的蛋白组分，京都基因与基因组百科全书富集分析表明66种蛋白主要与能量代谢相关，包括光合作用、氧化磷酸化和碳固定等通路（图1c）。通过微流控技术和钙离子交联，团队制备了三种微球，这些微球具有良好的机械稳定性和自愈合能力（图1d）。叶绿体在微球中均匀分布，使其呈现绿色（图1e）。

研究团队利用Ru(dpp)₃Cl₂探针证实了微球的产氧能力——该探针在氧气存在下荧光会减弱（图1f）。显微镜下可直接观察到氧气泡的产生（图1g）。微球的产氧量与叶绿体浓度呈正相关，40 mg/ml为最佳浓度（图1h）。过高浓度的海藻酸钠会损害产氧能力，因此4%海藻酸钠水凝胶被选为最优载体（图1i）。微球在多次光-暗循环中展现出相似的产氧曲线，表明其可重复使用性和可持续性（图1j）。在4°C黑暗条件下储存21天后，微球的最大产氧量并未下降，说明其能维持叶绿体的光合活性（图1k）。研究还检测了微球在反应缓冲液中的ATP产量（图1l），这些ATP可作为细胞增殖和迁移的直接能量来源。在细胞与微球的共培养模型中（图1m），MRM-M和MRM-EX处理显著减弱了缺氧诱导的HIF-1α上调（图1n）。

图1 | 微球的制备与表征。 a. 三种微球的制备示意图：MRM-END（负载二甲双胍）、MRM-EX（负载叶绿体）和MRM-M（负载两者）。b. 提取的叶绿体的透射电镜图像。c. 叶绿体光合作用相关蛋白的示意图。d. 微球的扫描电镜图像。e. 显示叶绿体在微球中均匀分布的三维荧光图像。f. 使用Ru(dpp)₃Cl₂探针验证微球产氧的共聚焦图像。g. 显微镜下直接观察到的微球表面氧气泡。h. 不同叶绿体浓度下微球的相对产氧量比较。i. 不同海藻酸钠浓度下微球的相对产氧量比较。j. 微球在光照和无光照条件下的溶解氧产生量比较。k. 4°C储存7天、14天和21天后微球的相对产氧量比较。l. 光照0分钟、30分钟和60分钟后微球中叶绿体的ATP生成量。m. 细胞与微球在光照下共培养模型的示意图。n. RAW 264.7细胞与微球共培养并在红光照射后的HIF-1α免疫荧光图像（绿色），DAPI染色显示细胞核（蓝色），比例尺20 μm。

微球对巨噬细胞极化的影响评估显示，各微球处理组的CD206和Arg-1表达显著升高，而CD86和MHC-II表达降低，其中MRM-M组效果最显著，表明巨噬细胞向抗炎表型转变（图2b）。细胞因子分析显示，在MRM-EX和MRM-M组中，M1相关细胞因子TNF减少，M2相关细胞因子IL-10和TGF-β1增加（图2c、d）。在巴马小型猪糖尿病伤口模型中，MRM-M组在21天时伤口面积仅剩余25.86%，而3M敷料组为49.61%（图2f、g）。在糖尿病小鼠模型中，MRM-M组在第7天伤口闭合率达75.44%（图2h）。免疫组织化学染色显示，MRM处理组CD206表达增强，CD86表达减少（图2h）。第7天的细胞因子检测发现，光照下MRM-M处理的伤口中TNF显著降低、TGF-β1升高（图2i）。乳酸检测显示MRM-M组组织中乳酸降幅最大（图2j）。

图2 | 微球的体内治疗效果。 a. M1型和M2型巨噬细胞释放细胞因子的示意图。b. RAW 264.7细胞在光照下CD86（绿色）、MHC-II（红色）、CD206（绿色）和Arg-1（红色）的免疫荧光图像，比例尺10 μm。c. TGF-β1、TNF和IL-10的ELISA分析结果。d. RAW 264.7细胞iNOS和Arg-1 mRNA表达的倍数变化。e. 小型猪背部皮肤MRM治疗的建模步骤示意图。f、g. 小型猪伤口在第0、7、14、21天的代表性宏观图像及伤口面积定量分析。h. 小鼠伤口组织HIF-1α、CD86和CD206的免疫组织化学染色。i. 伤口组织中TGF-β1和TNF的ELISA检测。j. 缺氧和炎症刺激的RAW 264.7细胞经MRM治疗24小时后细胞外乳酸量。

单细胞RNA测序分析显示，PBS组免疫细胞以中性粒细胞为主，而MRM-M组转变为以巨噬细胞为主（图3a、b）。富集分析表明，MRM-M下调了炎症相关通路，包括MAPK信号通路、NF-κB信号通路和HIF-1信号通路，同时上调氧化磷酸化相关基因、下调糖酵解基因（图3c）。加权基因共表达网络分析发现MRM-M处理中富集了NF-κB和MAPK通路以及碳代谢和氧化磷酸化通路（图3d、e）。代谢组学分析验证了糖酵解/糖异生等通路的富集（图3g）。线粒体呼吸功能检测显示，MRM-M处理显著增强了巨噬细胞的线粒体呼吸能力（图3f）。糖酵解相关基因GLUT1、HK2和PFKFB3在MRM-EX和MRM-M组中表达降低（图3h）。研究人员还发现，MRM处理的巨噬细胞通过免疫荧光染色、蛋白免疫印迹和流式细胞术验证均表现出更高水平的Pan Kla和H3K18la（图3j、k）。MRM-M组中糖酵解和磷酸戊糖途径相关基因下调，OXPHOS相关基因上调（图3l）。

图3 | 微球治疗的免疫代谢重编程机制。 a. 巨噬细胞亚群的UMAP降维图。b. PBS组和MRM-M组中不同巨噬细胞亚群的比例。c. MRM-M与PBS组相比的KEGG通路富集分析。d、e. 加权基因共表达网络分析鉴定与MRM-M治疗相关的基因模块。f. 巨噬细胞的耗氧率和细胞外酸化率检测。g. 代谢组学通路富集分析。h. 糖酵解相关基因表达的RT-qPCR验证。i. 缺氧和炎症刺激的RAW 264.7细胞经MRM治疗24小时后的细胞外和细胞内乳酸量。j. RAW 264.7细胞经不同治疗后Pan Kla和H3K18la蛋白的蛋白免疫印迹分析。k. 流式细胞术检测Pan Kla阳性细胞百分比。l. MRM-M与MRM-EX、MRM-EX与PBS、MRM-M与PBS组中PPP、糖酵解和OXPHOS相关通路基因的log2倍数变化。m. 微球疗法诱导代谢重编程从而促进巨噬细胞向抗炎反应免疫重编程的示意图。

从可持续性评估来看，传统临床氧疗需要固定设备和高成本高压氧舱，而本研究中的微球系统采用可持续制造技术，微流控技术最小化了能耗，无需高温高压或化学合成反应，光控释放疗法不限定地点，无需复杂操作，提升了医疗效果并降低了医疗支出（图4a、b）。安全性评估方面，血常规、器官切片和皮下埋植实验均证实MRM-M疗法不会引发系统炎症反应，无器官毒性，无明显异物反应（图4d）。研究的局限性在于未优化材料的低温保存条件，未来需改造叶绿体以使其无需低温储存，从而提高敷料的便携性。

图4 | 可持续性评估。 a. MRM-M敷料、3M敷料和高压氧治疗的性能检测对比（1差、2一般、3好、4优秀）。b. MRM疗法促进经济、健康和资源可持续回收的示意图。c. 不同氧气条件下细胞代谢模式的示意图。d. MRM-M治疗对糖尿病小鼠的血常规影响及主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的H&E染色。

总结与展望

本研究提出了一种基于叶绿体的免疫代谢重编程策略，用于实现可持续的糖尿病伤口治愈。该方法制备过程简便且成本低廉，即使在资源有限的临床环境中也能实现出色的愈合效果。这项研究为利用现有资源提供糖尿病伤口治疗、实现最佳健康收益提供了新的见解。通过将入侵植物水葫芦这一生态问题转化为医疗资源，研究团队展示了生物质高值化利用与再生医学结合的无限可能，为全球糖尿病慢性并发症的负担缓解提供了兼具成本效益和可持续性的新范式。