给心脏装上“菠菜充电宝”：中国科学家让衰竭心脏借光发电

一片菠菜叶，能把阳光变成能量；一颗衰竭的心脏，却连维持跳动的“电力”都捉襟见肘。如果把叶子里的发电机装进心肌细胞，会发生什么？

中国科学家把这个听上去像科幻的设想，搬进了实验室。

华中科技大学同济医学院附属协和医院的研究团队从菠菜中提取光合作用的核心部件，制成纳米颗粒注入大鼠心脏，再配合红光照射，让衰竭的心脏“借光发电”。

结果显示，接受治疗的心衰大鼠泵血功能明显改善，心肌纤维化和细胞异常肥大也有所减轻，相关成果发表在国际材料学期刊《Small》上。

研究人员将这套纳米光合系统形容为一块“生物电池”，可以通过光照来控制能量输出。

心脏的“能源危机”

心脏是人体最勤劳的器官，一天要跳动约10万次。支撑这份苦力的燃料是三磷酸腺苷（ATP），它被称为细胞的“能量货币”。

心肌细胞中的ATP主要由线粒体生产，线粒体就像一座座把营养转化为可用能量的小型发电厂。

心力衰竭发生时，这些发电厂往往运转失灵。能量供应跟不上，心肌就更加无力，形成恶性循环。

全球心衰患者超过6000万人，现有药物主要通过减轻心脏负荷、调节神经激素来延缓病情，却很难直接为“饥饿”的心肌补充能量。

既然心脏自己的发电厂不给力，能不能从外面“借”一座过来？

研究团队把目光投向了植物。

这个想法的妙处在于，光合作用和线粒体呼吸最终都汇聚到同一种产物上，那就是ATP。

给菠菜套上“心肌外衣”

植物也能生产ATP，而且靠的是光。负责这项工作的机器位于叶绿体中的类囊体膜上，它能在光照下把光能转化为化学能。

研究人员从菠菜中提取类囊体，将其打碎成纳米级颗粒。

但外来的植物材料很难被心肌细胞接纳，于是他们给颗粒穿上一件“伪装服”。

这件外衣取自心肌细胞自身的细胞膜。细胞往往更愿意接纳“看起来像自己人”的东西，体外实验证实，包膜颗粒被大鼠心肌细胞摄取的量明显多于未包膜的颗粒。

在红光激活下，处理过的细胞ATP水平显著上升。

在用药物诱导损伤和异常肥大的细胞中，光照后的纳米颗粒还帮助保护了线粒体结构，减少了有害活性氧的积累。

值得一提的是，这一思路并非凭空而来。2022年，浙江大学团队曾在《自然》发表研究，用类似的菠菜纳米类囊体修复退行性关节软骨细胞，为“植物光合跨界治病”开了先河。

当时该团队用软骨细胞膜包裹纳米类囊体，在小鼠骨关节炎模型中改善了细胞的能量与合成代谢。

此次华中科技大学团队将这一策略拓展到心脏，挑战的是一个能耗更高、病情更凶险的器官。

心脏开始“晒太阳”

为了验证整体疗效，研究人员通过手术缩窄大鼠主动脉，迫使心脏顶着更大的阻力泵血。久而久之，心脏逐渐肥大，功能下降，形成压力负荷型心衰模型。

主实验共设四组，每组6只大鼠，包括手术对照组、未治疗的心衰组，以及分别接受纳米颗粒加光照或仅接受纳米颗粒的心衰组。

治疗从术后第四周开始，研究人员每三天向心肌直接注射一次颗粒。光照组随后接受10分钟的胸壁外红色激光照射。

超声检查显示，同时接受颗粒和光照的大鼠，泵血功能明显优于未治疗的心衰大鼠。

它们的心肌瘢痕更少，心肌细胞的异常肥大也更轻。

关键在于，只注射颗粒而不照光的大鼠，泵血指标没有出现统计学意义上的改善。这说明真正起作用的是“颗粒加光”这一组合，光就是这块生物电池的开关。

选择红光也有讲究，叶绿素能吸收红光，而红光在生物组织中的穿透能力又比蓝光、绿光更强。

从大鼠到病床，还隔着几道墙

这项研究的亮点在于思路新颖，它不再只是给心脏减负，而是尝试直接为心肌“充电”。不过，距离临床应用仍有不少难关。

首先是递送问题。动物实验依靠直接向心肌注射，尚未证明经静脉注射的颗粒能以足够数量抵达心脏。

其次是光照问题。研究人员把约2毫米厚的大鼠胸壁组织覆盖在细胞上方，红光穿透后仍能提升ATP水平，但效果弱于直接照射。

人体胸壁远比大鼠厚，足够的光能否抵达人类心脏，目前仍是悬而未决的问题。

在临床实践中，或许需要借助导管、内窥镜或植入式光纤，才能把光精准送到心脏表面。

再次是持久性问题。持续光照下，植物来源的光合机器会逐渐丧失产生ATP的活性，每一剂能维持多久还有待研究。

此外，每组仅6只大鼠，样本量较小，长期安全性和免疫反应也需要更多数据支撑。

大鼠心脏与人类心脏在体积、心率和代谢上差异显著，动物模型的结果能否复现于人体，仍需大型动物实验和临床研究逐步验证。

针对这些挑战，团队提出可以开发凝胶或贴片，把颗粒固定在心脏表面并缓慢释放，减少反复注射的需要。

未来如果能结合可植入式微型光源或近红外光技术，“借光发电”或许有机会成为心衰治疗的辅助手段。

从菠菜叶到心肌细胞，这场跨越动植物界的能量借用，展示了合成生物学与纳米医学交汇的想象空间。它离病床还有很长的路，但已经为心衰治疗点亮了一盏新的灯。