2026-05-21 19:34
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本文来自微信公众号： 果壳 ，作者：黄雨佳，编辑：黎小球
或许很多人都曾有过这样的幻想：要是人也能像植物一样拥有叶绿体就好了。每天什么都不用做，只要找一片有阳光的地方躺下，舒舒服服晒一会儿太阳，就能靠光合作用攒够一整天的能量。
在新加坡国立大学的梁大卫副教授看来，这个听起来像玩笑的想法，未必只能停留在想象中。近日，他的团队在《细胞》[1]（Cell）上发表了一项研究。他们把植物叶绿体中负责光合作用的关键结构“类囊体”移植进了小鼠的眼睛。于是，这些小鼠每次睁开眼睛、光线照射进时，它们眼睛里的类囊体就会开始捕捉光能，甚至治疗一种目前正困扰数亿中国人的疾病——干眼症。
无论是叶绿体还是线粒体，这些经过数十亿年演化而成的细胞器都结构精巧且功能高效。作为一名研究纳米材料的科学家，梁大卫很清楚，以人类目前的技术，要从头制造出一个像细胞器这样复杂、稳定又高效的结构，仍然非常困难。
于是，他将目光投向了这些细胞器的起源。在线粒体和叶绿体诞生之初，它们原本都是自由生活的细菌。后来它们被真核细胞的祖先吞进细胞内，并逐渐变成了真核细胞的一部分。
线粒体和叶绿体逐渐变成了真核细胞的一部分丨Nano Banana 2
梁大卫开始设想：如果漫长的演化能把一个外来的生命结构变成细胞内部的“器官”，那么如今的科学家能否有意识地重演这一过程？与其从零开始制造一台完美机器，能否直接“偷”来那些早已被演化验证过的结构，将它们植入动物细胞，用来治疗疾病？
2021年，当梁大卫第一次提出这个设想时，目前已在新加坡国立大学担任博士后研究员的邢阔然刚刚进入他的课题组读博，这个听起来有些异想天开的主意很快击中了他。邢阔然也曾幻想过，假如有一天人能像植物那样依靠光合作用获得能量，会是一件多么奇妙的事。因此，他将目光放到了植物用于光合作用的场所叶绿体上：眼睛是人体最主动接收光线的器官之一，如果能把叶绿体放进眼睛，它能否派上用场呢？
也正是在那时，他们注意到了一种极其常见，却常常被低估的疾病：干眼症。
如果你也曾感到眼睛刺痛、干涩或怕光，那么这些都可能是干眼症的表现。对于重度干眼症患者而言，这种疾病会严重影响日常生活。在我国，干眼症的发病率超过了20%。
干眼症正变得越来越普遍，这与生活方式的改变密切相关。很多人一旦拿起手机，就会盯着屏幕看很久。人的注意力被屏幕吸引后，眨眼次数就会减少，覆盖在眼球表面的泪膜便更容易蒸发，眼睛也就越来越干，而电子屏幕发出的蓝光也会刺激眼睛。蓝光等刺激会让眼睛里产生一种名为“活性氧”（ROS）的物质，它的不断积累会引发炎症。隐形眼镜以及一些眼药水中的某些化学成分，也可能带来类似的影响。
可问题也随之而来。干眼症的核心是炎症，而叶绿体最擅长的事情是在阳光下勤勤恳恳地进行光合作用，把二氧化碳转化为能量物质。一个是眼睛里的炎症问题，一个是植物细胞的“太阳能工厂”，两者听上去几乎毫不相干。
把叶绿体放进眼睛里，究竟怎样才能治疗干眼症呢？
在叶绿体中，真正捕获光能的是一种名为“类囊体”的结构。它由一层层折叠的膜堆叠而成，在电子显微镜下，类囊体看上去就像一摞摞整齐码放的筹码，筹码堆之间又由细细的“膜桥”相连。
当阳光照射到类囊体上时，就会启动一条微型流水线。经过十多个环节之后，这条流水线最终会产生三样东西：氧气、细胞的“能量货币”ATP，以及一种重要的还原性物质——NADPH。
这让邢阔然看到了可能的突破口。干眼症的根源在于眼睛里的活性氧不断累积、引发炎症，而叶绿体在光合作用时产生的NADPH可以为细胞内许多清除活性氧的酶提供支持。
正常情况下，我们的细胞会不断产生少量活性氧，也会不断将它们清理掉，于是NADPH会不断被消耗，同时细胞又会制造出新的NADPH，让这套系统保持运转。但在干眼症等炎症状态下，活性氧越积越多，清除系统不得不加班加点地工作，NADPH也被大量消耗。为了补上缺口，细胞内合成NADPH的通路就要被迫全力运转。一旦这种状态长期持续，这条通路就可能受损。邢阔然形容道：“这就像发动机过载了一样。”
既然如此，能否把叶绿体通过光合作用产生NADPH的机制放进眼睛里呢？这样一来，只要睁开眼睛、光线照射，这套系统就能源源不断地为细胞清除活性氧提供NADPH。
可问题在于，叶绿体并不是只负责生产NADPH。完整的光合作用分为两步：当类囊体完成工作后，在类囊体之外，叶绿体还会消耗掉这些NADPH，用于将二氧化碳转化成葡萄糖。也就是说，如果把整个叶绿体放进眼睛，那么剩下来用于治疗干眼症的NADPH可能并不多。
“我们需要打开叶绿体，只保留其中的类囊体结构。”邢阔然指出。
这件事并不容易。早在上个世纪，叶绿体提取技术就已较为成熟。可要从叶绿体中完整地取出类囊体，还要把它处理到足够小，小到动物细胞能轻松摄取，则完全是另一回事。之前的一些研究方案为了把类囊体变小，通常会用超声破碎，或者让类囊体穿过特定孔径的膜，将它挤压成更小的颗粒。
邢阔然尝试后发现，经过这些处理的类囊体，光合作用的效率明显下降了。毕竟，类囊体膜上密集排列着一整套执行光反应的蛋白质，它们必须保持精确的位置和结构才能发挥作用。而一旦外力过于粗暴，类囊体就可能受损。
邢阔然又尝试了多种复杂工序，可结果总是不够理想。反复试错后，他想到了“奥卡姆剃刀原理”：如无必要，勿增实体。既然复杂方法行不通，那么不如反其道而行之。
最终，他找到了一种极为简单的方法。
邢阔然从菠菜汁中分离出了叶绿体。接着，他将叶绿体放进了一种渗透压较低的溶液。由于内外渗透压不同，叶绿体会不断吸水、膨胀，直到外膜被撑开，释放出其中的类囊体。
但这些类囊体彼此相连，整体尺度达到了几千纳米，对于哺乳动物细胞而言仍然过于庞大。为了让类囊体变得更小，邢阔然又向溶液中加入了一种高分子材料。它能温柔地“切断”一摞摞类囊体之间那些最脆弱的连接“桥梁”，并帮助类囊体维持相对完整的结构。
就这样，原本连成一大片的类囊体逐渐分开，变成一个个只有几百纳米大的、包裹进纳米材料的小型类囊体堆。长期研究纳米药物的邢阔然深知，这些来自植物的微型“太阳能装置”，终于真正具备了进入哺乳动物细胞的可能。
有了前期的突破后，他们联系了浙江大学医学院附属第二医院眼科中心的叶娟教授，希望能在动物乃至临床模型中验证。研究团队用生理盐水稀释类囊体颗粒，制成了一种特殊的滴眼液，滴在了患有干眼症的小鼠眼睛上。短短半个小时后，这些颗粒就成功进入了小鼠的角膜细胞，而且至少在使用滴眼液的8个小时后，这些类囊体仍然能在角膜细胞中勤恳地工作。
研究人员让这些小鼠每天使用两次滴眼液。经过连续5天的治疗，干眼症小鼠的症状就明显缓解，眼部状态几乎恢复到了健康小鼠的水平。他们对比后发现，类囊体滴眼液的治疗效果不仅与环孢素（目前临床上常用于治疗干眼症的药物）相当，甚至有些测试还优于环孢素。
经过连续5天的治疗，干眼症小鼠的症状就明显缓解丨Nano Banana 2
在邢阔然看来，这或许是因为两种方法解决问题的角度不一样。环孢素是一种免疫抑制剂，是通过局部抑制免疫反应来缓解症状，可能并不能真正修复角膜细胞内部长期存在的氧化应激状态。“而我们的方法，是在从更根本的角度来解决干眼症问题。”他说。
此外，类囊体滴眼液也比环孢素便宜得多。邢阔然介绍道，在新加坡，如果使用环孢素滴眼液，一个月大约需要一两千元人民币。而他们花1元钱购买的菠菜，就能提取出足够50名患者使用一个月的类囊体，总体的生产成本非常低。
这种低成本背后，其实也反映了类囊体滴眼液的高效。
最初设计实验时，邢阔然曾一度担心如果类囊体滴眼液是绿色的，滴进眼睛后可能会影响视力。但真正用在小鼠身上后，他们发现所需剂量远比想象中低。他们会将类囊体纳米颗粒配置成浓度极低的滴眼液使用，肉眼几乎看不出任何绿色。
在邢阔然看来，类囊体滴眼液之所以如此高效，是因为它更像一种催化剂。只要有光照，它就能在角膜细胞中持续产生新的NADPH，哪怕进入细胞的类囊体数量很少，它们也能源源不断地制造出远超自身数量的功能分子。当然，完整保留类囊体结构也至关重要，邢阔然说：“用我们的方法得到的类囊体，其活性和未经改造的类囊体几乎是一致的，光合作用效率非常高。”
更让邢阔然意外的是，哪怕类囊体只是停留在细胞外环境、并未进入角膜细胞，也能有效缓解干眼症状。他仔细研究后发现，类囊体本身就自带了一套抗氧化系统。
原来在植物光合作用过程中，叶绿体既需要利用光，同时又要防止强光带来的氧化伤害。于是经过漫长的演化，叶绿体也为自己配备了一套防护机制。而当这套机制来到角膜细胞表面时，就变成了一层天然的抗氧化屏障。
大自然早就把“利用光”和“抵御光带来的氧化压力”打包在了一起。这一点让邢阔然颇为感慨：“我也没想到，大自然历经演化产生的这套系统，竟然如此完美地适配我们的目标。”
梁大卫团队希望，这种来自植物的“光合作用滴眼液”，最终也能真正用于干眼症的临床治疗。
邢阔然透露，他们正在和叶娟教授团队合作申请临床试验。他说：“如果一切顺利的话，那么今年或者明年内，我们或许就能在新加坡和中国开展较大规模的患者招募和多中心测试了。”
在真正用于患者之前，他们已经用干眼症患者的泪液样本进行了模拟测试，类囊体纳米颗粒同样发挥了优秀的抗氧化效果。此外，他们也已经在动物实验中完成了长达两个月的安全性测试。结果显示，他们并未在小鼠血液中检测到游离的类囊体，也没有观察到明显的免疫排斥反应。
但一旦类囊体滴眼液真正用于患者，情况可能会复杂得多。人类患者的病程、眼部状态、用药反应不尽相同，所需的滴眼液剂量也与小鼠不同。类囊体是否仍然足够安全，还需要临床试验进一步验证。
新加坡国立大学研究团队人员，左起：博士生陈滢潞、研究员邢阔然博士、设计与工程学院化学与生物分子工程系梁大卫副教授、博士生达多尔（Glebert Cañete Dadol）、博士生童思烨｜图片来源：新加坡国立大学设计与工程学院
而另一个更现实的挑战，则是类囊体的储存问题。这种生物材料的一切活性都来自完整的结构，也因此格外脆弱。在实验室里，他们通常需要把类囊体分装后放入-80°C冰箱或液氮罐中，直到使用前才拿出来解冻。他坦言：“这可能是我们临床转化所面临的最主要的阻力，我们正在尝试解决它的常温储存问题。”
虽然距离真正用于临床仍有一段距离，尽管这种方法只囊括了光合作用的第一步，并不能让我们像植物那样只靠晒太阳就获得全部的能量，但在邢阔然看来，他们已经朝着最初那个天真而宏大的幻想迈出了重要的一小步。“至少我们给动物细胞植入了一个能发生‘有限光合作用’的‘新细胞器’。”他说。
从严格意义上说，这些进入角膜细胞的类囊体并不是真正的细胞器。它们并未真正整合进动物细胞自身的代谢网络，也不能像其他细胞器那样，在细胞中稳定复制并一代代传下去。但邢阔然认为，“这可能已经是一种新的生命形式，只不过它只能存在较短的时间。”
他们当然希望让类囊体在动物细胞内稳定存在，也正在尝试将更完整的叶绿体递送进细胞。其实，自然界中就存在这样的先例：一些海蛞蝓吃下藻类后，会“偷”走藻类的叶绿体，将其转运至自己背部细胞里，让叶绿体在那里稳定存在几个月，持续光合作用，为自己源源不断地提供能量。
这正是梁大卫团队未来的研究方向。邢阔然畅想道：“我们改造天然的细胞器，将它用于人类需要的地方。我相信，细胞器纳米科技将带领我们创造更多新的生命形式。”
参考文献
[1]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00469-1
