Microalgae-based photosynthetic strategy for oxygenating avascularised mouse brain tissue – An in vitro proof of concept study

基于微藻的光合作用策略為無血管小鼠腦組織供氧——體外概念研究證明

來源：Brain Research 1768 (2021) 147585

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究首次驗證微藻光合作用為腦組織供氧的可行性：

 

模型構(gòu)建：使用萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）**在無鎂人工腦脊液（no-Mg aCSF）中產(chǎn)氧，維持小鼠皮層切片功能。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

 

微藻光照下產(chǎn)氧速率達 0.4 mg/L/min，使aCSF氧濃度升至25 mg/L（滿足腦切片需求）；

 

微藻供氧組皮層切片的癲癇樣事件（SLE）活動（頻率、振幅、時長）與常規(guī)氧合組無差異（圖1, 圖2）；

 

 

 

無氧組SLE活動完全停止，證明微藻供氧必要性；

 

5小時暴露無毒性，且SLE活動增強（表1）。

 

核心結(jié)論：微藻光合作用可替代傳統(tǒng)氧合方式，為缺血腦組織提供新型氧供策略。

 

2. 研究目的

 

開發(fā)不依賴血管灌注的腦組織氧合方案，解決腦缺血治療難題：

 

驗證微藻在腦脊液環(huán)境中的產(chǎn)氧能力；

 

評估微藻供氧對腦組織功能的維持效果；

 

探索光合供氧在腦缺血治療中的轉(zhuǎn)化潛力。

 

3. 研究思路

 

體外模型驗證：

 

氧合能力測試：

 

萊茵衣藻在no-Mg aCSF中光照產(chǎn)氧，Unisense電極實時監(jiān)測氧濃度動態(tài)（方法3.3）。

 

腦切片功能評估：

 

急性暴露（30分鐘）：比較微藻供氧組、常規(guī)氧合組、無氧組的SLE活動（圖1, 圖2）；

 

長期暴露（5小時）：檢測微藻毒性及功能持續(xù)性（表1）；

 

 

氧分布分析：微電極掃描切片深度氧梯度（圖4）。

 

 

機制驗證：

 

光照對照組排除光效應(yīng)干擾（圖3）；

 

 

無鎂aCSF誘導(dǎo)SLE活動模擬神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

（1）微藻產(chǎn)氧效能（正文2.1）

 

數(shù)據(jù)：0.6 g/L藻生物量下，產(chǎn)氧速率0.4 mg/L/min，50分鐘內(nèi)達25 mg/L。

 

意義：首次證明微藻在腦脊液環(huán)境中可滿足腦組織氧需求（>18 mg/L）。

 

（2）腦切片功能維持（圖1, 圖2, 表1）

 

SLE活動：

 

微藻組：SLE頻率、振幅、時長與常規(guī)氧合組無差異；

 

無氧組：SLE活動完全抑制（圖2）；

 

5小時暴露：SLE活動增強（頻率↑20%，振幅↑15%），無毒性（表1）。

 

意義：微藻供氧可維持神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活性，且長期暴露具功能增益潛力。

 

（3）氧空間分布（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

微藻組切片中部氧濃度10.3 mg/L（高于常規(guī)氧合組6.9 mg/L）；

 

氧梯度顯示組織深部有效氧合（圖4a）。

 

意義：光合供氧克服擴散限制，實現(xiàn)三維氧分布優(yōu)化。

 

（4）排除干擾因素（圖3）

 

數(shù)據(jù)：單純光照不恢復(fù)無氧組SLE活動。

 

意義：證實微藻光合作用為氧合主因，非光生物效應(yīng)。

 

5. 核心結(jié)論

 

可行性驗證：萊茵衣藻在aCSF中光照產(chǎn)氧可滿足皮層切片代謝需求。

 

功能維持：微藻供氧維持SLE活動，效果等同常規(guī)氧合，且無急性/中期毒性。

 

轉(zhuǎn)化潛力：為缺血腦組織（如卒中半暗帶）提供無血管依賴的氧供新策略。

 

6. 丹麥Unisense電極（氧微傳感器）的研究意義

 

技術(shù)原理與優(yōu)勢：

 

安培法實時監(jiān)測：氧分子在電極表面還原產(chǎn)生電流信號 → μM級靈敏度 + 秒級分辨率（方法3.3）。

 

空間分辨率：微探針（<100 μm）可掃描組織深度氧梯度（圖4a）。

 

關(guān)鍵作用與科學(xué)價值：

 

量化光合氧合動力學(xué)：

 

直接測定微藻產(chǎn)氧速率（0.4 mg/L/min），明確達治療濃度時間（50分鐘）。

 

揭示氧三維分布（圖4）：

 

首次繪制腦切片內(nèi)氧空間梯度，證實光合供氧在深部組織的有效性（中部氧濃度10.3 mg/L）。

 

"Unisense數(shù)據(jù)證明：微藻供氧在切片中部的氧濃度反超常規(guī)氣泡氧合（10.3 vs. 6.9 mg/L），突破擴散限制難題。"

 

支撐機制模型：

 

氧梯度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)SLE活動 → 建立氧濃度-神經(jīng)元功能量化關(guān)系；

 

排除假陽性：無氧條件下光照無效（圖3），強化光合作用因果性。

 

領(lǐng)域貢獻：

 

突破終點法局限 → 實時動態(tài)監(jiān)測氧合過程；

 

為活體應(yīng)用提供參數(shù)依據(jù)（如所需藻密度、光照強度）。