微藻:有望成为医学领域的“万金油”

微藻是一种个体微小、结构简单的植物。随着生物技术的发展，我们可以在食品、生物医药、材料、环保、能源，甚至航空航天等领域看到它的身影。微小的微藻有什么技能才能让它在各个领域表现出色？围绕这一问题，BioEdition今日推出“微藻的巨大用途”系列报道，为您展示微藻的“十八般武艺”。

简单多样的微藻广泛分布于海洋、淡水和土壤生态系统中。在这个“大家庭”中，单个藻类有望凭借其特殊的结构在医学领域大展拳脚。

近日，浙江大学周敏教授团队和哈佛医学院陶伟教授团队在国际期刊《自然通讯》上发表了一篇研究论文。联合团队对钝顶螺旋藻进行了简单的脱水-复水处理，装载了辐射防护药物氨磷汀，并制备了口服螺旋藻-氨磷汀传递系统。

动物实验结果表明，该给药系统对整个小肠具有全面的保护作用，优于游离药物和肠溶胶囊。可在不影响肿瘤治疗效果的情况下，预防放疗引起的肠道损伤，延长生存期，避免氨磷汀的长期毒性，保护肠道菌群。

“微藻种类繁多，记录在案的有3万多种。目前，只有15种以上的微藻用于医学领域。考虑到培养成本和应用价值等条件，医学上常用的微藻种类很多，包括蓝藻门、绿藻门和红藻门。”周敏告诉记者，微藻在生物成像、药物输送、缺氧肿瘤治疗、伤口愈合等方面有很大的应用价值。因为它们容易获得，容易培养，独特的表面结构和丰富的活性物质。

使用活性表面的药物递送

“传统的给药系统存在药物作用时间短、生物利用度差、合成困难等缺点。近年来，微藻因其来源广泛、培养成本低、活性表面大、能有效吸附功能分子和金属元素等优点，在药物传递系统的构建中被广泛用作载体。”周敏说。

例如，2020年4月，周敏的团队在《微尺度》期刊上发表了该结果。利用螺旋藻的特性，将小分子化疗药物阿霉素负载到螺旋藻上，合成载药系统。研究表明，钝顶螺旋藻带负电的表面可以通过静电吸附负载带正电的小分子，其细胞膜上的水道和连接孔也允许小分子通过并进入膜内，表现出较高的载药效率。

肿瘤细胞在快速增殖过程中，会消耗大量的氧气，导致肿瘤组织内存在缺氧的微环境，这也是许多肿瘤治疗方法产生耐受性的原因之一。靶向给肿瘤部位供氧是提高放射治疗和光动力治疗效果的突破点之一。

富含叶绿素的微藻具有一定的生物传感能力。近年来，许多研究者致力于利用微藻光合作用原位产生氧气，改善肿瘤组织缺氧状况，增强肿瘤治疗效果。

“同时，微藻表面积大，磁化硅藻可以负载大量药物，在磁场的控制下实现靶向运输和药物缓释。”周敏介绍，该团队2年前研发出一种微纳机器人，以微藻为活体支架，附着磁性涂层，在外加磁场的控制下，使其定向移动到肿瘤组织。然后通过外部光照，微藻原位产氧，降低肿瘤缺氧微环境，提高放疗效率。

光合作用产生氧气，促进伤口愈合。

在伤口上涂一些特殊的药膏，然后用激光照射。药膏中含有的微藻可以产生活性氧，会“阻挡”感染伤口的厌氧菌.这种方法现在并不少见。

伤口愈合可分为三个阶段：炎症期、增殖期和重塑期。氧气参与了每一个阶段，特别是浙江大学转化医学研究所博士生张东晓说，增加伤口局部的氧浓度可以有效加快伤口愈合。在过去，诸如高压氧治疗或局部气体氧气治疗的临床方法具有平均的皮肤穿透性。微藻是一种天然的光合生物，可用于加速伤口愈合。

目前，世界上有大量的糖尿病患者。但鲜为人知的是，约25%的糖尿病患者终身面临慢性伤口愈合的风险。糖尿病患者常因伤口缺氧，导致血管生成受阻，慢性伤口难以愈合，导致糖尿病足溃疡，甚至迫使患者截肢。

2020年5月，南京大学的胡和吴金辉在国际期刊《先进科学》上发表了他们的研究成果。团队设计了一种由活性微藻水凝胶制成的制氧贴片，可以原位产生穿透皮肤的溶解氧，穿透效率比传统的局部气态氧疗法高出近100倍。

实验表明，贴片输送的溶解氧能有效促进成纤维细胞的增殖、角质层细胞的迁移和内皮细胞的血管分化，促进糖尿病小鼠慢性伤口愈合和皮瓣移植的存活。

据张东晓介绍，外国科学家已经创造性地将转基因莱茵衣藻植入手术缝合线。该方法生产的光合作用缝合线能够持续释放氧气和重组人生长因子，有效促进伤口愈合。近年来，利用微藻制作缝合线或补片的研究逐渐增多。微藻制作的缝合线或补片成本低，合成简单，具有较高的临床转化和商业价值。

具有独立荧光特性的辅助医学成像

据了解，微藻富含叶绿素等光合色素，具有荧光特性，因此无需任何额外的荧光标记即可实现体内无创追踪，这对于它们作为药物输送载体来说是一项“加分项”。

“微藻具有‘诊疗一体化’的性能，可用于医学影像引导下的诊疗，不仅能增强治疗效果，还能持续监测病变发展。”例如，张东晓硅藻是一种优良的生物成像材料，它的外壳是由二氧化硅组成的六角形微孔网络结构。2018年，国外研究人员利用硅藻精确的纳米多孔结构和光子晶体特性，开发出超灵敏荧光免疫分析的生物传感器。与具有相同功效的非硅藻生物传感器相比，光谱信号大大增强。

距离临床应用 尚有一段周民表示，越来越多的研究证明，微藻的不同给药方式，包括口服、注射或外用等均具有良好的生物相容性和安全性，还可通过泌尿系统代谢排出体外。但目前微藻的医用研究多局限于小鼠等小动物模型，距离真正临床应用还需更多数据支持。

此外，微藻的开发、培养和规模化生产也阻碍着微藻生物技术产业的发展。据了解，微藻产业化生产受限于脱水和收获两个过程，藻类细胞颗粒尺寸不均、细胞膜表面较强的电负性以及生长频率过快是这两个过程主要面临的挑战。

周民表示，为解决以上问题，科学家们通常将浮选法应用于微藻生产，该方法收获效率高于88.8%，且易于实现微藻富集，具有操作性强、成本低等优点。因此，正被尝试运用于微藻的规模化生产。期待未来有更多的研究者投入微藻的相关研究，为促进人类健康作出贡献。