Cell：梁大衛/葉娟/孫曉/丁顯光合作，讓小鼠眼睛光合作用，治療干眼癥

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

可見光與人體之間最重要的相互作用發生在眼睛中，它讓我們形成視覺、看見世界。而在植物中，同樣的可見光卻驅動著光合作用，生成對植物生存至關重要的代謝物。

那么，可見光是否能夠在眼睛中產生類似的光合作用效果呢？這也引發了一個有趣的問題——高等動物（哺乳動物）是否至少能夠獲得有限形式的光合作用功能。在自然界中，最接近的例子是海蛞蝓，它們能夠從吃下去的藻類中攝取有功能的葉綠體，并將其長期儲存在自己的腸細胞中，化身為一個會光合作用的動物，而在饑餓時期，它們則會消化這些儲存的葉綠體，為自己提供代謝營養。

2026 年 5 月 15 日，新加坡國立大學梁大衛教授、浙江大學醫學院附屬第二醫院眼科中心葉娟教授、山東第一醫科大學孫曉教授、南京郵電大學丁顯光教授作為共同通訊作者（邢闊然、嚴炎為論文共同第一作者），在國際頂尖學術期刊Cell上發表了題為：Transplanting light-dependent reactions for mammalian eye photosynthesis 的研究論文。

該研究構建了一種源自植物的納米級類囊體系統——LEAF，將其遞送到哺乳動物眼睛中，賦予其植物的光合作用特性，讓角膜細胞能夠利用可見光來產生 NADPH 和 ATP，從而減輕氧化應激和炎癥，有效治療了干眼癥。

這項研究確立了在哺乳動物系統中利用可見光作為代謝輸入的策略，并表明了一種跨界的、內共生樣相互作用，在這種相互作用中，動物細胞從植物來源的光合作用機制中獲得功能益處。

靈感來源：受海蛞蝓啟發的跨界奇想

動物和植物的代謝世界，歷來涇渭分明。植物通過光合作用，利用光能將水和二氧化碳轉化為養分和能量；而動物則依賴消耗有機物來獲取能量。

然而，自然界中總有著驚人的例外：一種名為“海蛞蝓”的軟體動物，能夠吞食藻類并將其葉綠體“據為己有”，整合進自己的細胞，從而像植物一樣通過光合作用補充能量，還能夠在饑餓時消化這些葉綠體，為自身提供代謝營養。

一種海蛞蝓

受此啟發，研究團隊提出了一個大膽設想——能否將植物光合作用的核心部件“移植”到哺乳動物細胞（尤其是眼部細胞）中，讓可見光在負責視覺之余，額外承擔起“生產藥物”、治療疾病的重任？

核心技術：打造動物細胞內的“光合系統”

實現這一構想的關鍵，是制造出一種既能在動物細胞內穩定存在，又能高效執行植物光合作用的“人工細胞器”。研究團隊從菠菜中提取了光合作用的場所——葉綠體，并對其進行了精巧的“瘦身”和“改裝”。

在葉綠體中，光反應在類囊體膜上進行，產生能量分子 NADPH 和 ATP；而暗反應（三羧酸循環）則在葉綠體基質中消耗這些能量來固定二氧化碳。研究團隊的核心策略是：“取其精華，去其糟粕”。

研究團隊通過溫和的工藝，去除了消耗 NADPH 的暗反應酶系，只保留結構完整、功能完好的類囊體膜堆疊結構，即類囊體基粒（Thylakoid grana），然后用一種安全的表面活性劑將其包裹成納米顆粒，這個最終產物被命名為LEAF（Light-reaction enriched thylAkoid NADPH-foundry，光反應富集的類囊體 NADPH 工廠）。

LEAF：精簡版的“微型光合工廠”：

LEAF在環境可見光下可自主、高效生成 NADPH（一種關鍵的抗氧化還原力），無需外源輔因子，其功能獨立于哺乳動物的代謝控制，從而為炎癥組織提供了一種強大且獨立的還原力來源。LEAF的尺寸納米化，直徑約 400 納米，能被細胞快速吞噬。其結構完整，最大程度保留了光合系統 II（PSII）和 I（PSI）的超分子復合結構，確保電子傳遞鏈高效運行。

實驗證明，LEAF 在光照下生產 NADPH 的效率比未處理的天然類囊體還高 20%，并且可以隨著光-暗循環多次工作，就像一個隨光啟停的“生物電池”。

雙管齊下，打破干眼癥的惡性循環

干眼癥的本質是眼表炎癥與氧化應激的惡性循環：炎癥細胞產生大量活性氧，消耗細胞內的抗氧化劑 NADPH，導致細胞損傷；損傷又招來更多炎癥細胞，雪上加霜。現有藥物多側重于抑制免疫反應，治標不治本，且起效慢、有刺激。

而 LEAF 的引入，從根源上打破了這一惡性循環，它通過兩種獨特的方式發揮作用——

1、細胞內“充電”：補充能量，平息內亂，LEAF 能被角膜上皮細胞和免疫細胞（巨噬細胞）快速攝入。在環境光下，LEAF 在細胞內原位生產 NADPH，直接為細胞“充電”。這使得細胞——

• 恢復抗氧化能力： 充足的 NADPH 重啟了細胞自身的谷胱甘肽等抗氧化系統，清除多余活性氧。

• 扭轉炎癥狀態： 促使促炎的 M1 型巨噬細胞轉變為抗炎的 M2 型，從源頭減少炎癥因子分泌。

• 保護角膜細胞： 增強角膜上皮細胞的活力，抵抗氧化損傷導致的凋亡。

關鍵優勢在于，LEAF 的 NADPH 生產完全不依賴細胞自身已紊亂的代謝途徑，是一條獨立、穩定、受光調控的“能量補給線”。

2、細胞外“凈化”：自帶凈化系統，改善微環境，更令人驚喜的是，未被細胞攝入的 LEAF 在細胞外同樣能工作。研究團隊發現，LEAF 顆粒表面“搭載”了多種植物來源的抗氧化酶（例如超氧化物歧化酶 SOD、谷胱甘肽還原酶 GSR 等）。LEAF 光合作用產生的 NADPH，可以就地激活這些“自帶酶”，形成一個微型的移動抗氧化系統。該系統能直接清除了淚液微環境中由免疫細胞釋放的活性氧，在炎癥信號擴散之前就將其化解，保護鄰近的健康角膜上皮細胞。

簡而言之，LEAF 就像一支深入敵后的特種部隊：一部分潛入細胞內修復防線、平息叛亂（細胞內抗氧化/抗炎）；另一部分在細胞外直接清剿敵人（清除細胞外活性氧），里應外合，徹底終止炎癥的蔓延。

動物實驗與臨床前景：效果顯著，安全可控

在模擬干眼癥的小鼠模型中，滴入 LEAF 眼藥水并讓小鼠處于正常環境光下，治療效果立竿見影——

• 快速起效： 滴眼 30 分鐘內，角膜中的 NADPH 水平顯著上升。

• 癥狀緩解： 治療 5 天后，角膜熒光染色損傷評分大幅下降，接近健康水平；淚液分泌增加，眼表恢復健康厚度。

• 機制驗證： 經熱處理失活的 LEAF 無效，證明療效嚴格依賴其光合功能，其干眼癥治療效果優于臨床常用的環孢素 A。

安全性評估同樣令人鼓舞，LEAF 在不同產地、不同操作者間制備批次穩定。在豚鼠皮膚致敏和兔眼刺激實驗中，均未顯示不良反應。長期用藥也未觀察到眼壓改變或全身性毒性，展現出良好的生物相容性。

深遠意義：超越治療的“人造內共生”

這項工作遠不止于開發一款新的干眼癥療法，它還在哺乳動物細胞中實現了功能性的植物光反應移植，建立了一種光驅動的代謝輸入療法。

從更宏大的視角看，LEAF 在動物細胞內的短暫存留與功能發揮，模擬了一種 “瞬態人工內共生” 關系。它暗示了跨界的細胞器在特定壓力（例如氧化應激）下，有可能為宿主細胞提供關鍵的代謝支持。這為我們理解細胞共生進化、乃至設計全新的“細胞增強”策略打開了無限的想象空間。

未來，隨著對能量通量控制和長期命運的深入研究，這種“賦予動物細胞光合作用能力”的策略，或許不僅能為眼病，也能為其他受氧化應激和炎癥困擾的疾病，帶來全新的“綠色”治療曙光。

2022 年 12 月 7 日，浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院林賢豐、范順武與浙江大學化學系唐睿康團隊合作，在國際頂尖學術期刊Nature上發表了題為：A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism 的研究論文【2】。詳情：

該研究將來自菠菜葉綠體的類囊體通過特殊處理制成納米類囊體單元（Nanothylakoid Unit，NTU），NTU 在體外能夠獨立進行光合作用并合成 ATP 和 NADPH。然后使用軟骨細胞來源的細胞膜封裝 NTU，再將其植入軟骨細胞，小鼠體內實驗顯示，這些 NTU 可在光照后增加原位軟骨細胞內的 ATP 和 NADPH 水平，從而改善退變軟骨細胞的合成代謝，并防止骨關節炎的病理進展。

該研究實現了向哺乳動物細胞跨物種植入來自植物的天然光合系統，并讓植入的光合系統獨立提供關鍵能量代謝來可控增強細胞合成代謝，實現了光合作用系統的跨界醫學應用，在衰老退行性疾病（骨關節炎）治療中顯示出了良好的臨床應用前景。

論文鏈接：

1. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(26)00469-1

2. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05499-y