本文是一篇原创研究论文（类型a），发表于 nature sustainability，通讯作者为 yuna qian（温州医科大学眼视光医院、中国科学院大学温州研究院）、jiansong ji 和 jianliang shen。研究由温州医科大学、中国科学院大学温州研究院等单位合作完成。

研究背景

全球糖尿病患者已超过4.22亿，其中慢性糖尿病创面是糖尿病最严重的并发症之一，具有高致残率和高治疗成本。慢性糖尿病创面难以愈合的核心原因之一是持续的组织缺氧（hypoxia）和代谢失衡，这会导致炎症无法消退、血管新生受阻以及再上皮化延迟。传统的氧疗手段如高压氧舱虽然能改善缺氧，但设备昂贵、操作复杂，难以在资源有限地区推广。因此，开发一种成本低、可持续且易于使用的供氧策略，成为糖尿病创面修复领域的重要需求。

植物来源材料因其可再生性和生物相容性，近年来在生物医药领域受到广泛关注。其中，叶绿体（chloroplast）作为光合作用的核心细胞器，能够在光照下裂解水产生氧气，并合成三磷酸腺苷（ATP）。然而，分离出的叶绿体在生理条件下结构不稳定、易降解，限制了其直接临床应用。本研究尝试将入侵性水生植物凤眼莲（eichhornia crassipes，即水葫芦）中的叶绿体封装进微球体系，构建一种可长期、可控释放氧气的“光合微球”，用于慢性糖尿病创面的治疗。

研究流程与实验方法

研究整体分为材料制备与表征、体外细胞实验、动物体内实验、机制探究和可持续性评估五个主要部分。

在材料制备阶段，研究团队从水葫芦叶片中通过研磨和离心分离出完整叶绿体，透射电子显微镜（TEM）显示叶绿体粒径约2 μm。蛋白质组学分析鉴定出66种与光合作用、氧化磷酸化和碳固定相关的蛋白，证实叶绿体保留了光合电子传递链的关键蛋白组分。接着，研究利用微流控（microfluidics）技术，以海藻酸钠（sodium alginate）为基质，通过钙离子交联制备了三种微球：仅含二甲双胍（metformin）的内源性代谢调控微球（mrm-end）、仅含叶绿体的外源性光合供氧微球（mrm-ex）以及同时含叶绿体和二甲双胍的融合微球（mrm-m）。微球直径为50–130 μm。流变学分析表明微球具有良好的力学稳定性和一定的自修复能力。通过氧敏探针[ru(dpp)₃]cl₂和显微镜直接观察，证实微球在光照下能够产生氧气。氧生成量与叶绿体浓度正相关，最佳浓度为40 mg ml⁻¹；海藻酸钠浓度为4%时氧生成与稳定性平衡最佳。微球在4°C避光保存21天后，产氧能力未见降低，说明叶绿体活性可长期保持。光暗循环实验表明微球可重复产氧，具备可持续性。

在体外细胞实验部分，研究者使用raw 264.7巨噬细胞和rs-1细胞，通过transwell共培养体系模拟微球与细胞的光照共培养。结果显示，mrm-ex和mrm-m处理能显著降低缺氧诱导因子-1α（hif-1α）的表达，缓解细胞缺氧状态。mrm-m组ki67阳性细胞比例最高，表明细胞增殖活性最强。划痕实验表明mrm-m可加快细胞迁移和创面闭合。生物相容性实验显示微球对细胞活力无显著影响，且具有良好的血液相容性。

在巨噬细胞极化调控方面，免疫荧光和蛋白质印迹（western blot）结果显示，三种mrm均能下调促炎标志物cd86、主要组织相容性复合体ii类分子（mhc-ii）和诱导型一氧化氮合酶（inos），上调抗炎标志物cd206和精氨酸酶-1（arg-1），其中mrm-m作用最强。酶联免疫吸附实验（elisa）进一步显示，mrm-m组肿瘤坏死因子（tnf）显著降低，而转化生长因子-β1（tgf-β1）和白细胞介素-10（il-10）升高，表明mrm-m能促进促炎型m1巨噬细胞向抗炎型m2巨噬细胞转化。

在动物模型实验中，研究分别建立了链脲佐菌素（stz）诱导的糖尿病小鼠和巴马小型猪全层皮肤缺损模型。小鼠创面实验显示，mrm-m组在第7天创面闭合率达75.44%，显著快于对照组。在猪模型中，mrm-m治疗组第21天残余创面面积仅为25.86%，而3m敷料组为49.61%，表明mrm-m具有显著优于传统敷料的促愈合能力。组织学分析显示，mrm-m组创面再上皮化完整，表皮厚度接近正常皮肤，胶原沉积更致密且排列规则，瘢痕增生最少。第11周观察发现，mrm-m组创面收缩程度最低，皮肤结构最接近正常。

在机制探究部分，研究利用单细胞rna测序（scrna-seq）分析创面免疫细胞组成变化，发现mrm-m组在创面早期即可加速中性粒细胞向巨噬细胞的转化，并促进巨噬细胞从促炎亚群向修复型亚群分化。基因集富集分析（gsea）显示，mrm-m下调了丝裂原活化蛋白激酶（mapk）、核因子-κb（nf-κb）和hif-1信号通路，同时上调氧化磷酸化相关基因。代谢流分析（seahorse）显示，mrm-m处理可增强巨噬细胞线粒体耗氧率（ocr），降低细胞外酸化率（ecar），表明其促进了氧化磷酸化并抑制糖酵解。此外，mrm-m还降低了巨噬细胞内外乳酸水平，并增加了组蛋白乳酸化（lactylation）修饰，特别是h3k18la，从而通过表观遗传途径进一步促进抗炎基因表达。

主要研究结果

研究证实，利用水葫芦叶绿体构建的光合微球能够在光照下持续产氧长达3周以上，并能显著改善糖尿病创面的缺氧状态。mrm-m通过外源供氧与内源代谢调控的协同作用，抑制nf-κb和erk炎症通路，激活氧化磷酸化，下调糖酵解，减少乳酸生成，并通过h3k18la乳酸化修饰促进巨噬细胞向抗炎m2型极化。在糖尿病小鼠和猪模型中均显示，mrm-m可加速创面闭合、促进血管新生和再上皮化、改善胶原重塑并减少瘢痕形成。

研究意义与应用价值

本研究首次证明，入侵性水生植物水葫芦中的叶绿体可以与二甲双胍协同构建代谢调控微球，用于糖尿病慢性创面的治疗。该策略不仅解决了叶绿体在生理条件下不稳定的难题，还通过微流控技术实现了低成本、可规模化的制备。与传统高压氧疗法相比，光合微球无需大型设备、使用灵活，且原料来自入侵植物，兼具生态修复与医疗应用的双重价值，为资源有限地区的糖尿病创面管理提供了可持续的新路径。

研究亮点

本研究的创新性主要体现在三个方面：第一，首次利用了入侵植物水葫芦的叶绿体构建功能性治疗微球，将生态治理与再生医学相结合；第二，通过微流控技术将外源供氧与内源代谢调节整合到同一微球系统中，实现了对创面微环境的双重代谢重编程；第三，揭示了mrm-m通过调控糖酵解、氧化磷酸化和组蛋白乳酸化修饰来重编程巨噬细胞代谢免疫的全新机制，为光合生物材料在慢性创面修复中的应用提供了理论和实验依据。