討論:

在這項研究中，我們發現模式生物衣藻的光合作用培養物能夠產生足夠的氧氣，以滿足網絡活性腦皮質組織切片的高代謝需求，而且不會產生任何中期毒性效應。這一新穎的發現表明了光合作用策略對挽救無血管腦組織的可行性，并擴展了之前的研究，表明微藻和藍藻的光合成作用具有支持無血管皮膚和心肌氧合的潛力。我們的概念驗證研究支持了光合作用的另一種應用，值得考慮和進一步研究，將其作為缺氧性腦病的一種可能治療策略。

在這項研究中測試了由于長時間暴露于藻類環境而導致陰性后遺癥的可能性長達5小時。此處使用的急性皮質切片的壽命有限，由于有機組織變性的可能性，因此不考慮超過5小時的測試。雖然我們沒有直接研究神經炎癥或免疫反應，但我們沒有發現藻類毒性的電生理學證據--這支持了之前所有的大鼠和小鼠體內模型，這些模型顯示組織-藻類共生沒有免疫或毒性反應。事實上，與對照組相比，我們發現5小時后，盡管aCSF中的氧含量僅略有升高（可以忽略不計），但培養物中的網絡活動卻更強了。據推測，即使組織中氧氣的升高幅度很小，也是有益的，而且/或者藻類可以通過獨立于氧氣的其他機制支持組織的活力。總之，這些結果表明，內源性皮質抗氧化活性足以減輕光合作用過程中活性氧（ROS）產生的潛在負面后遺癥，至少在中期是這樣。

不過，我們也不能排除長期暴露會產生毒性效應的可能性，這可能是細胞外電子傳遞或葉綠素分解過程中釋放出動力學不穩定的單線態氧造成的。優化光照強度、光合作用速率和照射時間，防止ROS活動對組織造成損害，將是這一生物技術成功轉化為體內應用的重要先決條件。此外，還應考慮選擇性能更好、ROS生成量更低的物種，以及清除ROS的可能性。最終，生物技術的進步可能會通過開發合成的、功能隔離的葉綠體來規避上述許多問題，這些葉綠體可以進行調整，以便在體內應用。

大腦皮層切片已被廣泛用于研究正常和疾病狀態下的神經生理學，其優點是可以在保留復雜網絡結構的制備過程中精確控制實驗條件。然而，這些優點必須與將體外研究結果推斷為整個動物所面臨的挑戰相平衡。因此，本研究的結果應被視為概念驗證。顯然，要在體內成功應用于大腦，還需要克服幾個障礙--包括通過頭骨的深度輸送途徑和光合作用激活。這些都將是未來體外和體內研究的課題。腦脊液是一種非血液溶液，與中樞神經系統的細胞外空間處于平衡狀態。這種給藥方法已在中樞神經系統缺血性損傷的動物模型中顯示出前景，盡管尚未用于臨床實踐，但通過腦室-腰椎灌注至少24小時對人體是可行和安全的。最長24小時是中風后搶救缺血性神經元的關鍵治療窗口期。由于腦室-腰椎灌注利用了流入和流出端口，因此具有額外的優勢，即可以通過輸送速率和重新引入無藻腦脊液來控制暴露。此外，腦脊液中含有的小膠質細胞極少，從而最大限度地降低了藻類分解的可能性以及與葉綠素降解相關的潛在ROS釋放。

令人鼓舞的是，最近的一項研究表明，在紅光刺激下，成功地將"隱身"的褐藻通過靜脈注射引入活體小鼠體內，以補充腫瘤組織的氧氣產生。重要的是，遠紅外線和近紅外線（NIR）波長比可見紅光具有更強的組織穿透力--穿透頭骨和軟組織的深度可達3厘米。因此，未來的研究將致力于測試適應吸收近紅外光的物種，如含有葉綠素d的Acaryochloris。有趣的是，近紅外腦部光刺激已被提議作為多種腦部疾病的獨立療法，包括中風、創傷性腦損傷和帕金森病，據認為可刺激線粒體功能和血源性生長因子的產生。因此，使用近紅外波長來刺激藻類的光合作用還能提高線粒體的效率。

氧氣水平呈特征性深度分布，在切片上方約1.5毫米處達到峰值，在切片上表面附近降至最低。在切片中部測得的平均氧含量分別為6.9毫克/升（常規氧合）和10.3毫克/升（光合氧合），相當于118毫米汞柱和177毫米汞柱。這些數值超過了維持正常神經元活動的預期體內水平，但低于報告的300mmHg體外要求。造成這種情況的原因是本研究采用的灌注系統的設計，它將含氧的aCSF直接輸送到切片的下表面。因此，上表面的含氧量相對較低--這也解釋了為什么在切片的上半部分記錄到的含氧量較低的非對稱氧曲線。雖然嚴格來說，這是一種將氧氣最大限度地輸送到組織的次優配置，但對于本研究的主要目的來說，這并不重要，本研究的主要目的是使用其他類似的方法對氧合模式進行比較。

總之，這項研究證明了利用光合作用減輕因血管閉塞造成的腦缺氧影響的可行性，值得在動物模型中對近紅外敏感的藻類物種進行進一步研究。