Dr. Joseph Woo liebt die Photosynthese. Und das aus gutem Grund: Pflanzen sind vielleicht nicht so süß wie Pandas, aber dank ihrer chemischen Alchemie sind wir alle hier auf der Erde am Leben und atmen. Von mikroskopisch kleinem Phytoplankton bis hin zu hoch aufragenden Redwoods halten uns diese Superhelden am Leben, indem sie Kohlendioxid und Sonnenlicht aufnehmen und auf wundersame Weise Sauerstoff und Zucker produzieren.
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Aber es gibt noch einen anderen Grund, warum Dr. Woo die Photosynthese liebt. Wenn Sie einen Herzinfarkt haben, gibt es zwei Dinge, die Ihr Herz sofort benötigt, um sein beschädigtes Gewebe zu reparieren: Sauerstoff und Zucker. Jetzt glaubt Dr. Woo, Professor und Herzchirurg an der Stanford University, er habe einen Weg gefunden, einige unserer kleinsten Freunde für die Photosynthese zu nutzen, um unseren Herzen zu helfen, sich selbst zu heilen.
In einer Studie, die diese Woche in Science Advances veröffentlicht wurde, zeigen Dr. Woo und sein Team, wie sie erfolgreich Blut durch mikroskopisch kleine Cyanobakterien ersetzten, pflanzenähnliche Organismen, die ebenfalls Photosynthese verwenden. Durch die Kooptation des Prozesses zur Heilung von geschädigtem Herzgewebe konnte das Team Ratten vor tödlicher Herzinsuffizienz schützen. Ein krankes Herz zu reparieren, scheint so einfach zu sein, als ob man die Situation beleuchtet.
Jährlich erleiden 735.000 Amerikaner einen Herzinfarkt, und Herzkrankheiten sind weltweit die Todesursache Nummer eins. Ein Herzinfarkt tritt auf, wenn etwas den Blutfluss zum Herzen blockiert und Sauerstoff vom Erreichen dieses entscheidenden Muskels abhält. Für Kardiologen besteht die Herausforderung zur Verhinderung einer nachfolgenden Herzinsuffizienz darin, beschädigtes Herzgewebe schnell mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. "Wenn Sie sich die Natur anschauen, beantwortet die Photosynthese diese Frage", sagt Dr. Jeffrey Cohen, Postdoktorand bei Stanford Medicine und Hauptautor der Studie.
Wenn ein geschädigtes Herz photosynthetisch wäre, so Dr. Cohen, müsste es nicht auf Blut angewiesen sein, um sein Gewebe mit Sauerstoff und Zucker zu versorgen. Alles was es brauchen würde war die Sonne. "Sie würden Licht zu Ihrer Brennstoffquelle machen, anstatt zu Blut", sagt Dr. Cohen. Leider ist das Herz keine Pflanze. Deshalb versuchten die Forscher das nächstbeste: das Injizieren von pflanzenähnlichen Bakterien.
Dr. Woo und sein Team versuchten zunächst einige bekannte, aktuelle Pflanzen: „Wir zermahlen Grünkohl und Spinat“, sagt er. Sie versuchten, die Chloroplasten, die photosynthetischen Organellen in jeder Pflanzenzelle, abzutrennen, stellten jedoch fest, dass sie nach ihrer Isolierung schnell inaktiv wurden. Stattdessen benötigten die Forscher in sich geschlossene Photosynthesemaschinen, die als kleine Gewächshäuser für das Herz fungieren könnten.
Geben Sie Cyanobakterien ein. Diese winzigen Organismen leben davon, Kohlendioxid und Wasser aufzunehmen und Sauerstoff auszuspucken. Im Ozean befinden sie sich am Ende der Nahrungskette und produzieren den Sauerstoff und Zucker, der von anderen hungrigen Organismen schnell genutzt wird. "Sie dienen als Lebensader für alles andere", sagt Adam Martiny, Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie an der University of California in Irvine, der eine häufige Art von Cyanobakterien namens Synechococcus untersucht.
Mithilfe von Stanford-Mikrobiologen haben Dr. Woo und sein Team in ihrem Labor eine Synechokokken- Sorte gezüchtet und in das gestörte Herzgewebe einer lebenden Ratte injiziert. Dann machten sie das Licht an. Nach 20 Minuten sahen sie einen erhöhten Metabolismus in beschädigten Bereichen. Die Gesamtherzleistung verbesserte sich nach etwa 45 Minuten. Die Beweise legen nahe, dass der durch Photosynthese erzeugte Sauerstoff- und Zuckersynechokokken die Gewebereparatur verbessert.
Wenn Sie lebende Bakterien in ein Körperorgan injizieren, können Sie mit einer Infektion rechnen. Interessanterweise fanden die Forscher nach einer Woche der Überwachung keine Immunantwort. "Die Käfer sind einfach nicht mehr da, sie verschwinden", sagt Dr. Woo. "Und vielleicht ist das die beste Art von Bakterien" - ein freundlicher Helfer, der bei der Schadensbegrenzung bleibt und dann spurlos verschwindet.
Laut Dr. Morteza Naghavi, Exekutivvorsitzender der Gesellschaft für Prävention und Tilgung von Herzinfarkten in Houston, Texas, ist der Zeitpunkt und die Komplexität dieses Verfahrens ein potenzielles Problem, das nicht an der Studie beteiligt war. Die Behandlung von Herzinfarkten ist ein Wettlauf gegen die Uhr. Wenn die Patienten in eine spezielle Einrichtung gebracht werden, in der Cyanobakterien in das Herz injiziert werden können, ist es möglicherweise zu spät. "Es erfordert eine enorme Menge an Investitionen und Technologie", sagt Dr. Naghavi.
Die Tatsache, dass die Forscher bei Ratten, die nach einem Monat behandelt wurden, immer noch gesündere Herzen sahen, könnte ein vielversprechendes Ergebnis sein. "Wenn alles so läuft, wie es die Forscher wollen, wäre es eine große Therapie für Menschen, die [Herzinfarkt] hatten", sagt Dr. Naghavi. "Es ist eine wilde Idee" - aber es könnte funktionieren.
Dr. Woo und sein Team erklären, dass Synechococcus eine chemische Gleichung ausgleicht, die durch einen Herzinfarkt verursacht wird. Die Verwendung von Licht als Brennstoff für Lebensmittel mag ein neuartiges Konzept für ein menschliches Herz sein, aber es ist ein alter Hut für Cyanobakterien in ihren natürlichen Lebensräumen.
Während Martiny, der Umweltmikrobiologe bei Irvine, vom Einfallsreichtum der Kardiologen beeindruckt war , ist die Vorstellung, wie kritisch Cyanobakterien für das Leben sind, nicht neu. Umweltmikrobiologen untersuchen Cyanobakterien wie Synechococcus genau deshalb, weil sie die globale Umwelt so stark beeinflussen. "In diesem Fall ist es sehr wörtlich", sagt er über die Studie, "aber es ist auch ziemlich wörtlich im Ozean, wenn man bedenkt, dass die Hälfte des Sauerstoffs, den wir atmen, aus Phytoplankton stammt."
"Es war faszinierend, dass sie einen so winzigen Organismus verwenden konnten, um die Abfälle in einem System zu beseitigen", fügt er hinzu und verweist darauf, wie Cyanobakterien in der Studie die Kohlendioxidansammlung absorbierten und wie in der Natur zur Photosynthese verwendeten. "Sie liefern dort genau wie im Ozean Sauerstoff, damit wir leben können."
Die jüngste Studie ist lediglich ein Proof-of-Concept, aber Wissenschaftler sind jetzt auf dem Weg, die Technik an menschlichen Probanden auszuprobieren. Als nächstes werden sie es in größeren Tiermodellen versuchen, die näher am Menschen sind, und sie arbeiten an Möglichkeiten, um Cyanobakterien ohne eine Operation am offenen Herzen sichtbar zu machen und zu beleuchten. Sie erwägen sogar, Synechococcus genetisch zu bearbeiten, um die Tiere dazu zu bringen, mehr Zucker freizusetzen.
Für viele Kardiologen liegt die Wurzel des Problems nicht darin, Herzinfarkte nach ihrem Auftreten zu behandeln, sondern sie überhaupt zu verhindern. "Die Behandlung von Patienten nach einem Herzinfarkt ist wie der Versuch, einen Stall zu sperren, nachdem die Pferde gestohlen wurden", sagt Dr. Naghavi und weist darauf hin, dass die meisten Behandlungen eine eventuelle Herzinsuffizienz nur verzögern. Angesichts der Tatsache, dass so viele Amerikaner an Herzinfarkten leiden (und dies wahrscheinlich auch weiterhin tun werden), lohnt es sich nach wie vor, innovative Therapien zu entwickeln, um sie bei der Genesung zu unterstützen, so Dr. Cohen.
Sogar etwas so Unwahrscheinliches wie der Versuch, Blut durch Cyanobakterien zu ersetzen, könne dazu beitragen, Leben zu retten. Die Herausforderung, wie er es ausdrückt, ist etwas, das ich nicht leicht nehme.
