Dr. Joseph Woo houdt van fotosynthese. En niet voor niets: planten zijn misschien niet zo schattig als panda's, maar dankzij hun chemische alchemie leven we allemaal hier op aarde in leven en ademen. Van microscopisch fytoplankton tot torenhoge sequoia's, deze superhelden houden ons in leven door kooldioxide en zonlicht op te nemen en vervolgens op wonderbaarlijke wijze zuurstof en suiker te produceren.
gerelateerde inhoud
- De Ierse cardioloog wiens uitvinding LBJ heeft gered
Maar er is nog een reden dat Dr. Woo dol is op fotosynthese. Wanneer u een hartaanval krijgt, zijn er twee dingen die uw hart onmiddellijk nodig heeft om het beschadigde weefsel te repareren: zuurstof en suiker. Nu denkt dr. Woo, professor en hartchirurg aan de Stanford University, dat hij een manier heeft gevonden om enkele van onze kleinste fotosynthetiserende vrienden te gebruiken om ons hart te helpen zichzelf te genezen.
In een studie die deze week in Science Advances is gepubliceerd, tonen dr. Woo en zijn team aan hoe ze bloed met succes hebben vervangen door microscopische cyanobacteriën, plantachtige organismen die ook fotosynthese gebruiken. Door coöptatie van het proces om beschadigd hartweefsel te genezen, kon het team ratten beschermen tegen dodelijk hartfalen. Het lijkt erop dat het repareren van een ziek hart net zo eenvoudig kan zijn als een licht op de situatie schijnen.
Hartaanvallen treffen elk jaar 735.000 Amerikanen en hartaandoeningen zijn wereldwijd de grootste moordenaar. Een hartaanval gebeurt wanneer iets de bloedtoevoer naar het hart blokkeert, waardoor zuurstof de cruciale spier niet kan bereiken. Voor cardiologen is de uitdaging om later hartfalen te voorkomen, om beschadigde hartweefsels snel van zuurstof en voedingsstoffen te voorzien. Maar "als je naar de natuur kijkt, beantwoordt fotosynthese die vraag", zegt dr. Jeffrey Cohen, een postdoctorale fellow bij Stanford Medicine en hoofdauteur van de studie.
Als een beschadigd hart fotosynthetisch zou zijn, zegt dr. Cohen, zou het niet op bloed hoeven te vertrouwen om zuurstof en suiker aan zijn weefsels te leveren. Het enige dat hij nodig zou hebben was de zon. "Je zou licht in staat stellen om je brandstofbron te worden, in plaats van bloed, " zegt Dr. Cohen. Helaas, het hart is geen plant. Dus probeerden onderzoekers het volgende beste ding: het injecteren met plantachtige bacteriën.
Dr. Woo en zijn team begonnen met het proberen van een aantal bekende, echte planten: "We vermalen boerenkool en spinazie, " zegt hij. Ze probeerden de chloroplasten, de fotosynthetische organellen in elke plantencel, te scheiden, maar ontdekten dat ze eenmaal geïsoleerd snel inactief werden. Wat onderzoekers in plaats daarvan nodig hadden, waren onafhankelijke fotosynthetische machines, die als miniatuurkassen voor het hart konden functioneren.
Voer cyanobacteriën in. Deze kleine organismen verdienen de kost door kooldioxide en water op te nemen en zuurstof uit te spuwen. In de oceaan staan ze aan de basis van de voedselketen, waardoor ze de zuurstof en suiker produceren die snel worden uitgebuit door andere hongerige organismen. "Ze dienen als een levensader voor al het andere", zegt Adam Martiny, een professor in ecologie en evolutionaire biologie aan de Universiteit van Californië in Irvine, die een veel voorkomend type cyanobacteriën, Synechococcus, bestudeert .
Met hulp van Stanford-microbiologen groeiden Dr. Woo en zijn team een stam van Synechococcus in hun laboratorium en injecteerden ze in het beschadigde hartweefsel van een levende rat. Toen deden ze het licht uit. Na 20 minuten zagen ze een verhoogd metabolisme in beschadigde gebieden. De totale hartprestaties verbeterden na ongeveer 45 minuten. Het bewijs suggereerde dat de door fotosynthese gecreëerde zuurstof en suiker Synechococcus weefselherstel bevorderde.
Na het injecteren van levende bacteriën in een lichaamsorgaan, zou je een infectie kunnen verwachten. Maar interessant is dat de onderzoekers na een week monitoring geen immuunrespons hebben gevonden. "De bugs zijn er gewoon niet meer, het verdwijnt", zegt Dr. Woo. "En misschien is dat de beste soort bacterie" - een vriendelijke helper die blijft hangen om de schade te beheersen en vervolgens spoorloos verdwijnt.
Een mogelijk probleem bij het maken van deze procedure tot een haalbare behandeling is de timing en complexiteit, merkt Dr. Morteza Naghavi, uitvoerend voorzitter van de Society for Heart Attack Prevention and Eradication in Houston, Texas, op die niet bij de studie betrokken was. Het behandelen van hartaanvallen is een race tegen de klok en tegen de tijd dat patiënten worden overgebracht naar een speciale faciliteit die is uitgerust om cyanobacteriën in het hart te injecteren, kan het te laat zijn. "Het vereist een enorme hoeveelheid investeringen en technologie, " zegt Dr. Naghavi.
Het feit dat de onderzoekers nog steeds gezondere harten zagen bij ratten die na een maand werden behandeld, zou een veelbelovend resultaat kunnen zijn. "Als alles gaat zoals onderzoekers het willen, zou het een enorme therapie zijn voor mensen die [hartaanvallen] hebben gehad", zegt Dr. Naghavi. "Het is een wild idee" - maar het zou kunnen werken.
Dr. Woo en zijn team redeneren dat Synechococcus een chemische vergelijking in evenwicht houdt door een hartaanval. Het gebruik van licht als brandstof voor voedsel is misschien een nieuw concept voor een menselijk hart, maar het is een oude hoed voor cyanobacteriën in hun natuurlijke leefomgeving.
Hoewel Martiny, de milieu-microbioloog bij Irvine, onder de indruk was van de vindingrijkheid van de cardiologen , is het idee van hoe kritisch cyanobacteriën voor het leven zijn, niet nieuw. Milieumicrobiologen bestuderen cyanobacteriën zoals Synechococcus juist omdat ze de wereldwijde omgeving zo diepgaand beïnvloeden. "Het is erg letterlijk in dit geval, " zegt hij over de studie, "maar het is ook behoorlijk letterlijk in de oceaan, gezien het feit dat de helft van de zuurstof die we inademen afkomstig is van fytoplankton."
"Het was fascinerend dat ze zo'n klein organisme konden gebruiken om het afval in een systeem op te ruimen, " voegt hij eraan toe, verwijzend naar hoe cyanobacteriën in de studie de opbouw van kooldioxide absorbeerden en het gebruikten voor fotosynthese, net als in de natuur. "Ze leveren daar zuurstof, net zoals ze in de oceaan doen om te leven."
De recente studie is slechts een proof-of-concept, maar wetenschappers zijn nu op weg om de techniek in menselijke proefpersonen uit te proberen. Vervolgens zullen ze het proberen in grotere diermodellen die dichter bij de mens staan, en ze werken aan manieren om licht op cyanobacteriën te brengen en te laten schijnen zonder een openhartoperatie. Ze overwegen zelfs om Synechococcus genetisch te bewerken om de beestjes meer suiker te laten vrijgeven.
Voor veel cardiologen ligt de kern van het probleem niet in het beheersen van hartaanvallen nadat ze zich voordoen, maar in het voorkomen ervan in de eerste plaats. "Patiënten behandelen na een hartaanval, zoals proberen een slot op een schuur te zetten nadat de paarden zijn gestolen, " zegt Dr. Naghavi, erop wijzend dat de meeste behandelingen alleen uiteindelijk hartfalen vertragen. Maar gezien het feit dat zoveel Amerikanen een hartaanval krijgen - en dat waarschijnlijk zullen blijven doen - is het nog steeds de moeite waard om innovatieve behandelingen te ontwikkelen om hen te helpen herstellen, zegt Dr. Cohen.
Zelfs iets onwaarschijnlijks als proberen om bloed te vervangen met behulp van cyanobacteriën, zegt hij, kan levens helpen redden. De uitdaging, zoals hij het zegt, "is niet iets dat ik lichtvaardig neem."
