综述：光合微纳活体平台：单细胞藻类在生物医学应用中的工程化改造

这篇综述系统阐述了单细胞藻类作为天然光合系统在生物医学领域的创新应用，重点探讨了其产氧(O2)、产氢(H2)、生物成像、基因工程改造和微纳机器人构建等核心功能。文章详述了藻类通过改善缺氧微环境增强化疗/放疗(chemo/radiotherapy)敏感性、促进组织再生、靶向递送药物等机制，在心血管疾病、肿瘤、创面修复等领域的突破性进展，为下一代活体治疗平台开发提供了新范式。

　　

光合微纳活体平台：单细胞藻类的生物医学革命

基本特性

藻类展现惊人的形态多样性，从1-110μm的球形Chlorella到螺旋状Spirulina，其鞭毛结构和光趋性为微纳机器人开发提供天然模板。Chlamydomonas reinhardtii的双鞭毛能以50Hz频率驱动200μm/s的运动速度，而Synechococcus elongatus的圆柱形态适合血管内运输。色素组成决定其光谱响应特性：叶绿素a/b吸收650-680nm红光，藻红蛋白捕获500-565nm绿光，这为精准光控治疗奠定基础。

作用机制

持续产氧
藻类光合系统每秒可转化10⁸个CO₂分子，在心肌梗死模型中使组织氧分压提升25mg/L。通过上调HIF-1α/VEGF通路，Chlorella vulgaris使肿瘤放疗敏感性提升2.3倍。

动态产氢
缺氧条件下，Chlamydomonas reinhardtii的氢化酶可催化产生具有抗氧化作用的H₂，能特异性清除•OH和ONOO^-自由基，在糖尿病溃疡模型中降低IL-6水平达60%。

智能微机器人
磁性纳米颗粒修饰的Spirulina在交变磁场中实现毫米级精确定位，而光控Chlamydomonas微泳器可在肠道粘液中保持12小时活性，载药效率较被动扩散提高8倍。

疾病治疗应用

心血管抢救
封装Synechococcus的藻酸盐微凝胶使梗死面积减少43%，通过上调HSP70增强心肌细胞耐缺氧能力。近红外响应的上转换纳米颗粒-藻类复合体穿透胸壁后，使中风模型神经功能评分改善2.1倍。

肿瘤协同治疗
自供氧藻基平台ALGAE通过钙交联构建，持续氧合使肿瘤pO₂从<5mmHg升至15mmHg，联合阿霉素使4T1乳腺癌模型生存期延长3倍。叶绿素衍生的荧光与光声双模成像实现治疗全程监测。

创面再生
3D打印的Chlorella支架在糖尿病创面中持续释氧21天，表皮再生速度加快2倍。基因工程藻分泌的VEGF使血管密度提升150%，而Bacillus共生系统通过调控IL-10促进M2型巨噬细胞极化。

抗感染突破
载有头孢他啶的藻类微机器人可在肺部分布达87%，对Pseudomonas aeruginosa的清除率比静脉给药高6个数量级。在牙周炎模型中，藻基光动力系统产生活性氧(ROS)使生物膜厚度减少90%。

未来挑战

尽管藻类平台展现巨大潜力，其免疫原性控制、长期生物安全性、规模化生产等问题仍需突破。最新的CRISPR-Cas9技术已成功敲除Chlamydomonas的MAA7基因，为定制化改造开辟新途径。这种融合光合生物智慧与纳米工程的策略，正在重新定义生物医学工程的疆界。