氢气医学材料 上交大 何前军教授

Hydrogen Medicine Materials | Accounts of Materials Research

概述

氢医学材料是一个全新的生物医学材料概念，专门用于解决氢医学领域的关键挑战，包括通过在体监测氢气的转运、代谢和转化来探索氢气的生物学效应及机制，通过高效、靶向递送和可控释放氢气来增强其对各类氧化应激相关疾病的治疗效果等。作为最小且弱还原性的分子，氢气具有一些独特的生物学特性，包括高组织渗透性、抗氧化应激（OS）、抗炎、抗凋亡、抗衰老、促再生/促自我修复、抗癌、抗生物膜、高生物相容性和生物安全性，在生物医学领域具有很高的应用价值。然而，其相关生物学机制尚不十分明确。典型而言，氢气在炎症、癌症、组织损伤等不同病理微环境中的多方面生物学行为尚未得到充分阐明。此外，作为一种治疗剂，氢气的药代动力学（包括吸收、分布、代谢和排泄）在临床应用前必须明确，这需要开发氢气生物探针来解决。基于氢气的高生物安全性和治疗有效性，氢气吸入器和富氢水生成器已被临床批准用于某些呼吸系统和消化系统疾病的辅助治疗，包括慢性阻塞性肺疾病（COPD）、高尿酸血症、高血脂症、胃溃疡和便秘，但它们难以实现对远端病灶的有效递送。因此，迫切需要开发高效、靶向、可控/持续释放且高生物安全性的氢气递送材料，以提高氢疗效果。基于氢气医学的这些独特优势和尚未解决的关键问题，氢医学材料作为一个新兴的交叉学科领域近年来日益受到关注。

在本报告中，我们简要概述了氢医学材料的最新进展，包括氢气生物探针和氢气递送材料（氢气载体、水解产氢材料和催化产氢材料），以及它们在靶向炎症治疗、靶向肿瘤治疗和局部组织修复/再生等典型生物医学应用。最后，对氢医学材料进行了前瞻性展望，旨在解决当前氢医学领域的临床挑战。特别是，小分子氢气生物探针的开发、氢气药代动力学及潜在生物效应的理解、氢气在不同病理微环境中多方面生物学行为深层机制的探索、用于治疗各类疑难疾病的多功能氢气递送材料的研发，以及高剂量氢气和氢气递送材料潜在长期毒性风险的评估，均是重点关注的方向。本报告有望为氢医学材料的探索提供思路。

1. 引言

分子氢（H₂）因其独特的生物学效应和治疗潜力，在生物医学领域备受关注（1-3）。作为最小的分子，氢气具有优异的组织渗透性，能够快速扩散穿过包括血脑屏障在内的生物屏障。氢气能有效清除体内的细胞毒性活性氧（ROS），尤其是羟基自由基（·OH）。高抗氧化活性、生物安全性和组织渗透性使氢气成为治疗氧化应激（OS）/炎症相关疾病的理想候选者（3）。除抗氧化外，越来越多的证据表明其具有多种治疗功能，包括抗癌、抗生物膜、抗衰老和促自我修复（4-9）。这些独特优势使氢气在生物医学领域具有巨大应用潜力，并吸引了多个学科领域的关注。

过去，人们提出了多种假说试图解释氢气的生物学效应（10-13）。2007年以来，氢气清除·OH的现象被广泛发现，氢气与·OH的中和反应也得到普遍认可（3）。直到2022年，我们首次发现铁卟啉是氢分子的作用靶点，它能通过催化氢化极大地加速氢气与·OH的反应（14）。在炎症微环境中，线粒体电子传递链（ETC）因电子泄漏产生的·OH，可在众多含Fe-卟啉的细胞色素催化下被氢气局部中和，从而防止氧化损伤，保护线粒体功能，介导氢气的抗氧化、抗炎、抗凋亡、抗衰老和促修复作用（6,8,14-17）。在缺氧肿瘤微环境中，Fe-卟啉可催化氢气将CO₂还原为CO，从而抑制肿瘤细胞的线粒体呼吸（14,18）。然而，氢气在不同病理微环境中多方面生物学行为的机制仍不明确。追踪氢气在体内的转运、代谢和转化对于理解其生物学行为至关重要，但目前可用于体内实时检测氢气的方法十分有限。与其他抗氧化剂及NO、CO、H₂S等毒性气体分子不同，氢气具有极高的生物安全性。在饱和浓度（0.8 mM）以下，氢气对正常细胞无明显细胞毒性，而在此浓度下，NO/CO/H₂S和维生素C分别对血液系统和正常细胞具有高毒性（19）。基于高生物相容性和治疗有效性，氢气在临床应用中显示出巨大潜力。例如，吸入氢气（或氢氧混合气体）和口服富氢水（HRW）已被临床批准用于某些呼吸系统和消化系统疾病的辅助治疗，包括慢性阻塞性肺疾病（COPD）和高尿酸血症，因其给药方式简便且能使氢气直接接触病灶，显示出显著的临床疗效（4）。但它们的氢气递送效率或生物利用度仍相对有限。因此，迫切需要开发高剂量（高效氢气负载或生成）、靶向（靶向递送或局部递送）和可控（按需释放或持续释放）的递送材料，以提高氢气治疗各类疾病的效果，尤其是针对远端病灶。

为克服这些挑战，氢医学材料这一交叉学科领域应运而生，其定义为开发新型生物医学材料以解决氢医学中的关键问题，包括通过在体监测氢气的转运、代谢和转化来探索氢气的生物学效应及机制，通过靶向递送和可控释放氢气来增强氢气对各类氧化应激相关疾病的治疗效果等（20-24）。在接下来的两节中，我们将介绍用于体内氢气监测的氢气生物探针和用于增强氢气递送及治疗典型疑难疾病的氢气治疗生物材料的最新进展。

2. 氢气生物探针

揭示氢气在体内的转运和代谢行为，对于理解其药代动力学、生物学效应及机制，以及提高其临床转化的生物利用度至关重要。氢气具有高组织穿透能力，能快速穿过各种生理屏障，但另一方面，这也意味着氢气易扩散，增加了在体实时检测的难度。目前，氢气的检测方法主要包括亚甲蓝滴定法（25）、气相色谱法（GC）（6）、氢气微电极法（8,15）和氢气生物探针法（26）（表1）。亚甲蓝滴定法操作简单，但选择性和精度不足，且仅限于体外应用。气相色谱法具有高选择性和检测精度，但无法进行在体实时检测，因为需要从活体中提取目标组织并匀浆后进行检测。氢气微电极法可用于体外和体内实时检测氢气，但易受环境光、声音、酸和还原剂的干扰，且无法进行空间检测。相比之下，生物探针适用于体内实时和空间检测，但由于氢分子的高化学惰性、高扩散性和低溶解度，氢气生物探针的开发面临巨大挑战，这对检测灵敏度提出了极高要求。克服这一挑战对于理解和探索氢分子的生物学效应及机制至关重要。

表1. 氢分子的典型检测方法

为提高氢气检测灵敏度，我们提出了一种催化氢化-发光荧光策略，通过将钯纳米颗粒包封并将叠氮基/香豆素修饰的荧光团（NDI-N3）偶联到介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）中，成功开发了一种比率荧光氢气探针（NDI-N3/Pd@MSN-PEG），如图1a所示（26）。钯纳米颗粒可捕获氢分子并催化叠氮基原位氢化为胺基，从而在542 nm处产生荧光发射。此外，将在460 nm处具有不依赖氢气的荧光发射的香豆素用作内参，构建比率荧光氢气探针，可避免探针浓度效应并减少背景荧光的影响。在饱和溶解度800 μM以下，542 nm与460 nm处的荧光强度比随氢气浓度几乎线性增加（图1b,c）。所开发的氢气生物探针具有高选择性、快速响应性、高灵敏度和低检测限。这种目前唯一可用的氢气生物探针为研究氢气的生物学行为创造了机会。

图1. （a）比率荧光氢气生物探针NDI-N3/Pd@MSN-PEG的结构及检测原理示意图。（b）含氢水溶液与探针反应后的荧光光谱。（c）（b）的相应统计图表。经参考文献（26）许可转载。版权所有2022 Wiley-VCH。

氢气具有高组织穿透性这一点已被广泛认可，但在氢气生物探针开发之前，相关直接证据较为缺乏。研发的NDI-N3/Pd@MSN-PEG氢气生物探针提供了关键工具，可直接观察和验证氢气穿过动植物体内多种生物屏障的能力，如血脑屏障、植物屏障、细菌生物膜屏障、肿瘤屏障和皮肤屏障（6,25,27）。如图2a、b所示，吸入氢气5分钟后，探针覆盖的脑干处542 nm与460 nm的荧光强度比显著增强，表明氢分子可快速穿过血脑屏障。同样，在藿香植物模型中，我们观察到富氢水中的氢分子在1分钟内从根部快速转运至叶片（速度超过15厘米/分钟）（图2c、d）（26）。研发的氢气生物探针为可视化氢气在生物体内的分布提供了手段。我们预计，近红外荧光探针、光声探针、磁共振成像探针和拉曼成像探针的开发将更有助于阐明氢气在体内的分布和代谢行为，但由于高灵敏度和选择性之间可能存在冲突，开发难度更大。

图2. （a）利用NDI-N3/Pd@MSN-PEG氢气生物探针检测小鼠脑干处氢气的示意图。（b）吸入氢气后不同时间点小鼠脑部的荧光图像。（c）利用NDI-N3/Pd@MSN-PEG氢气探针检测植物叶片中氢气的示意图。（d）将植物根部浸入饱和富氢水后不同时间点植物叶片的荧光图像。（a-d）经参考文献（26）许可转载。版权所有2022 Wiley-VCH。

3. 氢气治疗生物材料

3.1. 氢气递送材料的进展

为克服传统氢气/富氢水给药方式在氢气递送效率和生物利用度方面的局限性，人们正在开发多种氢气递送材料，以实现高剂量、靶向和可控递送，从而提高氢气治疗各类疾病的效果（5,28）。氢气递送材料可分为三类，包括氢气载体、水解产氢材料和催化产氢材料，它们具有不同的特点和特定的治疗优势（表2）。氢气载体凭借其多功能性，可轻松将氢气治疗与光热治疗、化学治疗等其他治疗模式相结合，以增强抗癌和抗生物膜功效（25,29）。水解产氢材料可定制为持续水解产氢，与治疗时间窗相匹配（30），因此特别适合构建用于组织工程的多功能长期产氢支架/植入物（8）。催化产氢材料在外源刺激（如光、超声、电场和磁场）的激活下，通过催化氧化/消耗内源性底物（如水（31）、谷胱甘肽（GSH）（32,33）和乳酸（LA）（27,34））产生氢气，因此具有时空精确性/特异性，适合协同调节复杂的恶性病理微环境，如肿瘤、生物膜和关节炎。

表2. 典型氢气递送材料的特点

3.1.1. 氢气载体

水是传统的氢气载体（图3a），富氢水和富氢盐水给药安全、方便，被广泛采用（4）。口服后，氢分子可通过血液循环迅速分布到全身（30,35）。然而，由于其相对较低的溶解度/氢气负载能力（0.8 mM饱和溶解度，表2）和高扩散性，无法将高剂量氢气靶向递送至病变部位（5,18,48）。一种基于全氟碳（PFC）的微泡（MB）被开发用于负载和超声可控释放氢气，但其氢气负载能力和稳定性较差（图3b，表2），因为氢气难以被一般载体束缚（36）。由于钯在金属中具有最强的氢气结合能力，并且可以自催化氢化为氢化钯，我们在室温和常压下成功制备了氢化钯（PdH0.2）纳米晶体，实现了高效负载（比饱和富氢水高3个数量级，表2）、肿瘤靶向递送和近红外光控释放氢气（图3c）（25,29,37,38）。此外，我们开发了一种卟啉-钯金属有机框架（Pd-MOF），以进一步提高氢气负载能力（图3d，表2）（39）。开发具有更高氢气负载能力的氢气载体似乎非常困难，但其功能可扩展至与光热治疗和药物治疗等其他模式联合使用（表2）（25,39）。

图3. 各种氢气载体的示意图，包括（a）水、（b）微泡、（c）PdH0.2和（d）PdH-MOF。（b）经参考文献（36）许可转载，版权所有2017美国化学会。（c）经参考文献（25）许可转载，版权所有2018自然出版集团。（d）经参考文献（39）许可转载，版权所有2019英国皇家化学会。

3.1.2. 水解产氢材料

与氢气载体相比，水解产氢材料具有更高的产氢能力（高1-2个数量级）和多样化的可控释氢途径（表2）。它们分为多种类型，包括金属/合金（30,40）、硼烷（42,43,49）、金属氢化物（15）、金属硅化物（8,16,18,46）和金属硼化物（44,45）。通过尺寸/结构/形态调控和表面修饰，这些材料被设计为具有微环境响应性（水、H+、OH-等）或可持续释氢特性，以提高氢气在各种生物医学应用中的生物利用度。

活性金属和金属合金（如镁、锌、铁）通常用作组织修复和再生的可生物降解植入物。通过调整合金成分和结构，使生物降解性与力学性能相匹配一直是研究热点，同时，在其生物降解过程中产生的氢气所具有的抗癌、抗炎和促修复作用也值得关注。最初，我们开发了一种羧甲基纤维素包覆/保护的铁纳米颗粒（Fe@CMC），以实现对肿瘤酸性微环境的响应性控释氢（40）。为了提高铁的响应性，我们构建了一种具有与Pd-MOF相似结构（图3d）的铁-卟啉MOF（Fe-MOF）（图4a-c）（41）。此外，这种结构能够在酸性条件下协同释放氢气和负载的其他治疗分子，实现联合治疗。为了控制金属在胃中的水解速率以获得最佳生物利用度，我们设计了一种锌-铁原电池微/纳米结构，通过调节铁与锌的比例来调整锌微粒的酸解速率（图4d-f）（30）。由于锌-铁原电池的酸解/产氢持续时间与胃排空时间匹配良好，因此可以最大限度地提高氢气治疗胃癌和胃炎的效果。

图4. Fe-MOF的示意图（a）、微观形貌（b）和酸响应释氢性能（c）；锌水解加速机制示意图（d）、元素 mapping（e）和锌-铁原电池微/纳米结构的酸响应产氢行为（f）；MBN和MSN的合成路线示意图（g）、微观形貌（h）和MBN的pH依赖性释氢行为（i）。（a-c）经参考文献（41）许可转载，版权所有2022 Wiley-VCH。（d-f）经参考文献（30）许可转载，版权所有2024爱思唯尔。（g-i）经参考文献（44）许可转载，版权所有2019 Wiley-VCH。

氨硼烷（AB）是一种众所周知的能源用氢供体，氢含量高但稳定性低（49）。为了稳定AB，我们基于AB与介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）之间的氢键相互作用，将AB限制在MSN的多孔通道中（AB@MSN）（42,43）。同样，为了防止金属氢化物（一种常见的口服氢供体）被胃酸降解，我们构建了一种具有西瓜状结构的肠道靶向控释氢微胶囊（MgH2@EC@ES），该微胶囊通过pH响应性溶胀的欧巴代S100（ES）包裹MgH2微粒和疏水性乙基纤维素（EC）（15）。口服后，微胶囊可以避开胃部，在肠道内稳定释放大量氢分子（6小时内达到约800μM）。肠道靶向持续释放氢分子可有效治疗炎症性肠病（IBD），在某些方面甚至优于临床一线IBD药物5-氨基水杨酸。

金属硅化物/硼化物是一类新型水解产氢材料，具有独特的AB型层状分子结构。它们的块体或微粉在生理条件下通常具有相当高的刚性和稳定性，因此在生物医学领域关注较少。但原则上，将其尺寸减小到二维纳米材料有可能提高其水解活性。因此，我们开发了一种超声/微波辅助化学剥离方法，成功合成了一系列新型金属硅化物/硼化物纳米片（MSN和MBN），包括MgB2、CaB6、Mg2Si、CaSi2、CeSi2等（图4g，表2）（8,16,18,44-46）。通过调控它们的维度和尺寸，可以按需调节MSN和MBN在各种微环境中的水解产氢行为。以MgB2纳米片为例，如图4h所示，它们表现出酸响应性释氢行为（图4i）（44）。此外，将它们包封到支架中或进行表面修饰都可以延长其水解产氢持续时间（8）。

3.1.3. 催化产氢材料

与传统药物/前药递送不同，新兴的催化医学在治疗特异性、精确性和可持续性方面具有独特优势。只要存在或提供足够的底物（如水），在催化剂的催化下就可以持续产生氢气，而催化剂不会被大量消耗，这为可持续治疗提供了有力支持。此外，催化产氢仅在病灶处受到内源性刺激（如光和超声）照射时发生，可实现精确和按需治疗（50）。除产氢外，催化产生的空穴还可以氧化消耗构建恶性微环境的底物（如GSH），或通过全水分解产生O2/·OH，与氢气共同调节复杂的病理微环境（31-33,47）。

如图5a所示，将光电、压电、磁电或热电与催化剂上的催化反应相结合是实现催化产氢的关键。因此，设计和调控催化剂的刺激诱导电性能和能隙结构对催化产氢材料的设计至关重要。例如，与紫外光催化相比，可见光/近红外光催化更适合氢气治疗，因为可见光和近红外光具有较低的光毒性和较高的组织穿透性，但这对光催化剂的能隙结构提出了更高的要求，包括更窄的带隙（Eg）。为了解决这一问题，我们设计了一种新型的SnS1.68-WO2.41Z型结构（Eg=1.49 eV）以及两种新型掺杂结构，即碳/钾掺杂氮化碳（C3N4:C/K，Eg=1.71 eV）和氢掺杂二氧化钛纳米棒（HTON，Eg=1.45 eV），实现了可见光/近红外光催化产氢（图5b）（17,32-34）。受限于可见光和近红外光的组织穿透性，可见光/近红外光催化产氢材料适用于表面疾病治疗。

图5. 用于治疗的催化产氢基本机制（a）以及几种经典的光催化剂和声催化剂用于催化产氢的能带结构和形貌（b）。经参考文献（32）许可转载，版权所有2021自然出版集团；参考文献（34），版权所有2022美国科学促进会；参考文献（31），版权所有2023爱思唯尔；参考文献（27），版权所有2023 Wiley-VCH；参考文献（6），版权所有2023牛津大学出版社。

对于深部疾病，更需要声催化和磁催化产氢材料，因为与光相比，超声和磁场具有更高的组织穿透性（图5a）。声催化产氢效率与催化剂的压电性、比表面催化位点和能隙结构高度相关。因此，我们设计了ZnS纳米颗粒的介晶结构（mZnS）以增加ZnS纳米颗粒的超声吸收截面（31），定制了SnS（SSN）（27）和C3N4（CCN）（6）的纳米片形貌以增强其压电性和比表面催化位点（图5b）。最近，我们发现Bi₂Te₃纳米片具有压电性，并首次通过实验证实了超声驱动的间接带隙半导体向直接带隙半导体的转变，这使得超声刺激能够重构其能带结构，从而有效实现声光电催化全水分解产生H₂和·OH（47）。此外，磁催化产氢材料也非常适用于治疗深部疾病，如骨相关疾病，但其设计和开发更具挑战性。

3.2. 氢气治疗的定制化材料

氢气治疗涉及多种氧化应激相关疾病，包括各类炎症、肿瘤和组织损伤。这些疾病的不同特征要求定制化的氢气递送材料，以实现氢气的靶向递送和可控释放。氢气的靶向递送包括氢气的靶向给药和局部给药。除了将氢气靶向递送至病灶外，作为氢气分子靶点的铁卟啉也值得利用以增强氢气治疗效果，因为它与非酒精性脂肪肝（NAFLD）等多种疾病高度相关（14,46）。这两个不同层面的“靶向”（组织层面和分子层面）在概念上需要区分，并可结合使用以增强氢气治疗效果。另一方面，为了提高氢气的生物利用度和治疗效果，需要设计多种内源性/外源性刺激响应的可控释放方式，以满足不同疾病治疗的特定需求。本节阐述了针对几种疑难疾病的氢气治疗定制化氢气递送材料的策略。

3.2.1. 靶向炎症治疗

非酒精性脂肪肝是一种由铁死亡引起的肝脏代谢疾病，铁死亡源于肝细胞内铁池中的类芬顿反应，其中存在过量的铁配位化合物，包括游离血红素、柠檬酸铁（II）和乳酸铁（II）。最近，我们首次发现非酒精性脂肪肝铁池中的游离血红素可以催化H₂O₂/·OH的氢化反应，从而阻断基于血红素的类芬顿反应，因此开发了一种新型肝细胞靶向氢气递送系统（MSN-Glu），通过N-（3-三乙氧基硅丙基）葡萄糖酰胺修饰Mg₂Si纳米片，以阻断非酒精性脂肪肝的血红素催化恶性循环（图6a）（46）。研发的MSN-Glu纳米药物具有高氢气递送能力、肝细胞靶向性和持续释氢行为，可改善肝脏代谢功能，加速铁池清除，为非酒精性脂肪肝的预防提供支持。从另一个角度，我们提出了局部氢气捕获和催化氢化的治疗理念，用于肝脏靶向高剂量递送氢气，以预防和治疗慢性肝病（CLD）（图6b）（38）。静脉注射后靶向蓄积在肝脏中的钯纳米颗粒充当“氢气泵”，在吸入氢气时快速捕获流经肝脏的氢气，并催化·OH氢化为H₂O，实现局部高效治疗慢性肝病（图6b）。这些基于疾病发病机制和氢气分子靶点的治疗策略，为炎症相关疾病的安全有效治疗提供了启示。

图6. 用于肝脏疾病靶向治疗的氢气递送材料。（a）肝细胞靶向氢气递送系统（MSN-Glu）用于阻断非酒精性脂肪肝的血红素催化恶性循环。（b）靶向肝脏的钯纳米颗粒作为“氢气泵”用于慢性肝病治疗。（a）经参考文献（46）许可转载，版权所有2023爱思唯尔。（b）经参考文献（38）许可转载，版权所有2019作者。

许多疾病轴与肠道炎症相关，可通过氢气给药（通常为口服富氢水）进行调节。然而，只有少量富氢水可直接到达肠道，这意味着利用产氢材料靶向肠道递送高剂量氢气可能更有利于肠道炎症的治疗。氢化钙和氢化镁等金属氢化物具有较高的水解产氢效率（表2），但它们在通过胃部时易被快速酸解，导致氢气在肠道的生物利用度有限。为解决这一问题，我们采用多步微乳液法将氢化镁微粒包裹在疏水性乙基纤维素网络中，并进一步包覆一层欧巴代S100，构建了西瓜状肠道靶向控释氢微胶囊（MgH₂@EC@ES，图7a）（15）。该微胶囊有效避免了胃酸的酸解，进入肠道（pH>7）后开始溶胀并水解产生氢气，实现了肠道靶向产氢（图7b,c）。在结肠炎小鼠模型中，口服MgH₂@EC@ES微胶囊可有效预防和治疗炎症性肠病。此外，我们创新性地发现，MgH₂@EC@ES微胶囊释放的氢气在 mitochondrial electron transport chain（线粒体电子传递链）中细胞色素的催化下，可局部清除由线粒体电子泄漏产生的·OH，从而保护电子传递链中的复合物免受氧化损伤，增强肠道细胞的能量代谢，支持结肠炎中的黏膜修复。

图7. 用于结肠炎治疗的肠道靶向控释氢微胶囊MgH₂@EC@ES。（a）西瓜状结构，（b）pH响应性产氢行为，（c）MgH₂@EC@ES微胶囊的作用机制。经参考文献（15）许可转载，版权所有2024 Wiley-VCH。

3.2.2. 靶向肿瘤治疗

利用实体瘤的高通透性和滞留（EPR）效应，我们率先提出了通过调控氢气递送纳米材料的尺寸和刺激响应性来实现肿瘤靶向递送（图8a）和氢气可控释放（图8b,c）的策略（48）。例如，我们合成了直径约150 nm的Fe@CMC纳米球，以实现肿瘤靶向递送和肿瘤内酸性响应性水解产氢（图8b）（40）。另一方面，我们设计了30 nm的PdH₀.₂纳米立方体，用于稳定储存氢气，实现肿瘤靶向氢气递送和近红外光控释氢（图8c）（25）。这种肿瘤靶向策略可扩展到其他氢气递送材料。值得注意的是，我们主张通过将氢气治疗与化疗、动态疗法等其他肿瘤治疗模式相结合，利用氢气的抗癌选择性来增强抗癌 efficacy，并减少对正常细胞/组织的毒副作用。在这种情况下，多功能氢气递送材料，包括Pd-MOF和Fe-MOF纳米颗粒，已被开发用于整合其他治疗模式（39,41）。值得注意的是，氢气可轻易穿透肿瘤组织并自由穿过细胞膜，抑制药物外排泵的过度表达，显著提高化疗敏感性（图8d）。基于这一策略，我们最近构建了一种持续释放氢气/氟尿嘧啶的直肠栓剂（5-FU/CSN@FAG），通过脂肪酸甘油酯（FAG）包裹5-氟尿嘧啶（5-FU，一种结直肠癌治疗的一线药物）和硅化铈纳米颗粒进行局部联合给药，实现了结肠癌的高效低毒氢化疗（18）。

图8. 用于肿瘤治疗的肿瘤靶向控释氢材料。（a）具有被动靶向效应的氢气递送纳米材料示意图。（b）具有酸控释氢行为的Fe@CMC纳米颗粒的透射电镜图像。（c）具有光控释氢行为的PdH₀.₂纳米立方体的透射电镜图像。（d）基于氢气的抗癌选择性和高组织穿透性，将氢气治疗与其他肿瘤治疗模式（H₂+X）相结合，以增强抗癌 efficacy并减少对正常细胞/组织的毒副作用。（a）经参考文献（48）许可转载，版权所有2019 Wiley-VCH。（b）经参考文献（40）许可转载，版权所有2019英国皇家化学会。（c）经参考文献（25）许可转载，版权所有2018自然出版集团。（d）经参考文献（41）许可转载，版权所有2022 Wiley-VCH。

目前，纳米药物的肿瘤靶向递送效率相当低。尽管由于氢气的高生物安全性，氢气递送纳米材料的肿瘤脱靶所引起的副作用几乎可以忽略不计，但氢气治疗的效果仍在一定程度上受到限制。从另一个角度来看，催化治疗的特异性、精确性和可持续性可以规避脱靶带来的不利影响。因此，催化产氢材料可以确保氢气的靶向、可持续递送，实现按需氢气治疗。值得注意的是，氢气不仅可以通过抑制癌细胞的呼吸来影响其能量代谢，还可以抑制癌细胞上PD-L1的表达，并将肿瘤相关的M2型巨噬细胞极化为M1型，从而激活肿瘤免疫（图9）（27,31,41）。另一方面，催化剂的价带顶可以被调节以氧化和消耗一些有助于形成肿瘤微环境的关键底物（如谷胱甘肽和乳酸），或者通过催化全水分解产生O₂以缓解肿瘤缺氧、激活CD8⁺T细胞，或产生·OH以杀死癌细胞（图9）（27,31-33,47）。显然，催化产氢治疗在肿瘤免疫激活和肿瘤微环境调节方面具有重要价值。这些治疗策略将为基于催化产氢材料开发先进的癌症治疗方法开辟新途径。

图9. 目前发现的肿瘤催化产氢治疗途径总结。ORP，氧化还原电位。

3.2.3. 局部组织修复与再生

大多数组织损伤都不同程度地与炎症相关。由于氢气被认为是一种生物安全且有效的抗炎剂，近年来将氢气应用于辅助组织修复和再生的研究日益受到关注。传统的氢气给药途径，包括吸入氢气和富氢盐水浸泡，氢气递送效率和生物利用度较低（4,19），因此局部使用具有更高产氢能力的先进氢气递送材料是组织修复的最佳选择。除抗炎外，氢气在组织修复中的更多意外生物效应被发现，为组织工程中氢气递送材料的合理设计提供了启示。在本节中，我们将以几种疑难组织损伤为例，强调定制化氢气递送材料的重要性和优越性。

严重烧伤早期伴有持续性炎症和创面进行性加深，愈合后常导致增生性瘢痕形成和显著的皮肤功能丧失。及时有效地控制炎症尤为关键。基于这一需求，我们通过机械剥离法制备了Mg₂Si纳米片，并将其包封在壳聚糖/透明质酸水凝胶中，构建了一种新型敷料（MSN@CS/HA）用于深度烧伤创面修复（图10a）（16）。这种敷料在生理条件下可连续产生大量氢分子，持续时间长达1周，为局部提供长期、充足的氢气供应（图10b）。释放的氢气不仅能有效清除局部过量表达的有害活性氧，提高皮肤细胞活力，还能诱导皮肤细胞增殖和迁移以及巨噬细胞从M1型向M2型极化，促进深度烧伤创面愈合和再生，且无明显瘢痕和毒副作用（图10a,c）。这项研究为开发用于高效创面修复的持续产氢敷料开辟了新途径。

图10. 用于深度烧伤创面修复的产氢水凝胶敷料。（a）MSN@CS/HA敷料对创面部位各类细胞行为影响的示意图。（b）持续释氢曲线。（c）MSN@CS/HA敷料的创面修复效果。

老年人的衰老/损伤叠加衰老会严重削弱受损组织的自我修复能力。这给老年人的骨折和骨缺损修复带来了巨大挑战。抗衰老被认为有助于衰老骨骼的修复，但一般的衰老细胞清除药物和衰老表型调节药物缺乏抗衰老选择性，导致显著的毒副作用和有限的抗衰老效果。我们最近发现，氢气对24月龄衰老小鼠骨组织中的多种衰老细胞具有广谱抗衰老作用。基于这一发现，我们提出了局部持续释放氢气改善衰老微环境以增强衰老组织自我修复能力的创新策略。因此，我们开发了一种新型释氢支架，通过将CaSi₂纳米颗粒包封在介孔生物活性玻璃上（CSN@PHA-MBG，图11a）（8）。这种支架在骨缺损部位可实现持续水解产氢，持续时间超过10天（图11b）。体内实验结果表明，CSN@PHA-MBG支架通过使衰老巨噬细胞极化、改变分泌组以及保持募集的干细胞的再生能力，有效重塑衰老微环境，促进老年小鼠临界尺寸骨缺损的修复（图11c,d）。提出的局部持续释放氢气重塑衰老微环境的策略，为解决老年人慢性疑难疾病开辟了新途径。

图11. 用于抗衰老和骨缺损修复的产氢支架。（a）CSN@PHA-MBG支架的结构和（b）水解产氢行为。（c）治疗一个月后新生组织的代表性SRμCT图像。（d）氢气介导的衰老骨损伤再生机制示意图。经参考文献（8）许可转载，版权所有2023自然出版集团。

糖尿病足溃疡（DFU）的特点是高糖微环境导致过度糖基化，诱发慢性炎症和细菌生物膜形成，严重阻碍DFU愈合。针对这一问题，我们提出了“一石二鸟”的DFU创面光催化治疗新概念，即通过光催化介导局部葡萄糖消耗，同时产氢，并开发了HTON作为一种可见光响应的光催化剂，其合适的能带结构使其能够利用高糖微环境中的葡萄糖作为牺牲剂，实现高效可见光催化产氢（图12a），取得了高效的糖尿病创面愈合效果（图12b）（17）。研究发现，局部葡萄糖消耗和产氢可通过抑制晚期糖基化终产物（AGEs）的合成及其受体（RAGE）的表达，共同减轻皮肤细胞凋亡，促进其增殖和迁移（图12a）。除葡萄糖外，DFU创面部位的细菌也可被催化氧化/杀死以产氢，实现协同抗生物膜作用（图12c），为DFU创面愈合提供支持（6）。同样，关节炎微环境中过量表达的乳酸也可被催化消耗以产氢，实现关节炎的高效治疗（34）。提出的催化产氢治疗策略为解决具有复杂病理微环境的疑难疾病的病因和症状提供了机会。其中，开发具有高治疗效果和生物安全性的催化产氢材料至关重要。

图12. 疑难疾病的催化治疗策略。（a）可见光催化治疗糖尿病创面机制示意图。（b）HTON光催化治疗糖尿病创面的体内效果。（c）催化消耗内源性底物并产氢用于DFU、生物膜和关节炎联合治疗的示意图。（a,b）经参考文献（17）许可转载，版权所有2022自然出版集团。

4. 结论与展望

氢医学材料作为一个具有巨大潜力的新兴交叉学科领域，发展空间广阔，面临着巨大的研究机遇和挑战。开发用于体内氢气检测的小分子生物探针，对于理解和探索氢气的药代动力学及潜在生物效应具有重要意义，但也极具挑战性。在探索过程中，氢气的更多方面的生物学行为被发现，但其深层机制有待未来阐明。多功能氢气递送材料在治疗包括各类炎症、癌症、衰老、生物膜和组织损伤在内的多种疑难疾病方面展现出独特优势，将在相关多个领域引起越来越多的关注。特别是，超长效水解产氢材料（月级）以及响应X射线和磁场的催化产氢材料的开发，对于治疗骨相关疾病具有重要价值。尽管氢气具有优异的生物安全性，但氢气递送材料的长期稳定性和潜在毒性仍需要深入系统的研究。确保这些材料的高生物安全性、生产可扩展性和治疗效果，对于其临床转化至关重要。

作者信息

Corresponding Author

何前军教授

Qianjun He - Shanghai Key Laboratory of Hydrogen Science & Center of Hydrogen Science, School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;  Shenzhen Research Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shenzhen 518057, China;  https://orcid.org/0000-0003-0689-8838; Email: qjhe@sjtu.edu.cn nanoflower@126.com

Biographies

Chao Xia is an Assistant Professor at Shanghai Jiao Tong University (SJTU). He received his doctorate from East China Normal University in 2020. His research interests focus on development of hydrogen medicine materials, their biomedical applications and clinical transformation, especially in anticancer and tissue engineering.

Qianjun He is a winner of Distinguished Young Scientists of National Natural Science Foundation of China, and a Tenured Professor at Shanghai Jiao Tong University, China. He received his doctorate from Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences in 2010. His research focuses on the engineering and development of advanced nanomaterials and nanomedicines for precision theranostics and hydrogen therapy of intractable diseases.

References

This article references 50 other publications.