基于多功能纳米材料的氢气作用研究进展

 

引言

生物体内存在一类特殊的气体信号分子,包括NO、CO、H2S、O2、CO2和H2等，它们具有特殊的生物学效应和高渗透扩散性，对多种生理功能如神经系统、心血管系统和免疫系统起着至关重要的调控作用.相比于存在潜在高浓度血液中毒风险的NO、H2S 和CO 等气体信号分子，氢气由于尚未发现有任何毒副作用，它在疾病防治方面具备独特的发展优势.早在2007年，等报道了氢气能治疗缺血再灌注损伤，认为其机制是氢气的选择性抗氧化作用.氢气能有效地清除细胞内活性氧自由基( Oxide ，ROS)如·OH和ONOO-等，还可以通过调节炎症因子，对炎症引起的疾病也有很好的疗效；在抗癌方面，氢气通过抗沃伯格效应选择性抑制癌细胞增殖，同时保护正常细胞的活性和生理功能，已被用于治疗包括心脑血管疾病、代谢性疾病、呼吸系统疾病及部分肿瘤等多种疾病.近期，氢气还被证实可用于辅助治疗新冠病毒COVID-19.因而,氢气治疗成为一种新颖且非常有应用前景的疾病治疗策略.然而，氢气分子的快速自由扩散特性，导致氢气药物难以在病变部位长效累积，其治疗效果受到极大限制.因此，实现氢气可控释放和靶向运输是当前亟须解决的两个科学难题.

纳米氢气治疗是借助纳米材料将氢气前药进行高效封装，通过优化纳米载体性能或偶联小分子修饰载体，构建出的一类智能纳米气体药物.纳米载体材料由于具有小尺寸效应和易于功能化设计，为实现气体分子的靶向传输与可控释放提供了新的策略，对发展纳米氢气药物用于疾病精准治疗研究具有重要的科学意义.本文总结了近年来基于多功能纳米材料的氢气治疗策略(表1)，将从纳米氢气药物的响应型可控释放、靶向递送和多模型式治疗研究进展予以综述.

AB：硼氨烷；MSN：介孔二氧化硅纳米药物；Mg：镁；p-：介孔二氧化硅核壳微粒；Chla：叶绿素a；AA：抗坏血酸；Au：金纳米粒子；Pdot：聚合物量子点；PdH0.2：氢化钯；MOF：金属有机框架；PDA：聚多巴胺；CMC：羧甲基纤维素；MBN：硼化镁纳米片；PVP：聚乙烯吡咯烷酮.

氢气可控释放策略

氢气治疗效果与浓度高度相关,由于氢气溶解度较低、挥发性较强，难以在病灶组织高浓度长效蓄积.因此实现氢气在病变部位的可控释放显得尤为重要.现阶段从纳米药物结构的角度考虑,有两种实现氢气可控释放的策略：1)设计催化型可控释放氢气前药，借助载体材料或前药分子的催化响应性分解或结构破裂，构建出一系列催化型氢气释放的纳米药物；2)开发刺激响应型氢气释放的纳米药物，采用内源或外源刺激响应，建立一类刺激响应型纳米载体.

1.1 催化型氢气可控释放

催化策略主要通过筛选高效催化剂，利用光催化分解水从而控制氢气的产生和释放.最近，Wan等团队设计并构建了一个多组分纳米反应器用来局部高效产氢，如图1(A)所示.该纳米药物利用脂质体包覆光敏剂叶绿素a(Chla)，供电子体L-抗坏血酸，光催化剂金纳米颗粒.金纳米粒子从活化后的Chla和氧化后的L-抗坏血酸的质子中收集电子以促进还原氢的生成.结果表明，这种基于人工光合作用释放氢气的浓度与光照时间成比例，同时局部高浓度的氢气可以有效降低小鼠炎症模型中过表达的ROS和促炎因子水平.因此，有望利用调节光照时间和控制光照开关来调控氢气持续释放，从而达到长效治疗的目的.

(A)H2光催化纳米反应器；(B)原位光催化产生靶向氢

除了利用金属催化剂来设计可见光催化氢可控释放，还可以采用非金属光催化剂原位催化制氢.Zhang等人选用具有光催化活性和生物兼容性的半导体聚合物量子点，进行光催化产氢.脂质体作为纳米反应器载体，包载聚合物量子点光催化剂和抗坏血酸，聚合物量子点吸收光子后即可引发催化反应生成氢气，产生的氢气通过扩散作用进入病变部位，有效降低脂多糖诱导的炎症反应，如图1(B)所示.这种基于光催化的氢气可控释放策略为气体治疗提供了一种新的途径.因此,通过光催化剂结构设计提高其催化效率进而改变其气体释放行为的策略,对于设计合成新型催化纳米氢气药物具有重要指导意义.

1.2 刺激响应型氢气可控释放

刺激响应型分为内源性和外源性两大类.外源性刺激包括超声、磁场、光、热等，内源性刺激多为细胞内环境、过表达的酶、葡萄糖等.采用调节内外源刺激响应，氢气的释放速率和浓度可以得到有效控制，从而建立一类刺激响应型纳米载体.

肿瘤组织由于肿瘤细胞生长失控、基因表达异常等特点，表现出与正常组织显著不同的生理特征，如偏酸性环境，瘤内低氧环境、还原性环境、H2O2过表达等.基于这些特性，可以构建一系列内源刺激响应型释氢药物.在诸多储氢材料中，氨硼烷(AB)具备储氢容量大，放氢温度比较低等特征，在肿瘤微酸环境下可以产生还原氢，是一种较为理想的氢气前药.Zhang等人设计并合成了一种氢纳米反应器，用于瘤内生成高浓度氢气.以AB为氢气前药，聚多巴胺(PDA)为光敏剂，利用肿瘤细胞同源膜制备了纳米反应器mPDAB，如图2(A)所示.相比于正常细胞，AB对肿瘤细胞弱酸环境更敏感，氢气释放量得到有效提升，清除ROS的能力显著增强.

(A) mPDAB纳米反应器在肿瘤部位累积和H2释放示意图；(B)AB@MSN纳米药物酸响应H2释放机理示意图；(C)Fe@CMC纳米颗粒酸刺激释放H2的机制示意图；(D)MBN@PVP纳米片合成路线和治疗策略示意图

 

空心介孔二氧化硅由于稳定性好、可控性强、粒径均一等优点，在提高药物担载量方面有显著优势.He等采用优异的载体材料介孔二氧化硅(MSN)负载释氢前药AB，构建了一种超高载氢量的纳米药物，如图2(B)所示.AB在酸刺激响应下，释放用于治疗的氢气，但AB是通过氢键与MSN连接，易导致药物在递送过程出现突释现象，因此，如何利用弱酸环境实现氢气的可控释放，又保证纳米药物在生理环境下的高稳定性和无泄漏仍然是当前面临的关键问题之一.

最近He等人成功构建了以Fe为核，羧甲基纤维素(CMC)为壳的核壳结构纳米药物用于酸反应释放氢气，如图2(C)所示.在纳米铁颗粒表面包覆CMC可以有效保护Fe在血液循环中不被氧化，小尺寸的Fe@CMC纳米颗粒具有良好的被动靶向能力和对弱酸环境制氢的高反应性，有利于肿瘤组织内部还原氢的积聚，有效提高了氢治疗的效果.这种酸触发的H2释放行为和治疗效果高度依赖于细胞内pH水平，而肿瘤微酸环境恰恰为这种治疗方式提供了生理基础.

此外，Fan等人采用超声辅助化学刻蚀法，将聚乙烯醇吡咯烷酮(PVP)包封二维硼镁纳米片(MBN)，制备了一种酸敏感释氢纳米药剂，如图2(D)所示.MBN@PVP在正常组织血液中稳定性高，而对胃酸呈现高度的敏感性，具有在酸环境下长达12d的缓释氢气能力，从而显著改善了治疗效果.这种新型胃酸响应的口服纳米药物为肿瘤治疗提供了新的途径.

外刺激源响应具有刺激源容易操控的优势,包括刺激源的开关、聚焦、能量调节和辐照时间的调节等.据此，He等人开发了一种用于肿瘤靶向输送和生物还原氢控制释放的钯氢(PdH0.2)纳米晶，与同尺寸的Pd纳米晶相比，具有更强的近红外光吸收，并通过近红外光有效控制氢气释放，如图3(A)所示.相比于紫外光和可见光，近红外光更加低毒无创，具有高度的生物安全性.因此这种广谱、安全的治疗模式在构建外源刺激响应策略方面具有潜在的应用价值.

Zhou等人通过分子结构设计，构建了一种高效、持续可控和肿瘤靶向的纳米钯有机金属骨架(Pd-MOF)，如图3(B)所示.钯具有较高吸氢性能，在还原加氢后，得到的PdH-MOF在纳米尺度上同时具有尺寸分布均一、分散性良好、光热转换效率优异和持续的还原氢释放能力，大大优化了抗肿瘤疗效.与现有的临床给氢方法相比，PdH-MOF对近红外光敏感，可实现近红外光响应型氢气的可控释放和蓄积，显著提高了氢气的疗效和释放量.因此，这对于设计合成新型光敏感的释氢药物具有重要的指导意义.

(A)钯氢(PdH0.2)纳米晶的合成和近红外控制释放；(B)PdH-MOF纳米粒子的合成

氢气靶向递送策略

2.1 基于被动靶向的氢气治疗

癌变组织血管丰富，内皮细胞间隙较大、缺少血管壁平滑肌层，淋巴回流缺失，因此纳米颗粒可穿过血管壁在肿瘤组织中富集，而不被淋巴液回流带走.这种被动靶向的高通透性和滞留效应( and , EPR)能够大大提高纳米药物在病灶部位的浓度.Kong等人以丙酮为溶剂，采用改进的Stöber法合成了以镁为核，介孔二氧化硅为壳的核壳纳米颗粒(Mg@p-)，如图4(A)所示.该纳米颗粒基于EPR效应使其有效积蓄在肿瘤组织，由于介孔二氧化硅壳层对镁-水反应产氢过程起到控制阻隔作用，进而可通过调控壳层厚度，控制氢气的释放速率.这种新颖的纳米颗粒对比传统的富氢水治疗具有更长效和可控的氢气释放，对临床气体药物的控缓释具有重要参考意义.

He等人开发了一种超声引导氢气微泡递送系统，通过在微泡中加载还原氢来治疗心肌缺血再灌注损伤.氢气微泡利用EPR效应在病灶部位聚集，并可通过超声成像系统进行可视追踪.研究表明，氢气微泡的浓度与超声信号强度成正比，因而可通过调节超声强度对治疗性氢气浓度进行调控.氢气微泡是一种新兴的基于EPR效应的可视化药物递送系统，为临床可视化治疗提供了一个潜在的解决方案.

(A)Mg@p-SiO2-MPs纳米药物被动靶向策略；(B)钯氢纳米药物线粒体靶向示意图

2.2 基于膜靶向的氢气治疗

相比于正常细胞，肿瘤细胞膜表面存在过表达的特异性受体，针对这一特性，可设计一系列受体介导的药物靶向方式.目前基于氢气的主动靶向策略相关研究报道较少，但基于其他气体信号分子，如NO、CO和H2S等已经开展了许多研究，这些研究将为氢气靶向结构设计奠定良好的基础.除了对膜表面特异性的靶向治疗，还可以利用肿瘤细胞膜同源聚集的特点，构筑生物膜仿生策略.Zhang等人设计了一种含聚多巴胺和氨硼烷的生物膜伪装纳米药物，硼氨烷作为氢气前药，在肿瘤微环境刺激下释放氢气，减轻炎症反应和抑制肿瘤生长.同时，由于纳米药物外包覆的生物膜与肿瘤细胞膜同源，伪装膜上丰富的标记物有助于延长药物血液循环半衰期和免疫逃逸，有效提高了肿瘤部位的聚集浓度和生物相容性.仿生纳米药物的出现，进一步拓展了肿瘤靶向治疗的策略和思路.

2.3 基于细胞器靶向的氢气治疗

许多气体信号分子，如CO、H2S和H2等与线粒体内部细胞能量代谢、保护正常细胞和诱导癌变/病变细胞凋亡等有密切联系.因此将释气前药构建成线粒体靶向的治疗策略有望显著提高抗肿瘤治疗或抗氧化治疗的疗效.Zhang等人构建了一种高效载氢药物，如图4(B)所示，通过设计钯氢粒子自催化控制还原氢的释放，对治疗阿尔兹海默病症有着显著的疗效.他们发现线粒体是氢气的作用靶点之一，氢气治疗大大改善了阿尔兹海默病引起的线粒体功能障碍、促进细胞能量代谢和抑制突触和神经元凋亡等症状.但当前氢气防治疾病的作用机制尚不清楚，基于氢气的线粒体生物学效应未研究透彻，对氢气治疗的机理仍停留在表观阶段，因此基于细胞器靶向的氢气治疗还需进一步探索.

联合气体治疗策略

多模式联合气体治疗，是将气体治疗与其他多种治疗方式(如热疗、化疗、放疗、光疗和免疫治疗等)进行联合，通过调节致病细胞的多个信号转导通路，不仅可达到增强综合治疗的效果,治疗性气体还可以减弱甚至消除其他治疗方式对正常组织的毒副作用.因此，基于治疗性气体的多模式联合治疗明显优于传统协同治疗方式，是一种安全且非常有应用前景的治疗策略.

在联合肿瘤化疗、放疗和光热治疗中, H2既可以特异性地敏化肿瘤细胞也可以保护正常细胞.顺铂是应用于临床肿瘤的主要化疗药物，但会诱导ROS的产生，导致耳毒性、肝脏受损等多种组织损伤，Qu等人在利用顺铂进行动物实验的同时给予氢气，发现吸入氢气后的大鼠血清和耳组织中的氧化物含量明显降低,另外还发现氢气能显著减轻顺铂诱导的听觉损伤.这种治疗策略有效降低了单一化疗方式对机体造成的损害，由此建立了氢气治疗-化疗双模式的治疗体系，为抑制肿瘤提供了潜在的治疗方案.

电离辐射会导致机体损伤，目前仅有少量的放射保护剂如氨磷汀可用于人体，但同时会产生高血压等毒副作用.大部分电离辐射诱导的损伤是由·OH引起，而氢气恰恰具有较好的抗氧化效果，能防止脂质过氧化、蛋白质的氧化损伤和DNA氧化，抑制细胞凋亡或坏死.Chuai等人将氢气与传统抗辐射药剂氨磷汀的疗效作对比，发现氢气能显著抑制电离辐射后雄性生殖细胞的凋亡.尽管与氨磷汀相比，这种抗辐射效果略显不足，但当氢气与氨磷汀联合治疗时，能有效提高两者的辐射保护作用，还可以减少氨磷汀的用药量，从而降低药物的毒副作用.因此，氢气有望成为临床上一种新型安全无毒的放射性保护剂.

光热治疗是一种低毒无创的治疗技术，Zhang等人依此设计了脂质体包载聚多巴胺和硼氨烷的纳米载体，在近红外光的照射下，聚多巴胺材料能很好地将光能转换为热能，从而杀死肿瘤细胞.但肿瘤光热疗法通常会引导不良的炎症反应，诱导远处休眠肿瘤的生长.作为氢气前药的硼氨烷在肿瘤弱酸环境下释放还原氢，能明显中和细胞内过表达的ROS，显著降低炎症反应引起的机体损伤，不仅能抑制远处肿瘤细胞的增殖，还进一步加强了光热治疗对原生肿瘤的杀伤作用.除了化疗、放疗和光热治疗,其他治疗模式(如光动治疗和免疫治疗等)也有望借助多功能纳米载体与氢气治疗进行多模式整合,实现增效减毒的精准联合治疗.

总结与展望

纳米气体治疗由于具有纳米药物的尺寸效应、表面效应以及气体的特殊生物学效应，从而成为疾病精准治疗的一种途径，越来越吸引科研工作者的关注.将纳米技术应用于氢气治疗领域是一种新兴且非常有发展前景的抗肿瘤治疗策略.这些研究为纳米氢气药物的结构设计及药效研究奠定了良好的基础.但想要获得生物响应稳定以及精准化治疗的纳米氢气药物，还面临着诸多的困难与挑战.如外来纳米颗粒的引入可能会增加药物递送和释放扩散的复杂性，同时纳米载体在机体运输过程中对细胞、组织和器官的生物学效应尚不清楚，这为进一步临床研究造成了诸多障碍.当前通过刺激响应(如内源性肿瘤微环境响应、外源性光刺激)控制氢气释放的研究还需进一步开发,靶向氢气递送的研究依然非常欠缺.因此设计安全且有效的气体治疗策略，构建可控气体释放和靶向气体运输的纳米气体药物研究亟待开展.

通信作者

汪红娣，女，讲师，博士，主要从事靶向纳米药物的设计和控缓释研究.

原文刊载于：

《杭州师范大学学报(自然科学版)》2021年第5期

为方便阅读，以上内容有删减。