An injectable hydrogen-producing bacteria hydrogel for cardiac repair in rodent and porcine models

可注射产氢细菌水凝胶在啮齿类及猪心肌缺血/再灌注损伤模型中展现心脏保护效应

一支多学科研究团队报道了一种可注射水凝胶系统的研发成果，该系统通过包裹产氢光合细菌，旨在缓解心肌缺血/再灌注（I/R）损伤。相关研究发表于《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering），在啮齿类动物及大型动物（猪）模型中均展示了治疗有效性，为长期以来缺乏有效干预手段的临床难题提供了潜在可转化策略。

临床问题与治疗依据

心肌I/R损伤是全球致残率与死亡率最高的病因之一。尽管再灌注治疗已取得进展，缺血组织的复氧过程却会矛盾性地产生细胞毒性活性氧（ROS），尤其是经Fenton反应生成的羟自由基（·OH），可破坏线粒体完整性与能量代谢，导致不可逆的心肌细胞损伤。既往抗氧化策略——包括线粒体靶向药物和纳米颗粒清除剂——因靶向递送困难及心脏内稳定性不足，临床结果均不理想。分子氢（H₂）作为·OH的选择性清除剂，可在不影响其他ROS的前提下发挥作用，但现有递送方式存在溶解度低、剂量不足及释放不精准等固有缺陷。

系统设计与制备

研究者将具有光照产氢能力的光合细菌——沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris，PSB）——包裹于猪源真皮细胞外基质（ECM）水凝胶中。以5 mg/ml为最优浓度的ECM水凝胶呈剪切变稀（假塑性）流变行为，屈服应力为108.5 Pa，最大注射压力为150.875 Pa，证实可通过标准注射器注射给药。整合PSB后，储能模量与损耗模量提升约一个数量级，显示出交联密度的显著增加。扫描电子显微镜证实PSB紧密嵌入ECM微纤维网络，共聚焦轨迹分析表明水凝胶内PSB运动受到明显约束。

产氢能力与抗氧化效果

在1×10⁸ CFU/ml浓度、10,000–11,000 Lux氙灯照射条件下，H₂产生达到最优。值得注意的是，停止照射后H₂产生仍可持续至少15分钟，体内超声心动图成像实时证实了心包腔内H₂的生成。Transwell共培养实验显示，PSB水凝胶在光激活后30分钟内即可将细胞ROS水平降至接近正常范围，与再灌注损伤的急性氧化应激窗口期高度吻合。细菌活性与产氢能力在72小时内随时间下降，死细胞最终占主导，但6–12小时的有效产氢窗口被认为足以干预急性氧化应激过程。

生物安全评估

综合安全性评价涵盖体外细胞毒性、斑马鱼胚胎毒性、大鼠全身给药及皮下/肌肉植入等多个层面。治疗浓度下，PSB对H9c2心肌细胞及HUVEC无显著细胞毒性，未诱导巨噬细胞M1极化或促炎细胞因子（IL-6、IL-8、TNF-α）的显著分泌。体内实验中，给药后7天及30天的血液学、生化及组织病理学评估均证实了全身安全性。ECM包裹使PSB在72小时内的逸出率降至7%以下，显著限制了细菌向外周器官的扩散。心包腔内PSB水凝胶给药仅引发短暂、自限性中性粒细胞反应，未见慢性感染或胶原沉积。

啮齿类模型疗效

在大鼠I/R损伤模型中，心包腔注射PSB水凝胶后经光激活（PSB+L组），氧化应激标志物（LDH、GSH、CAT、MDA、SOD）及心肌损伤生物标志物（CK-MB、cTnT）在24小时内趋于正常。二氢乙锭（DHE）染色证实心肌组织ROS显著减少。第7天，斑点追踪超声心动图显示PSB+L组径向位移、应变及速度均恢复正常。第30天，Masson三色及天狼星红染色显示梗死面积显著减少、存活心肌增加、梗死壁厚度增大；LVEF、LVFS、LVIDd、LVIDs等超声参数亦趋于正常化。

线粒体机制研究

H₂治疗被证实可恢复I/R损伤所致的线粒体动力学紊乱。受损H9c2细胞中线粒体呈碎片化形态；PSB+L处理后，线粒体群体向延长型及中间型转变。线粒体膜电位（ΔΨ，JC-1染色）、线粒体ROS（mitoSOX）、耗氧率（OCR）及胞外酸化率（ECAR）均显著改善。左心室心肌TEM确认线粒体大小、长度及密度恢复正常。免疫印迹结果显示分裂蛋白（FIS1）与融合蛋白（MFN2）的表达发生调控，从分子层面证实了H₂对线粒体动力学的重新平衡作用。

猪模型验证

为弥合转化医学差距，研究者采用中国巴马小型猪，经球囊导管冠状动脉闭塞75分钟、再灌注180分钟建立I/R损伤模型。PSB水凝胶治疗有效减轻了心肌损伤，降低了氧化应激相关细胞损伤，并促进了心肌细胞存活。

结论与展望

本研究提出了一种生物来源、光激活可控的H₂递送平台，通过持续、局部、可调控的气体释放，系统性地解决了氢气治疗的固有局限。ECM生物材料工程与光合细菌生物技术的融合，为I/R心脏保护提供了概念创新的新途径。尽管依赖外源光激活及细菌存活窗口有限等因素构成临床转化的工程挑战，研究者已通过严格的多物种实验提供了令人信服的概念验证。