研究简介:本研究针对肌萎缩侧索硬化症（ALS）缺乏有效临床干预手段的现状，提出了一种基于突变超氧化物歧化酶1（SOD1）催化氢气的新型治疗策略。ALS是一种致死性神经退行性疾病，突变SOD1诱导的氧化应激与神经炎症是其核心致病驱动因素，二者形成自我放大的恶性循环，加速运动神经元死亡。尽管氢气（H₂）具有抗氧化与抗炎潜力，但传统递送方式（如富氢水）存在释放不稳定、生物利用度低的问题，难以满足ALS长期治疗需求。


为突破这一瓶颈，研究团队 开发了一种口服镁硅化物（Mg₂Si）纳米片饲料，可在胃肠道内通过水解反应持续、稳定地释放高浓度氢气。在hSOD1G93A转基因小鼠ALS模型中，Mg₂Si饲料干预显著延缓了疾病进展：延长了小鼠寿命，改善了旋转棒、悬挂钢丝及足迹分析所反映的运动功能，并减轻了体重下降。组织病理学结果显示，该治疗缓解了脊髓前角运动神经元变性、错误折叠SOD1蛋白聚集以及反应性胶质增生，同时保护了神经肌肉接头完整性，改善了骨骼肌萎缩。机制研究揭示，Mg₂Si衍生的氢气高效清除突变SOD1催化芬顿样反应产生的·OH，恢复SOD1酶活性。


转录组学分析表明，氢气下调氧化应激与神经炎症相关通路，抑制NLRP3炎症小体活化，进而减少caspase-1切割、GSDMD介导的细胞焦亡及成熟IL-1β释放，从而打断“氧化应激—神经炎症”的病理串扰。此外，长期口服Mg₂Si未表现出明显毒性，主要脏器组织学与血清生化指标均正常。本研究首次将Mg₂Si纳米材料介导的缓释氢气疗法应用于ALS治疗，建立了一种新型胃肠氢气递送策略，为金属蛋白酶相关神经退行性疾病的干预提供了创新且具临床转化前景的范式。


Unisense微电极系统的应用


Unisense 氢气微电极被用于定量监测 Mg₂Si 纳米片饲料在体外模拟胃肠环境及活体动物体内的氢气释放动力学。首先将一定量的 Mg₂Si 纳米片均匀分散于不同 pH 值（pH = 5.4、7.4）的生理盐水中，以模拟胃肠道的酸性与中性环境；随后将 Unisense 氢气微电极浸入反应体系，在温和搅拌条件下连续监测至少 24 小时的氢气释放过程，从而获得材料在不同 pH 下的释氢曲线。此外，为考察饲料基质的影响，称取 15 mg 掺有释氢材料的鼠饲料，置于 15 mL 不同 pH 的生理盐水中，同样用该微电极连续监测 H₂ 释放，以评估实际饲料配方中的释氢行为。研究人员将野生型（WT）小鼠随机分为 Mg₂Si 饲料组与富氢水（HRW）灌胃对照组，禁食 12 小时后分别给予 2 g 含 Mg₂Si 饲料或 200 μL 饱和富氢水。在给药后 0.5、2、6、12 和 24 h 五个时间点，每组各麻醉 3 只小鼠，沿腹白线打开腹腔，用 Unisense 氢气微电极直接原位测量胃及小肠内容物中的氢气浓度。


实验结论


口服镁硅化物（Mg₂Si）介导的缓释氢气疗法可有效延缓hSOD1G93A转基因小鼠的疾病进展，通过抑制错误折叠SOD1聚集、减轻氧化应激与神经炎症发挥强效神经保护作用，显著延长模型生存期，且长期给药未观察到明显毒性，具备较高的临床转化潜力。机制层面证实，氢气是氧化应激-神经炎症串扰的多效性调节因子，可直接清除突变SOD1催化类芬顿反应产生的毒性羟基自由基，通过抑制NLRP3炎症小体活化，阻断二者自我放大的致病恶性循环，进而减少脊髓运动神经元丢失、保护神经肌肉接头完整性、缓解骨骼肌萎缩。


相较于目前仅有的4种获批ALS药物（仅能轻度延缓疾病进展、缺乏持续获益），本Mg₂Si口服递送系统从病理源头靶向干预核心致病通路，单鼠7.5mg剂量的产氢量可达200μL饱和富氢水的2343倍，且可在胃肠道实现长效缓释，大幅提升氢气生物利用度。本研究也存在一定局限：目前结果仅在SOD1G93A家族性ALS模型中得到验证，而SOD1突变仅占散发性ALS病例的约2%，该疗法暂无法直接外推至散发性ALS人群；此外口服给药缺乏主动中枢靶向能力，长期产氢可能短暂引起腹胀，硅酸盐代谢产物也可能短暂影响肠道动力，但无体内蓄积风险。

H₂干预SOD1催化的类芬顿反应

图1、 H₂干预SOD1催化的类芬顿反应。a、b：采用特异性结合羟基自由基（·OH）生成7-羟基香豆素的香豆素（CCA）荧光探针检测·OH生成：无H₂O₂条件下452 nm处荧光强度无变化，证实无类芬顿反应发生；加入H₂O₂后荧光强度显著升高，提示·OH生成；H₂处理后荧光强度明显降低，表明H₂可有效抑制异常SOD1诱导的类芬顿反应。c：SOD1酶活性检测结果：SOD1与H₂O₂共孵育后酶活性显著下降，加入富氢溶液（HRS）可恢复SOD1功能。d-f：原代神经元细胞实验结果：SOD1WT转染组与空白对照组相比，细胞内活性氧（ROS）生成无显著变化，细胞活力正常；SOD1G93A转染组绿色荧光（对应·OH）增强，细胞活力下降；H₂干预组·OH生成减少，细胞存活率显著提升。