《Nat. Biomed. Eng.》产氢水凝胶修复大动物心脏！

心肌缺血再灌注（I/R）损伤是心血管疾病领域最具挑战性的病理过程之一，是急性心肌梗死患者经再灌注治疗后发生不可逆心肌损伤和心力衰竭的主要原因。全球每年约有 1700 万人死于心血管疾病，其中超过 50 % 与 I/R 损伤直接相关。其核心特征是：缺血心肌在恢复血流灌注后，损伤不仅没有减轻，反而进一步加重，最终导致大面积心肌细胞死亡和心功能不可逆恶化。这一发现为急性心肌梗死的治疗提供了全新的理论视角，也为这类疾病的干预开辟了新方向 —— 通过在再灌注早期及时阻断氧化应激级联反应，可有效预防心肌细胞从可逆损伤向不可逆损伤转化。

I/R 损伤的发生和发展依赖于三个相互关联的核心环节：冠状动脉血流中断导致的能量代谢衰竭、再灌注时的活性氧（ROS）爆发、以及线粒体结构和功能的不可逆破坏。具体而言，缺血阶段心肌细胞 ATP 耗竭导致离子稳态失衡，细胞内钙超载；再灌注时氧气的突然涌入与细胞内积累的铁离子发生 Fenton 反应，产生大量细胞毒性最强的羟自由基（・OH）；・OH 快速攻击线粒体膜上的多不饱和脂肪酸，引发自放大的脂质过氧化链反应，破坏线粒体膜完整性，释放细胞色素 c 等凋亡因子，最终导致心肌细胞凋亡或坏死。与之相对，线粒体抗氧化系统（如谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶）的功能受损会进一步加剧氧化应激损伤，形成恶性循环。

目前针对 I/R 损伤的抗氧化治疗存在显著局限性：传统的小分子抗氧化剂（如维生素 C、维生素 E、依达拉奉）只能清除细胞外的 ROS，无法有效穿透线粒体膜，且半衰期短，难以在再灌注的关键时间窗内达到有效治疗浓度；近年来开发的线粒体靶向纳米药物（如 MitoQ、SS-31）虽然能够富集于线粒体，但存在生物稳定性差、易被网状内皮系统清除、长期使用可能干扰细胞正常氧化还原信号等问题；而缺血预处理等机械干预手段操作复杂，且仅适用于择期手术患者，无法应用于急诊急性心肌梗死患者。因此，开发能够同时实现线粒体靶向、快速起效、持续作用且生物安全性高的新型抗氧化治疗系统，是 I/R 损伤治疗的关键。

分子氢（H₂）作为一种新型选择性抗氧化剂，具有独特的治疗优势：它能够自由穿透细胞膜和线粒体膜，特异性清除・OH 而不影响具有生理功能的 ROS（如 H₂O₂、O₂⁻・），且安全性极高，已在多种疾病的临床试验中显示出潜力。然而，传统氢气治疗方式（富氢水饮用、氢气吸入、氢气注射）存在致命缺陷：氢气在水中溶解度极低（仅 1.6 ppm），且扩散速度极快，无法在心脏局部实现持续、高浓度的氢气递送，导致临床疗效极其有限。近年来开发的产氢纳米材料（如 MgH₂、PdH-MOF）虽然能够在体内释放氢气，但普遍存在结构复杂、合成成本高、产氢效率低、潜在毒性大等问题，难以实现临床转化。

基于上述背景，本研究首次从 "天然生物产氢 + 局部水凝胶递送" 的全新视角出发，创新性地构建了一种光控可注射产氢细菌水凝胶系统（PSB-ECM）。该系统利用沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）天然的光合产氢特性，结合可注射猪真皮细胞外基质（ECM）水凝胶进行包裹，实现了 "细菌局部滞留 - 光控持续产氢 - 线粒体靶向保护" 的多维度 I/R 损伤干预。ECM 水凝胶不仅能够有效限制细菌的全身扩散，降低免疫反应风险，还能为心脏提供机械支持，促进组织修复；而光控产氢特性则能够精准控制氢气的释放时间和剂量，完美匹配 I/R 损伤的病理时间窗。该系统在啮齿动物和大型猪模型中均显示出优异的治疗效果，为急性心肌梗死的治疗提供了极具转化价值的新范式。

图 1 产氢细菌水凝胶的设计、表征与治疗机制

研究人员从材料工程、细菌生物学和细胞功能三个维度，系统验证了这套可注射产氢细菌水凝胶（PSB-ECM）的可行性与核心优势。从整体设计到微观结构，从产氢性能到治疗效果，每一步都有扎实的数据支撑，为后续的体内心脏修复实验打下了坚实基础。

我们先来看这个治疗系统的整体设计思路。研究人员画了一张非常清晰的示意图，把整个治疗逻辑拆成了三级架构：首先用天然的沼泽红假单胞菌作为 "产氢工厂"，这种光合细菌能在光照下稳定产生氢气；然后把这些细菌包裹在可注射的猪真皮 ECM 水凝胶里，通过微创的心包腔注射直接送到心脏表面；最后用特定波长的光照触发细菌产氢，产生的氢气会快速穿透心包膜和心肌组织，精准清除心肌细胞里毒性最强的羟自由基，同时保护线粒体功能，最终逆转缺血再灌注带来的心肌损伤（图 1a）。这个设计最巧妙的地方，就是把天然生物的产氢能力和生物材料的递送优势完美结合在了一起。

一个好的可注射材料，首先得满足临床操作的要求，这部分的流变学数据就完美证明了这一点。首先看机械性能，水凝胶的储能模量明显高于损耗模量，说明它是典型的弹性凝胶，能在心脏不停跳动的机械环境里保持完整，不会轻易散开；其次是可注射性，它表现出非常好的剪切变稀特性，剪切速率越高，黏度越低，屈服应力只有 108.5 Pa，研究人员用流体力学公式算了一下，用临床常用的 30G 细针注射，只需要 150.875 Pa 的压力，远低于常规注射的压力，操作起来非常轻松；更重要的是它的自愈合能力，被剪切破坏后，30 秒内就能恢复 90% 的机械强度，这样就算心脏一直在收缩舒张，水凝胶也不会破裂或者脱落（图 1b）。

我们再放大到微观层面看看，扫描电镜下能清楚看到细菌在水凝胶里的包裹状态。高倍镜下，PSB 细菌紧紧贴在 ECM 的纳米纤维网络上，根据纤维网孔和细菌大小的相对关系，呈现出三种不同的包裹状态：网孔比细菌大、和细菌差不多大、比细菌小（图 1c）。这种三维多孔结构特别巧妙，一方面通过物理限制把细菌牢牢锁在局部，防止它们跑到全身循环里去；另一方面又能让光和氢气、氧气这些小分子气体自由通过，保证细菌能正常进行光合作用，产生的氢气也能顺利扩散到心肌组织里。

光看静态的包裹还不够，研究人员还实时追踪了细菌的运动，定量验证了水凝胶的束缚效果。他们用共聚焦显微镜拍了 30 秒内单个细菌的运动轨迹，对比非常明显：自由状态的细菌到处乱跑，轨迹能拉到 1200 像素以上；而被水凝胶包裹的细菌，运动范围被严格限制在很小的区域里，轨迹长度不到 200 像素（图 1d）。这就直接证明了，ECM 水凝胶能有效束缚细菌的运动，大大降低了细菌全身扩散带来的安全风险。

接下来是最核心的产氢性能测试，研究人员测了不同光照条件下的产氢曲线。结果发现，在持续光照下，PSB 水凝胶能稳定产氢至少 70 分钟；更有意思的是，就算只照 30 分钟就关掉灯，细菌还能继续产氢 15 分钟左右（图 1e）。这个 "光照后持续产氢" 的特性特别有临床价值，意味着手术的时候不需要长时间照光，只要短时间照一下，就能产生足够治疗剂量的氢气，既简化了操作，又降低了长时间光照可能带来的热损伤风险。

体外产氢测完了，那体内能不能实时看到氢气产生呢？研究人员用超声成像解决了这个问题。在超声图像上，我们能清楚看到心包腔内出现了明显的强回声信号，这些就是细菌光合作用产生的氢气微气泡（图 1f）。而且超声信号的强度和氢气的产量是正相关的，这就给临床治疗提供了一个非常实用的监测手段 —— 医生可以通过超声实时看到氢气的释放情况，随时调整光照的时间和强度。

产氢能力有了，那实际的抗氧化效果怎么样？研究人员用 Transwell 共培养模型做了细胞实验。他们把 PSB 水凝胶放在上层小室，下层是被双氧水损伤的 H9c2 心肌细胞，然后给上层照光。结果非常惊人：照光后 10 分钟，下层细胞里的 ROS 水平就明显下降了；到 30 分钟的时候，ROS 已经基本恢复到正常水平（图 1g）。这个速度太关键了，因为缺血再灌注损伤的黄金治疗时间窗就是再灌注后的几十分钟，这个快速起效的特点，正好能在心肌细胞从可逆损伤变成不可逆损伤之前，及时把过量的 ROS 清除掉。

最后，研究人员把整个分子机制总结成了一张清晰的示意图。氢气进入心肌细胞后，会直奔线粒体，特异性清除线粒体产生的羟自由基，保护线粒体的 DNA 和膜结构不被氧化破坏；同时还会调节线粒体的动态平衡，上调融合蛋白 MFN2 的表达，下调分裂蛋白 FIS1 的表达，让线粒体恢复正常的形态和功能（图 1h）。线粒体保住了，心肌细胞的能量供应就正常了，自然就能存活下来，心脏功能也就得到了恢复。

把这些结果串起来看，从材料的理化性能到细菌的生物学行为，再到细胞层面的治疗效果，每一步都有扎实的数据支撑。PSB-ECM 水凝胶不仅解决了传统氢气治疗递送难、浓度低、持续时间短的痛点，还兼具了微创、安全、可控的临床优势，为后续的大动物实验和临床转化铺平了道路。

图 2 PSB 水凝胶在大鼠模型中的生物分布与体内产氢特性

讲完了材料的体外设计和性能，我们接下来看这套系统在体内的实际表现 —— 这也是细菌治疗最关键的一步：细菌能不能精准留在心脏局部？会不会跑到其他器官引发安全问题？产氢的持续时间能不能刚好覆盖治疗的黄金窗口？图 2 就从生物分布、细菌活力变化和体内产氢动力学三个方面，给了我们非常扎实的答案。

首先来看最核心的生物分布问题。研究人员用红色荧光标记了 PSB，分别把游离的 PSB 和 ECM 包裹的 PSB 注射到大鼠的心包腔，然后在 6、12、24、48、72 小时这五个时间点，把心脏和主要器官取出来做离体荧光成像。对比结果非常直观：没有水凝胶包裹的游离 PSB，注射后很快就从心包腔扩散出去了，24 小时后心脏部位的荧光已经很弱，大部分都跑到了肝脏、脾脏、肺和肾脏里；而被 ECM 水凝胶包裹的 PSB，72 小时后依然有超过 90% 留在心包腔内，其他器官几乎检测不到荧光信号（图 2a）。研究人员还对心脏部位的荧光强度做了定量统计，进一步证实了 ECM 水凝胶能显著延长 PSB 在心脏局部的滞留时间（图 2b）。

这个结果其实和我们之前在图 1d 看到的细菌运动轨迹是一致的。研究人员还做了体外的 Transwell 逃逸实验，进一步量化了这个效果：72 小时内，从水凝胶里逃逸出来的 PSB 不到 7%。这就彻底解决了细菌治疗最大的安全隐患 —— 全身扩散。ECM 水凝胶就像一个 "生物笼子"，把细菌牢牢锁在心脏表面，既保证了局部的治疗浓度，又避免了细菌进入循环系统引发感染或免疫反应。

细菌留在了局部，但它们还能正常产氢吗？产氢能力能维持多久？这直接关系到治疗效果。研究人员接下来用亚甲基蓝褪色法检测了不同状态下 PSB 的产氢效率，亚甲基蓝会被氢气还原而褪色，褪色程度和产氢量呈正相关（图 2c）。然后他们分别检测了体外培养的 PSB、体外水凝胶里的 PSB，以及注射到大鼠体内水凝胶里的 PSB，在不同时间点的活菌数和产氢能力。

结果很有意思：不管是体外还是体内，水凝胶里的 PSB 活力都会随着时间逐渐下降。6 小时的时候，活菌数还比较高，产氢能力也最强；12 小时后，活菌数开始明显减少，产氢能力也随之下降；到 72 小时的时候，大部分细菌已经失活，产氢能力几乎可以忽略不计。研究人员把产氢量和活菌数的变化趋势画在了同一张图上，两者呈现出高度的正相关（图 2d）。

你可能会问，细菌死了不就没法产氢了吗？这其实是一个非常巧妙的设计。我们知道，缺血再灌注损伤的氧化应激爆发主要发生在再灌注后的最初 24 小时内，尤其是前 6-12 小时是治疗的黄金窗口。只要在这个时间段内有足够的氢气产生，就能有效阻止心肌细胞的不可逆损伤。而细菌在治疗完成后逐渐失活，反而避免了长期存活可能带来的慢性感染风险，完美平衡了疗效和安全性。

最后，研究人员还用超声成像技术，实现了体内产氢的实时定量监测。他们先画了一张清晰的示意图，展示了如何用超声检测心包腔内的氢气微气泡（图 2e）。然后在注射水凝胶后的不同时间点给大鼠照光，采集超声图像。结果显示，照光后 6 小时，超声图像上开始出现明显的强回声信号，这些就是氢气微气泡；12 小时的时候信号强度达到峰值，这和体外产氢的时间点完全一致；之后信号逐渐减弱，72 小时后基本恢复到基线水平（图 2f）。研究人员还对超声信号的变化做了定量分析，进一步验证了体内产氢的时间动力学特征（图 2g）。

这个实验的意义在于，它不仅从功能上验证了 PSB 水凝胶在体内确实能产生氢气，还提供了一种无创的监测手段。未来在临床应用中，医生可以通过超声实时观察氢气的产生情况，根据每个患者的具体反应调整光照的时间和强度，实现个体化治疗。

把图 2 的所有结果串起来看，它完美回答了两个最核心的问题：第一，ECM 水凝胶能有效将 PSB 限制在心脏局部，72 小时逃逸率不到 7%，解决了细菌治疗的全身扩散问题；第二，PSB 在体内的产氢时间窗正好是 6-12 小时，完美匹配缺血再灌注损伤的治疗需求，且治疗完成后细菌逐渐失活，避免了慢性感染风险。这两个结果，为后续的体内疗效实验提供了最坚实的安全性和有效性基础。

图 3 PSB 水凝胶在大鼠心肌缺血再灌注损伤模型中的治疗效果

前面我们验证了材料的体外性能和体内安全性，现在终于到了最关键的疗效验证环节。图 3 系统展示了 PSB 水凝胶在大鼠心肌缺血再灌注（I/R）模型中的治疗效果，从早期的氧化应激清除、细胞凋亡抑制，到中期的心功能恢复，再到长期的组织修复和纤维化逆转，全方位证明了这套治疗系统的有效性。

我们先看治疗后 24 小时内的早期分子和细胞水平变化，这直接决定了后续心肌损伤的程度。首先是氧化应激水平的检测，研究人员用 DHE 染色标记心肌组织中的活性氧（ROS），红色荧光越强代表 ROS 水平越高。结果非常明显：I/R 损伤组的心肌组织呈现出强烈的红色荧光，说明再灌注后产生了大量的 ROS；而 PSB 水凝胶加光照治疗组（PSB+L）的红色荧光强度显著降低，几乎和假手术组（Sham）差不多（图 3a）。定量统计显示，PSB+L 组的 ROS 水平比 I/R 组降低了约 70%（图 3b），这和我们之前在细胞实验中看到的快速抗氧化效果完全一致。

接下来是细胞凋亡的检测，用 TUNEL 染色标记凋亡的心肌细胞，绿色荧光代表凋亡细胞。I/R 组的心肌组织中可以看到大量的绿色荧光阳性细胞，说明发生了严重的细胞凋亡；而 PSB+L 组的凋亡细胞数量明显减少（图 3c）。定量结果显示，PSB+L 组的细胞凋亡率比 I/R 组降低了约 60%（图 3d）。同时，研究人员还用 WGA 染色标记心肌细胞膜，观察心肌细胞的肥大情况。I/R 组的心肌细胞体积明显增大，出现了早期的肥大改变；而 PSB+L 组的心肌细胞大小基本恢复正常（图 3e,f）。这些结果说明，PSB 水凝胶产生的氢气能在再灌注早期及时清除过量 ROS，有效阻止心肌细胞的凋亡和肥大，从源头上减轻心肌损伤。

治疗后 7 天，研究人员用更先进的斑点追踪超声心动图（STE）评估了心脏的局部功能，这比传统的超声心动图更敏感，能更早发现心肌运动的异常。STE 分析显示，I/R 组和没有光照的 PSB 水凝胶组的左心室前壁运动明显减弱，出现了明显的节段性运动异常；而 PSB+L 组的左心室壁运动基本恢复正常（图 3g）。定量分析进一步证实，PSB+L 组的径向位移峰值、径向应变峰值和径向速度峰值都显著高于 I/R 组，几乎达到了 Sham 组的水平（图 3h-j）。这说明，PSB 水凝胶治疗不仅能减少心肌细胞的死亡，还能有效保留存活心肌的收缩功能，防止早期的心功能恶化。

我们再把时间拉长到 30 天，看看长期的组织修复效果。首先看 3 天和 7 天的 H&E 染色，I/R 组的心肌组织出现了明显的水肿、炎症细胞浸润和心肌细胞坏死；而 PSB+L 组的心肌组织结构相对完整，炎症反应明显减轻（图 3k,l）。到了 30 天，研究人员用多种染色方法全面评估了心肌组织的病理变化：H&E 染色显示 I/R 组的心肌细胞排列紊乱，出现了大量的空泡变性；Alcian blue 染色显示 I/R 组有大量的酸性黏多糖沉积，提示心肌发生了黏液样变性；Van Gieson's 和 Sirius red 染色则显示 I/R 组形成了大面积的胶原瘢痕（图 3m）。而 PSB+L 组的心肌组织结构明显改善，胶原沉积显著减少。

为了更准确地量化梗死面积和纤维化程度，研究人员用 Masson 三色染色对心脏切片进行了分析，蓝色代表胶原纤维，红色代表存活心肌。结果显示，I/R 组的左心室有大面积的蓝色瘢痕组织，梗死面积约占左心室总面积的 40%；而 PSB+L 组的梗死面积显著缩小，仅约为 15%（图 3n）。同时，PSB+L 组的存活心肌比例和梗死壁厚度也明显高于 I/R 组（图 3n）。这些结果说明，PSB 水凝胶治疗能有效抑制心肌梗死后的纤维化进程，减少瘢痕形成，保留更多的存活心肌。

最后，研究人员用常规超声心动图评估了治疗后 28 天的整体心功能。结果显示，I/R 组的左心室射血分数（LVEF）和左心室短轴缩短率（LVFS）显著降低，左心室舒张末期内径（LVIDd）和收缩末期内径（LVIDs）明显增大，提示出现了严重的心功能不全和心室重构；而 PSB+L 组的 LVEF 和 LVFS 显著升高，LVIDd 和 LVIDs 基本恢复正常（图 3o）。这说明，PSB 水凝胶治疗能有效逆转心肌梗死后的不良心室重构，显著改善心脏的整体功能。

把图 3 的所有结果串起来看，它完整地展示了 PSB 水凝胶治疗心肌 I/R 损伤的全过程：在再灌注早期快速清除 ROS，减少心肌细胞凋亡；在中期保留心肌收缩功能，防止心功能恶化；在长期抑制纤维化和心室重构，促进心脏修复。这些结果从分子、细胞、组织和器官多个层面，全面证实了 PSB 水凝胶的治疗效果，为后续的大动物实验和临床转化提供了强有力的证据。

图 4 PSB 水凝胶治疗后线粒体动力学与功能的恢复

前面我们已经看到 PSB 水凝胶能显著减轻心肌损伤、改善心功能，但它到底是通过什么分子机制发挥作用的呢？图 4 就深入到了心肌细胞最核心的能量工厂 —— 线粒体，从细胞形态、功能到分子层面，完整揭示了氢气保护心肌细胞的核心机制：通过精准靶向线粒体，恢复其融合 - 分裂动态平衡，从根源上阻断氧化应激导致的细胞死亡。

我们先从最直观的线粒体形态变化看起。线粒体的形态和功能是高度统一的，正常的线粒体是细长的管状结构，相互连接成网状，能高效进行能量代谢；而当受到氧化应激损伤时，线粒体会发生过度分裂，变成碎片化的球形，功能也随之丧失。研究人员用 MitoTracker Red 标记 H9c2 细胞的线粒体，在共聚焦显微镜下观察发现：正常对照组的线粒体呈细长的丝状，相互交织成完整的网络；而 H₂O₂损伤组的线粒体几乎全部变成了短的球形小体，碎片化非常严重；经过 PSB 水凝胶加光照治疗后，线粒体又重新恢复成了细长的管状结构，网络也基本重建（图 4a）。

为了更准确地量化这个变化，研究人员把线粒体分成了碎片化、中间型和细长型三类进行统计。结果显示，损伤组中超过 70% 的线粒体都是碎片化的，而治疗组中细长型和中间型线粒体的比例显著增加，碎片化线粒体的比例降到了 20% 左右，和正常组非常接近（图 4b）。这说明氢气能有效抑制线粒体的过度分裂，让线粒体恢复到正常的形态。

形态恢复了，功能有没有跟着恢复呢？研究人员接下来检测了几个最关键的线粒体功能指标。首先是线粒体膜电位，这是线粒体产生 ATP 的基础，膜电位下降就意味着线粒体功能受损。用 JC-1 染色检测发现：正常情况下 JC-1 会聚集在线粒体基质中，发出明亮的红色荧光；而损伤组的红色荧光明显减弱，绿色荧光显著增强，说明线粒体膜电位严重下降；治疗组的红色荧光又重新亮了起来，绿色荧光减弱，膜电位基本恢复到了正常水平（图 4c,d）。

然后是线粒体内部的 ROS 水平，这是导致线粒体损伤的直接原因。研究人员用 mitoSOX 这种特异性探针，只标记线粒体产生的 ROS。结果显示，损伤组的线粒体 ROS 水平比正常组高了 3 倍多；而治疗组的线粒体 ROS 水平显著降低，几乎和正常组没有差别（图 4e,f）。这就直接证明了，氢气不仅能清除细胞浆里的 ROS，还能进入线粒体内部，精准清除线粒体产生的羟自由基，从源头上保护线粒体。

接下来是更核心的能量代谢功能检测，研究人员用 Seahorse 细胞能量代谢分析仪，实时监测了细胞的氧消耗率（OCR），这是线粒体氧化磷酸化能力的直接体现。结果非常清晰：损伤组的基础呼吸、ATP 相关呼吸和最大呼吸能力都显著降低，说明线粒体的能量工厂几乎瘫痪了；而治疗组的这些指标都明显回升，接近正常组的水平（图 4g,h）。有意思的是，研究人员还发现损伤组的糖酵解水平显著升高，这是细胞在线粒体功能受损时的代偿性反应 —— 既然线粒体不能供能了，就只能靠糖酵解来应急；而治疗组的糖酵解水平又降了下来，说明线粒体功能恢复后，细胞又重新回到了高效的氧化磷酸化供能模式（扩展数据图 8i-l）。

细胞水平的结果很扎实，那体内是不是也是这样呢？研究人员用透射电镜（TEM）观察了大鼠心肌组织中线粒体的超微结构，这是最有说服力的金标准。电镜下可以清楚地看到：正常组的线粒体结构完整，内膜形成的嵴排列整齐、致密；而 I/R 组的线粒体明显肿胀，嵴大量断裂、溶解，甚至出现了空泡化；PSB+L 治疗组的线粒体肿胀明显减轻，嵴的结构也基本恢复了正常，排列变得整齐（图 4i）。定量分析进一步证实，治疗组的线粒体大小、长度和密度都显著高于损伤组，和正常组没有统计学差异（图 4j-l）。这从体内层面完美验证了细胞实验的结果。

最后，研究人员找到了调控线粒体动态平衡的关键分子开关。线粒体的融合和分裂是由一系列蛋白精确调控的，其中 MFN2 是主要的融合蛋白，负责让线粒体相互连接；FIS1 是主要的分裂蛋白，负责让线粒体分裂成小体。Western blot 结果显示，损伤组的 FIS1 表达显著上调，MFN2 表达显著下调，说明线粒体的平衡被彻底打破，偏向于过度分裂；而治疗组的 FIS1 表达明显降低，MFN2 表达显著升高，重新恢复了融合和分裂的动态平衡（图 4m）。

研究人员把整个机制总结成了一张清晰的示意图：氢气凭借其极小的分子体积，自由穿透细胞膜和线粒体膜，进入线粒体内部特异性清除羟自由基，保护线粒体的 DNA 和膜结构不被氧化破坏；同时通过上调 MFN2、下调 FIS1 的表达，恢复线粒体的融合 - 分裂动态平衡，让线粒体重新恢复正常的形态和能量代谢功能，最终阻止心肌细胞的凋亡和坏死（图 4n）。

把图 4 的所有结果串起来看，它完整地回答了 "氢气为什么能治疗心肌 I/R 损伤" 这个核心问题。不同于传统抗氧化剂只在细胞外起作用，氢气能精准靶向线粒体这个损伤的源头，从形态、功能到分子层面全方位修复线粒体，这也是它能取得如此显著治疗效果的根本原因。

图 5 PSB 水凝胶在巴马小型猪心肌缺血再灌注损伤模型中的临床前验证

前面我们在大鼠模型中看到了非常亮眼的治疗效果，但要真正走向临床，必须在与人类心脏生理结构高度相似的大动物模型中进行验证。图 5 就展示了这项研究最具转化价值的部分 —— 在中国巴马小型猪 I/R 模型中，系统验证了 PSB 水凝胶的治疗效果和长期安全性，为后续的人体临床试验铺平了道路。

首先来看整个大动物实验的设计思路。研究人员采用了临床标准的经皮冠状动脉介入治疗（PCI）流程来建立 I/R 模型：通过股动脉插入球囊导管，闭塞左前降支中段 75 分钟，然后放气再灌注 180 分钟，完全模拟了临床急性心肌梗死的救治过程（图 5a）。由于猪的胸壁厚度超过 30 毫米，体外光照无法穿透到心脏表面，研究人员创新性地采用了胸腔镜辅助的微创治疗方式：在胸腔镜下将 PSB 水凝胶注射到心包腔，同时通过胸腔镜自带的 LED 光源进行光照，既保证了足够的光照强度，又实现了微创操作。整个实验的时间线也完全按照临床前研究的标准设计，从基线评估到术后 12 周的长期随访，全面覆盖了从早期损伤到晚期修复的全过程（图 5b）。

我们先看治疗后最早期的疗效，也就是术后 2 天的心脏磁共振（cMRI）结果。晚期钆增强（LGE）是临床检测心肌不可逆坏死的金标准，钆剂会在坏死的心肌组织中聚集，在 MRI 图像上呈现为高信号。结果非常震撼：I/R 组的左心室前壁出现了大面积的亮白色高信号区域，说明发生了严重的心肌坏死；而 PSB 水凝胶加光照治疗组（PSB+L）的心肌组织几乎没有明显的 LGE 信号，和假手术组（Sham）几乎没有差别（图 5c）。定量统计显示，PSB+L 组的不可逆心肌损伤面积比 I/R 组减少了约 85%（图 5d）。这个结果太关键了，它说明 PSB 水凝胶治疗能在再灌注后的黄金时间窗内，及时阻止心肌细胞从可逆损伤向不可逆坏死转化，从根本上减少了心肌梗死的面积。

接下来是术后 4 周的心脏功能评估，这是判断治疗效果的核心指标。研究人员用 cMRI 精确测量了左心室的收缩和舒张功能，从动态图像上可以清楚看到：I/R 组的左心室前壁运动明显减弱，收缩期几乎没有增厚，心室腔明显扩大；而 PSB+L 组的左心室壁运动基本正常，收缩和舒张都非常有力（图 5e）。定量分析进一步证实，PSB+L 组的左心室射血分数（EF）、每搏输出量（SV）都显著高于 I/R 组，而舒张末期容积（EDV）和收缩末期容积（ESV）则明显降低，所有指标都接近 Sham 组的水平（图 5f）。

为了更全面地评估心功能的动态变化，研究人员还进行了长达 12 周的超声心动图连续监测。结果显示，I/R 组的左心室射血分数（LVEF）在术后持续下降，从基线的约 70% 降到了 12 周的约 50%；而 PSB+L 组的 LVEF 在术后早期略有下降后，就开始持续回升，到 12 周时已经恢复到了约 65%，几乎和基线水平没有差别（图 5k,l）。如果看 LVEF 的变化值（ΔLVEF），差异就更明显了：I/R 组的 LVEF 下降了约 20%，而 PSB+L 组只下降了不到 5%（图 5m）。这说明 PSB 水凝胶治疗不仅能在早期减少心肌损伤，还能有效预防长期的心室重构，让心脏功能得到持续的恢复。

最后，我们来看术后 12 周的组织学结果，这是评估长期修复效果的金标准。研究人员用多种染色方法全面分析了心肌组织的病理变化：Masson 三色染色显示，I/R 组的左心室前壁形成了大面积的蓝色胶原瘢痕，瘢痕厚度很薄，几乎没有存活的心肌细胞；而 PSB+L 组的瘢痕面积非常小，大部分区域都是正常的红色心肌组织（图 5g）。定量统计显示，PSB+L 组的胶原密度比 I/R 组降低了约 70%（图 5h）。同时，TUNEL 染色显示治疗组的心肌细胞凋亡率显著降低（图 5i），WGA 染色显示心肌细胞肥大也得到了明显的抑制（图 5j）。这些结果说明，PSB 水凝胶治疗能有效抑制心肌梗死后的纤维化进程，最大限度地保留存活心肌，防止心脏发生不可逆的结构性改变。

值得一提的是，研究人员在整个 12 周的实验过程中，对所有实验猪进行了全面的安全性监测，包括血常规、血生化、炎症指标、体温、体重、饮食和活动情况等。结果显示，PSB+L 组的所有指标都在正常范围内，没有出现任何细菌感染、炎症反应或其他不良反应（扩展数据图 10）。这充分证明了这套治疗系统在大动物体内的长期安全性。

把图 5 的所有结果串起来看，它完成了从基础研究到临床转化的关键一跃。在与人类心脏高度相似的巴马小型猪模型中，PSB 水凝胶不仅能在早期显著减少心肌坏死面积，还能在长期有效改善心脏功能、抑制心室重构，同时具有极佳的安全性。这些结果为这项技术的临床转化提供了最坚实的证据，也为急性心肌梗死的治疗带来了全新的希望

书评：

这篇发表在《Nature Biomedical Engineering》上的研究是氢气治疗领域里程碑式的突破，它跳出传统化学产氢的思维定式，创新性地将天然沼泽红假单胞菌的光控产氢能力与可注射猪真皮 ECM 水凝胶的递送优势相结合，构建了一套微创、安全、高效的心脏局部氢气递送系统，完美解决了长期困扰氢气治疗的溶解度低、扩散快、局部浓度不足的核心痛点。研究团队构建了从分子机制到临床前验证的完整证据链，不仅深入揭示了氢气通过靶向线粒体、调控 MFN2 和 FIS1 表达恢复线粒体融合 - 分裂动态平衡的核心保护机制，还在与人类心脏生理结构高度相似的巴马小型猪模型中，采用临床标准的 PCI 流程建立缺血再灌注损伤模型并通过胸腔镜辅助微创治疗，证实该系统能减少约 85% 的不可逆心肌损伤，且在 12 周的长期随访中显著改善心脏功能、抑制心室重构，同时展现出极佳的生物安全性。这项研究的所有原材料均已实现临床应用，治疗方式微创且可通过超声实时监测氢气释放，具备极高的临床转化潜力，不仅为急性心肌梗死的治疗开辟了全新方向，其 "天然生物 + 生物材料" 的气体递送范式也为脑缺血、肾缺血等其他缺血再灌注损伤疾病的治疗提供了重要借鉴。

参考文献：DOI: 10.1038/s41551-026-01700-z

来源：奇点新科学