用于结直肠癌局部氢气治疗的可注射式载丁酸梭菌厌氧水凝胶

研究亮点

1. 研发出一种内部无氧环境的可注射水凝胶，专为专性厌氧菌设计。

2. 该水凝胶可使丁酸梭菌在有氧环境中保持活性。

3. 包埋的丁酸梭菌可在肿瘤内部持续释放氢气（H₂）。

4. 氢气与丁酸梭菌代谢产物协同作用，实现高效抗肿瘤效果。

5. 该递送平台可广谱适配各类氧敏感型治疗物质。

Injectable anaerobic hydrogel loading Clostridium butyricum for local hydrogen therapy against colorectal cancer May 2026 Biomaterials Advances DOI:10.1016/j.bioadv.2026.214955

摘要

氢气（H₂）是一种无毒治疗气体，可通过破坏细胞内氧化还原稳态、诱导线粒体功能障碍发挥抗肿瘤作用。但氢气扩散性极强、难以储存，无法在肿瘤部位持续释放，导致治疗效果有限。

丁酸梭菌因具备持续产氢能力，在肿瘤治疗中极具潜力；然而作为专性厌氧菌，它在血供丰富、氧含量高的肿瘤区域无法存活。为解决这一难题，本研究基于漆酶与香兰素的耗氧反应，合成了一种内部无氧环境的水凝胶，作为丁酸梭菌的递送载体（CB@厌氧凝胶）。

该水凝胶可使丁酸梭菌在有氧条件下存活，使其在肿瘤全区域（包括缺氧区与富氧区）持续产生氢气与代谢产物。体外实验证实，CB@厌氧凝胶释放的氢气可破坏结肠癌细胞氧化还原稳态、抑制线粒体呼吸，并与丁酸梭菌代谢产物协同诱导肿瘤细胞死亡。

体内实验显示，瘤内注射CB@厌氧凝胶可显著抑制肿瘤生长。因此，该策略为肿瘤氢气治疗提供了全新方法，也为氧敏感型治疗药物提供了通用递送平台。

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引言

气体疗法是一种极具前景的抗肿瘤策略，可通过破坏线粒体呼吸、选择性杀伤肿瘤细胞发挥作用。除直接细胞毒性外，气体疗法还可与传统治疗协同增效，同时保护正常组织、降低全身毒性。

氢气因安全性极高，成为最具潜力的治疗气体之一，已在癌症、2型糖尿病、关节炎等多种疾病中展现疗效。氢气分子极小、膜通透性极强，可高效穿透生物屏障进入细胞核、线粒体等亚细胞结构。

在活性氧（ROS）水平升高的肿瘤微环境中，氢气可选择性清除羟基自由基（•OH） 等毒性极强的自由基，扰乱细胞氧化还原稳态、诱发氧化应激、损伤线粒体功能，最终激活癌细胞凋亡通路。

早在1975年，Dole等就发现氢气可抑制小鼠鳞状细胞癌生长；后续研究反复证实氢气可抑制多种肿瘤的发生发展。临床研究显示，晚期结直肠癌患者每日吸入氢气3小时，无进展生存期与总生存期显著延长；一项纳入82例晚期恶性肿瘤患者的临床研究也验证了氢气吸入的抗肿瘤潜力。

但传统氢气给药方式存在明显局限：氢气水溶性差、生物利用度低，需饮用大量富氢水才能达到治疗浓度，患者依从性差；氢气吸入存在爆炸风险，需专业人员与设备操作；更关键的是，无论何种方式，氢气都会在全身非特异性扩散，无法在肿瘤部位有效富集，大幅削弱抗肿瘤效果。

为此，研究者开始探索肿瘤内靶向产氢新策略：Zhao等合成氢化钯纳米材料，联合光热治疗实现肿瘤部位可控释氢；Qi等采用铁电极穿刺肿瘤，体外通电局部产氢；还有研究利用铁、镁等还原性金属，在酸性肿瘤微环境中原位产氢。

但这些策略依赖外部能源，临床转化受限；金属纳米颗粒还存在生物安全隐患。因此，安全、便捷、可在肿瘤部位持续产氢的策略亟待开发。

细菌作为肿瘤治疗载体或直接药物备受关注，伤寒沙门氏菌、大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌等均在多种癌症模型中展现治疗潜力；但这些致病菌通常需要复杂基因修饰以降低毒力。

相比之下，丁酸梭菌是非致病性益生菌，其活菌制剂已临床获批用于口服治疗肠道菌群失调、肠易激综合征，生物安全性优异。更重要的是，丁酸梭菌可天然持续产氢，是理想的体内产氢菌株；同时其代谢产物（如丁酸钠）也具有内在抗肿瘤活性。

目前丁酸梭菌抗肿瘤研究主要集中于口服活菌或其条件培养基，但口服无法使其在肿瘤部位稳定滞留与富集，因此现有研究多强调其代谢产物的防癌与保健作用，难以开发为可靠的肿瘤治疗药物。迄今尚无研究将丁酸梭菌局部用于肿瘤区域以持续产氢实现抗肿瘤治疗。

尽管丁酸梭菌抗肿瘤潜力巨大，但其应用面临关键瓶颈：作为专性厌氧菌，实体瘤外周血供丰富、氧浓度高，会导致丁酸梭菌死亡，无法有效杀伤肿瘤边缘区域。因此，如何在相对富氧的肿瘤微环境中维持丁酸梭菌活性与代谢功能、实现持续产氢，是重大科学难题。

水凝胶作为活菌递送载体具备独特优势：生物相容性优异、内部空间充足，可维持细菌活性；此前研究已利用海藻酸钠、壳聚糖、透明质酸等天然材料成功包埋多种益生菌。

水凝胶的机械性能与多孔结构可形成物理屏障，减少细菌与宿主组织直接接触，降低清除与失活风险；同时多孔网络利于丁酸梭菌治疗性代谢产物高效扩散。基于这些特性，载菌水凝胶已在消化系统疾病、皮肤创面修复、肿瘤治疗等领域广泛研究。

近年研究证实，耗氧酶可在水溶液、水凝胶、微流控系统中有效构建缺氧环境，其中葡萄糖氧化酶与漆酶应用最广。漆酶作为多酚氧化酶，可催化酚类物质氧化为醌类，同时将氧气还原为水，实现环境高效脱氧。

基于此，本研究构建了内部无氧水凝胶包埋丁酸梭菌：以香兰素修饰的醛基化海藻酸钠与羧甲基壳聚糖交联成型，加入漆酶通过与香兰素反应消耗内部氧气，为丁酸梭菌提供厌氧微环境（CB@厌氧凝胶）。

设计目标：瘤内注射后，丁酸梭菌可在肿瘤全区域（缺氧区与高氧血管区）保持活性与代谢功能，持续产生氢气与多种代谢产物；释放的氢气弥散至全肿瘤组织，破坏氧化还原稳态、抑制线粒体呼吸；丁酸梭菌代谢产物可诱导细胞G2/M期阻滞；二者协同杀伤肿瘤细胞。

本研究建立了安全、持续的肿瘤内产氢新方法，为氢气肿瘤治疗提供创新策略。