炎症血管锚定释放氢气跨血脑屏障用于缺血性卒中神经保护

摘要

缺血性卒中再灌注损伤亟需安全高效的细胞保护策略，而现有药物治疗仍无法满足这一需求。纳米技术在改善脑部药物递送方面极具潜力，但纳米材料跨越血脑屏障（BBB）的效率十分有限，且其在颅内的长期滞留可能引发神经毒性。

本研究利用氢气（H₂）抗炎、可透过血脑屏障及生物安全性高的特性，通过P‑选择素结合肽修饰二硅化锆纳米粒（ZrSi₂），构建了一种靶向并锚定于炎症血管的产氢体系（ZSNP），模拟P‑选择素/P‑选择素糖蛋白配体介导的天然免疫募集过程。该设计不依赖纳米粒穿透脑实质，而是使ZSNP锚定在血脑屏障血管处，通过水解反应原位持续产生氢气。释放的氢气可穿透血脑屏障，通过抗氧化与免疫调节机制发挥细胞保护作用，协调多细胞修复过程。

此外，ZSNP可促进小胶质细胞介导的血管新生与神经发生，引导轴突沿新生血管轨迹投射，并通过非经典Wnt/Ca2⁺通路促进小胶质细胞‑神经元相互作用。这种神经血管网络重构有助于功能神经环路的重建，最终实现优于依达拉奉的结构与功能恢复。

本策略无需纳米粒在颅内蓄积，即可在血脑屏障界面实现氢气持续释放，为缺血性卒中提供了一种前景广阔、低负担的神经保护方案。

无需纳米粒穿透脑组织、锚定于血脑屏障血管的氢气释放平台，可实现更优异的神经保护作用。

Inflamed vessel–anchored release of H2 across the blood-brain barrier for ischemic stroke neuroprotection | Science Advances

Yu Y, Fan M, Wu G, Li Y, Xia C, Ding W, Li G, He Q, Tang W, Liu C. Inflamed vessel-anchored release of H2 across the blood-brain barrier for ischemic stroke neuroprotection. Sci Adv. 2026 Feb 27;12(9):eaea3355.

引言

缺血性卒中是全球重大公共卫生问题，因其对神经功能的严重破坏，成为致残和致死的主要原因之一。尽管静脉溶栓、血管内取栓等再灌注治疗已改善缺血性卒中的临床管理，但仍无法充分应对缺血再灌注启动的病理级联反应。因此，旨在保护缺血级联中脆弱神经元及其他脑细胞的细胞保护策略，重新受到广泛关注。

尽管针对细胞保护剂（如兴奋性毒性抑制剂、抗氧化剂、免疫调节剂等）开展了大量研究，但其治疗效果仍受诸多因素限制：血脑屏障穿透性差、单一疗法治疗时间窗窄、潜在全身毒性等。典型代表为依达拉奉，一种广泛用于卒中治疗的自由基清除剂；但其生物利用度低、血脑屏障穿透有限及潜在肝毒性等问题，限制了整体治疗效果。迄今为止，尚无任何药物在大规模卒中临床试验中展现出明确的功能改善疗效，凸显了创新治疗策略的迫切需求。

纳米技术已成为卒中治疗的变革性手段，可实现精准靶向、增强血脑屏障通透性及药物控释。然而，其仍存在亟待解决的关键问题：

第一，血脑屏障穿透仍是重大挑战。尽管受体靶向系统（如转铁蛋白受体介导）与仿生平台（如细胞膜包裹纳米粒、外泌体）可改善血脑屏障通透性，但其递送效率仍不理想。聚焦超声介导的血脑屏障开放可在特定时间窗内提高穿透效率，但该方法风险较高，因为血脑屏障破坏与神经功能预后不良直接相关。

第二，治疗药物在组织中快速且非特异性分布，仍是纳米药物实现最优疗效的关键未解决难题。目前尚无药物可在数分钟内完成血脑屏障转运并快速分布于脑实质。

第三，即便成功穿透血脑屏障，纳米材料在脑内过度蓄积仍会诱发内质网应激并触发神经毒性。因此，克服这些障碍以促进卒中恢复仍充满挑战。

与传统药物分子相比，氢气（H₂）具有多项独特优势：极佳的血脑屏障通透性、快速组织分布、高生物安全性，同时兼具抗氧化与免疫调节效应。近期动物模型与卒中患者研究均证实，氢气可减小脑梗死体积、减轻脑水肿、降低脑损伤程度、提高神经细胞活性与神经功能。此外，氢气可改善院外心脏骤停患者90天生存率且不遗留神经功能缺损。细胞与动物研究均未报道不良反应。这些结果凸显了氢气在神经保护应用中良好的安全性与转化潜力。

然而，由于氢气扩散快、缺乏靶向性，无论是静脉/口服富氢水还是氢气吸入，均无法在损伤部位实现持续、高浓度的局部氢气富集，显著限制其治疗效果。近期有研究采用立体定位颅内注射基于聚乳酸‑羟基乙酸包裹镁纳米粒的氢气驱动微泳器，用于急性缺血性卒中治疗。在短暂性大脑中动脉闭塞（tMCAO）大鼠模型中，这类微泳器通过局部释放氢气清除活性氧（ROS）、减轻炎症，从而减小梗死体积并改善空间学习记忆能力。尽管其治疗潜力可观，但仍存在关键挑战：注射操作导致的医源性组织损伤、纳米粒在侧脑室滞留带来的潜在长期安全问题，以及氢氧化镁副产物蓄积引发的局部碱化。目前，在不造成纳米粒颅内蓄积的前提下，于卒中病灶部位实现氢气持续释放，仍是一项难题。

为克服上述局限，本研究提出一种将产氢纳米粒锚定于炎症血脑屏障血管、无需穿透血脑屏障的策略。该方法可原位产生氢气，使其扩散穿过血脑屏障，保护脑细胞免受脑缺血损伤（图1A）。

受炎症期间天然免疫募集反应的启发——炎症内皮可在数分钟内快速上调P‑选择素，进而捕获中性粒细胞，本研究用P‑选择素结合肽修饰产氢二硅化锆纳米粒（ZrSi₂，ZSN）得到ZSNP，模拟中性粒细胞与炎症内皮通过P‑选择素/P‑选择素糖蛋白配体1（PSGL1）结合的锚定作用。由此，产氢纳米粒可被募集并锚定于活化血管，原位水解产生氢气。ZSNP持续释放的氢气可轻松扩散穿过血脑屏障，快速分布于脑组织，同时避免纳米粒穿透及相关颅内滞留问题。

基于此设计，本研究评估了ZSNP相较于依达拉奉的治疗效果，并阐明卒中后氢气介导的神经保护机制。

图1 用于卒中治疗、锚定于炎症血脑屏障的氢气释放系统的设计与表征

（A）ZSNP用于缺血性卒中治疗的炎症血脑屏障靶向与释氢示意图。

（B）ZSNP制备合成示意图。

（C）ZSN、P‑选择素结合肽（P‑peptide）与ZSNP的傅里叶变换红外光谱（FTIR），光谱已垂直偏移以便观察。

（D）ZSNP的典型透射电镜（TEM）图。

（E、F）ZSN与ZSNP的粒径分布及Zeta电位。

（G）采用氢气微电极检测ZSNP在去离子水中的氢气释放曲线。

（H）小鼠tMCAO模型与体内靶向效率评价时间线示意图（使用BioRender绘制）。

（I）脑组织照片，红色三角指示ZSNP在缺血侧大脑半球富集。

（J、K）Cy5标记ZSN与Cy5标记ZSNP在tMCAO小鼠与假手术小鼠缺血侧大脑半球的离体荧光成像（J）及荧光强度定量（K）（n=4）。定量结果为患侧大脑半球与对侧半球荧光强度比值。

（L）Cy5标记ZSN或Cy5标记ZSNP（灰色）与P‑选择素（绿色）、血管（凝集素，红色）共定位的典型共聚焦图像。荧光图像中白线示沿线荧光强度共定位分析。使用Imaris软件由高分辨率共聚焦图像生成三维重建图。

（M）ZSNP在缺血侧大脑半球释放的氢气浓度（n=3）。

标尺：（D）500 nm；（I）及放大图分别为50 μm与10 μm。

数据以平均值±标准差表示。采用单因素方差分析（ANOVA）与Tukey事后检验进行统计学分析（K）。h，小时。