肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种致命的神经退行性疾病，以脑和脊髓运动神经元进行性退变为特征，其中突变型超氧化物歧化酶1（SOD1）诱导的氧化应激与神经炎症是关键的致病驱动因素。本研究发现，突变型SOD1既可作为催化生成·OH的类芬顿试剂，又能作为氢化催化剂，利用H₂清除活性氧。为提升H₂的生物利用度，本研究开发了一种口服Mg₂Si纳米片饲料，可实现高浓度H₂的缓释。在hSOD1G93A转基因小鼠ALS模型中，Mg₂Si饲料显著延缓了疾病进展，改善了小鼠的运动功能并延长了生存期。


组织病理学分析表明，口服Mg₂Si治疗可改善脊髓运动神经元退变、错误折叠SOD1聚集及反应性胶质增生，同时在疾病进展过程中保护神经肌肉接头并缓解肌肉萎缩。转录组分析显示，H₂通过抑制NLRP3炎症小体活化，介导了氧化应激与神经炎症通路的双重下调。本研究提出的催化氢疗策略为金属蛋白酶相关神经退行性疾病的治疗提供了新思路。

图2、 Mg₂Si纳米片的理化性质及体外、体内释氢行为。a：Mg₂Si纳米片的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示其呈典型二维片状结构。b：Mg₂Si的X射线衍射（XRD）图谱，特征峰与标准卡片PDF#01-074-6835匹配，对应(111)、(220)、(422)晶面，证实材料结晶性良好。c：不同pH条件下Mg₂Si的释氢动力学曲线：酸性环境下释氢速率显著加快，约36分钟达到488μmol/L的峰值，24小时内总释氢产率达98%，远高于中性条件下的释氢量；掺入饲料基质后材料仍保留pH响应型释氢特性，且45天内性能稳定。d：不同粒径Mg₂Si纳米颗粒的水解产氢曲线：小粒径颗粒24小时内产氢率接近定量（~100%），显著优于中、大粒径颗粒。e：Mg₂Si组与富氢水（HRW）灌胃组小鼠胃肠道及血液氢浓度动态变化：Mg₂Si组胃肠道氢浓度在给药后12小时内维持高水平，血液氢持续可测；HRW组氢浓度仅能维持6小时，Mg₂Si组可提供更为充足、持久的氢供应。

图3、 H₂治疗延缓ALS小鼠疾病进展并延长生存期。a：动物实验设计示意图：从70日龄（症状前阶段）开始给予Mg₂Si饲料干预，持续至小鼠死亡或实验终点。b：生存曲线：Mg₂Si干预组人SOD1G93A突变转基因（ALS）小鼠的中位生存期为125.17±1.11天，显著长于对照组的121.58±1.16天；长期给药未观察到明显毒性，主要脏器组织学及血清肝肾功能指标均处于正常范围。


c：体重变化曲线：野生型（WT）及WT+Mg₂Si组体重随日龄稳步上升，ALS对照组体重随病程进展逐渐下降，Mg₂Si干预组从110日龄起体重下降得到明显缓解。d：加速转棒实验结果：WT及WT+Mg₂Si组全程保持最长跌落潜伏期，ALS对照组跌落潜伏期进行性缩短，Mg₂Si干预组从100日龄起转棒耐力显著改善。e：悬挂钢丝实验结果：ALS对照组在95~122日龄期间的悬挂停留时间显著短于WT组，Mg₂Si干预组从95日龄起运动能力显著提升。f：95日龄与108日龄小鼠足印典型图像：ALS组步态异常，步幅明显缩短。g、h：前肢与后肢步幅定量结果：108日龄时ALS对照组步幅较WT组显著缩短，Mg₂Si干预组步幅下降得到部分挽救。

图4、 H₂治疗改善ALS小鼠脊髓病理损伤。a：实验分析流程示意图。b：脊髓腰段前角尼氏染色结果：Mg₂Si干预组在95日龄和122日龄时的运动神经元（MNs）丢失程度较ALS对照组显著减轻。c：胆碱乙酰转移酶（ChAT，胆碱能神经元标志物）Western blot定量结果：122日龄时ALS对照组ChAT表达较WT组下调46.6%，Mg₂Si干预组仅下调20.5%，提示H₂可减轻运动神经元丢失；95日龄时两组差异无统计学意义（P>0.05）。d：错误折叠SOD1的Western blot定量结果：Mg₂Si干预组95日龄和122日龄时脊髓错误折叠SOD1水平较ALS对照组分别降低约44.6%和34.3%。

图5、 H₂治疗抑制ALS小鼠脊髓反应性胶质增生。a：胶质纤维酸性蛋白（GFAP，星形胶质细胞标志物）Western blot定量结果：Mg₂Si干预组95日龄和122日龄时GFAP表达较ALS对照组分别降低约33.95%和34.28%。b：离子钙结合适配器分子1（IBA-1，小胶质细胞标志物）Western blot定量结果：Mg₂Si干预组95日龄和122日龄时IBA-1表达较ALS对照组分别降低约44.7%和46.5%。c、d：GFAP与IBA-1免疫荧光染色结果：ALS对照组星形胶质细胞胞体增大、突起增粗（呈活化态），小胶质细胞呈活化态、分支减少；Mg₂Si干预组星形胶质细胞胞体更小、突起更细，小胶质细胞维持静息态、分支纤细，提示H₂可有效抑制胶质细胞过度活化。


结论与展望


本研究中，Unisense氢气微电极作为核心检测工具，被用于系统性地验证Mg₂Si纳米片饲料在体外模拟环境及活体动物体内的氢气释放动力学特征。研究人员利用该微电极对分散于不同pH值生理盐水中的Mg₂Si饲料进行了长达24小时的连续原位监测，证实了材料在胃肠道酸性环境下具备快速响应且持久稳定的释氢能力。在活体实验中，该设备进一步实现了对小鼠胃肠道内容物及血液中氢气浓度的实时、动态检测，结果显示Mg₂Si饲料组能在胃肠道内维持长时间的高浓度氢气水平，且氢气可有效扩散进入血液循环，其维持时间显著优于传统的富氢水灌胃对照组。