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氢气(H2)疗法因其固有的生物安全性而备受认可，作为一种抗癌策略具有重大前景。然而，氢气治疗方式的疗效因其依赖于全身气体给药或化学反应生成而受到影响，而这种治疗方法存在效率低、靶向性差和利用率不理想等问题。
2024年11月4日，中国科学院高翔、上海大学陈雨、冯炜、中山大学段方方共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Living Therapeutics for Synergistic Hydrogen-Photothermal Cancer Treatment by Photosynthetic Bacteria”的研究论文。该研究中，采用活体疗法，使用光合细菌Rhodobacter sphaeroides进行原位H2生成，并结合近红外(NIR)介导的光热疗法。
活体R.sphaeroides在近红外光谱中表现出强烈的吸收，可有效地将光能转化为热能，同时产生H2。这种双重功能有助于靶向诱导肿瘤细胞死亡，并大大减少对邻近正常组织的附带损害。研究结果表明，将氢疗法与通过光合细菌介导的光热效应相结合，提供了一种强大的双模态方法，可提高肿瘤治疗的整体疗效。这种活体治疗策略不仅发挥了氢和光热治疗方式的治疗潜力，而且还保护了健康组织，标志着癌症治疗技术的重大进步。
癌症仍然是全球最严重的健康威胁，但化疗和放疗等传统治疗方法往往疗效有限，对正常组织有相当大的非特异性毒性，从而给患者带来相当大的不适。纳米生物技术的快速发展导致了各种治疗平台的开发，提高了癌症治疗的精准度和有效性。这些平台促进了多功能纳米药物的开发，包括基于气体的疗法，它可以特异性地消灭癌细胞，同时保护健康细胞，从而最大限度地减少传统癌症疗法常见的不良影响。几种生理气体分子，如氧气(O2)、一氧化氮(NO)、硫化氢(H2S)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)和氢气(H2)具有调节血管舒张、神经传递、抗炎和抗氧化反应的功能，既可用于生理过程，也可用于病理生理过程。由于其能够调节生理功能，其特定治疗效果已被证实可用于治疗从心血管疾病到神经退行性疾病和癌症等各种疾病。H2是自然界中最轻的分子，约占地球大气的0.5百万分之一。早在1975年，研究就凸显了H2在癌症治疗中的潜力，特别是由于其选择性抗氧化特性，可以调节癌细胞内的活性氧(ROS)水平。目前，氢疗法优于其他基于气体的治疗方法，因为它具有选择性抗氧化特性、出色的安全性、广泛的治疗应用、与其他疗法的协同潜力以及对正常细胞过程的干扰最小。然而，目前的H2输送方法受到其高扩散性、非极性和生理条件下的低溶解度的限制，这阻碍了长期释放并降低了治疗效率。原位H2生成技术，例如纳米系统的自分解和光介导水分解，通常存在催化效率低的问题。解决这些输送和长期原位生成挑战对于最大限度地发挥氢疗法的临床益处至关重要。此外，氢疗法与化疗和放疗等传统治疗方式的结合已显示出显著的协同治疗效果。生物氢生产提供了可持续、环保和高效的可再生能源发电，提供了多功能和经济可行的应用，包括长期释放氢气以提高治疗效率的潜力。光合细菌，如紫色非硫细菌(PNSB)，因其能够通过氢化酶在光照下有效产生和释放H2以及其代谢多种底物的能力而受到青睐，这可能作为活体治疗剂。活体治疗的优势，特别是在功效、精确控制和安全性方面，凸显了其重新定义和扩大未来治疗策略范围的变革潜力。这种创新方法提供了利用生命系统进行更有针对性、适应性和可持续治疗的能力，将其定位为下一代医学的关键进步。示意图显示了R.sphaeroides的生物氢生产和光热转化过程，用于协同氢光热疗法（图源自Advanced Science ）在这项工作中，作者利用光合细菌Rhodobacter sphaeroides开发活体疗法，用于在近红外(NIR)光照射下长期产生H2并伴有高温诱导，用于肿瘤氢光热疗法。R.sphaeroides是一种兼性厌氧细菌，非常适合在缺氧条件下生长，并表现出趋光性。这些独特的特性增强了它适应肿瘤微环境和向光照区域迁移的能力，使其成为肿瘤靶向和治疗的理想候选者。活体R.sphaeroides是出色的光合氢生产者，具有出色的NIR吸收能力、将NIR光高效转化为热量、高光热稳定性，且细胞毒性作用可忽略不计。因此，作者假设R.sphaeroides可以在808nm激光照射下同时产生氢气和产生热量，从而实现将氢气生产与光热效应相结合的双模式治疗。利用这种细菌作为氢和光热效应的双重供应者，可以更精确、更可控地输送氢，同时还表现出相对较高的生物相容性。重要的是，R.sphaeroides介导的协同氢光热疗法对正常细胞没有明显的影响，强调了其在选择性靶向肿瘤细胞的同时保护健康正常细胞免受高温损伤的潜力。进一步的研究表明，这种协同策略显著增加了癌细胞内的ROS生成，破坏了它们的氧化还原稳态并损害了线粒体功能，最终导致细胞凋亡（图1）。通过利用R.sphaeroides固有的生物学能力，本研究提供了一种潜在有效的活体治疗策略，以减轻肿瘤进展，同时保护健康细胞。这种双重作用策略不仅可以精确地靶向恶性细胞，还可以最大限度地减少对周围非癌组织的附带损害，从而为推进癌症治疗提供了一条有希望的途径。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202408807![]()
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