本文属于概念验证研究，非临床试验，无任何应用建议。

调制MnNi2S3纳米电极的电子结构以激活焦亡用于电催化氢免疫疗法

氢气（H₂）疗法已显示出抗癌效果，但治疗效果受到氢气低溶解性和非靶向递送的限制。通过电催化剂电解水可持续释放大量氢气，并激发了氢气在肿瘤治疗中的精准递送。本文设计了锰掺杂的Ni2S3纳米电极（MnNi2S3 NEs），用于电催化氢气递送和激活抗癌免疫反应，有效增强氢气免疫疗法。镍原子具有空的3d轨道，通过促进H₂O的吸附降低了氢析出反应（HER）的初始能垒。此外，不同电负性的锰原子调节了镍原子的电子结构，促进了生成氢气的脱附，从而增强了MnNi2S3 NEs的HER活性。基于高HER活性，以电压依赖方式实现了电催化氢气疗法（EHT）中氢气的可控递送。从机制上讲，MnNi2S3 NE介导的EHT诱导线粒体功能障碍和氧化应激，随后通过典型的ROS/caspase-1/GSDMD信号通路激活焦亡。此外，MnNi2S3 NE介导的EHT增强了CD8⁺ T淋巴细胞向肿瘤的浸润，并逆转了免疫抑制微环境。这项工作展示了一种具有高HER活性的电催化剂，用于协同气体免疫疗法，可能激发基于电催化剂的肿瘤治疗策略。

介绍

作为新兴的气体分子，氢气（H₂）在治疗各种疾病方面已显示出疗效，包括恶性肿瘤、阿尔茨海默病、关节炎和中风，且具有良好的生物安全性。[1] 由于其小的分子尺寸，H₂可以自由穿透生物膜，包括细胞膜、线粒体膜和核膜。特别是，H₂参与有氧呼吸通过干扰电子传递链[2]和抑制三磷酸腺苷（ATP）的合成[3]来诱导线粒体功能障碍。另一方面，肿瘤细胞的高代谢通过过表达活性氧物种（ROS）建立了高氧化还原状态，ROS的减少或增加诱导细胞内氧化应激。作为抗氧化剂，H₂选择性清除如羟基自由基和过氧亚硝酸盐阴离子等ROS，并破坏肿瘤细胞中的氧化还原平衡。[4] 更重要的是，由H₂诱导的氧化还原失衡通过ROS/NLRP3/caspase-1/GSDMD信号通路激活焦亡细胞死亡。[5] 然而，氢气疗法的抗癌效果受到氢气低溶解性（≈1.6 ppm）和非靶向扩散的限制。此外，肿瘤部位累积的低浓度氢气可能会通过其抗凋亡效应促进肿瘤生长。[6] 为了可控和精确地递送氢气，设计并应用了各种释放氢气的微/纳米材料，包括酸响应释放氢气的纳米材料（NH₃•BH₃、CaH₂和Fe微球）[7]、光催化释放氢气的纳米催化剂（PdH0.2、SnS1.68-WO2.41和Fe-TPP）[3, 8]和声催化释放氢气的纳米催化剂（SnS和C3N4）[9]。尽管如此，中等疗效显示了这些氢气纳米发生器的有限穿透深度和低催化效率。因此，在氢气疗法中保持高剂量和精确控制的靶向递送仍然是一个挑战。

通过电解水提供可持续和可控的氢气生成途径，即氢析出反应（HER），[11]激发了一种创新的氢气递送方法。先前的研究表明，商用针灸铁针可以在电场下生成氢气。[12]然而，治疗效果受到低电催化活性的限制，并且由于铁针的不稳定性引发了潜在的生物安全问题。因此，需要具有高HER活性和稳定性的催化剂用于电催化氢气疗法（EHT）。[13] HER过程涉及两电子转移反应，包括在活性位点上吸附H₂O/H⁺（Volmer步骤）和从催化剂表面脱附氢气（Heyrovsky步骤或Tafel步骤）。[14]作为贵金属的替代品，过渡金属基电催化剂，包括过渡金属碳化物、氧化物、磷化物和硫化物，引起了广泛关注。[15]考虑到它们在酸性条件下的稳定性和活性，如NiS、Ni2S3、Ni3S4和NiS2等镍硫化物在电催化氢气生产方面表现出巨大潜力。镍原子具有空的3d轨道，容易与H₂O/H⁺形成吸附键，降低了HER过程的初始能垒。[16]然而，镍原子与氢气的高吸附能量阻碍了生成氢气的脱附，导致电催化剂的催化活性减弱。[17]为了提高HER活性，引入异质原子调节镍原子的电子结构是一种有前景的策略。例如，锰原子与镍原子具有相似的原子尺寸但完全不同的电负性。[18]因此，将锰原子引入镍硫化物中会诱导电子构型重建，促进H₂O的吸附，降低生成氢气的脱附能量，从而增强HER活性。

除了作为氢气生成的驱动力外，电场还作为调节肿瘤免疫微环境的外部刺激。在特定穴位进行电针疗法可以通过迷走神经-肾上腺轴激活炎症反应[19]，并通过促进CD8⁺T淋巴细胞的浸润来增强抗肿瘤免疫[20]。然而，由于穴位的复杂性，用电场调节肿瘤免疫微环境仍然具有挑战性。基于电催化剂的合理设计，用于EHT的外加电场有望激发有效的抗肿瘤免疫，并抑制肿瘤生长、转移和复发。

在此，我们合成了锰掺杂Ni2S3纳米电极（MnNi2S3 NEs），用于电催化氢气递送和激活抗肿瘤免疫，以增强有效的氢气免疫治疗（见图示1）。处于高氧化态的镍原子具有空的3d轨道，有效地促进了H₂O的吸附，并降低了HER的初始能垒。此外，引入锰原子调节了镍原子的电子结构，促进了生成氢气的脱附，从而增强了MnNi2S3 NEs的电催化活性。由于MnNi2S3 NEs优异的HER活性和长期稳定性，以电压依赖的方式实现了用于EHT的大量氢气可控递送。正如预期的那样，MnNi2S3 NE介导的EHT通过在安全的外加电压下诱导线粒体功能障碍和细胞内氧化应激，引发了有效的细胞死亡。有趣的是，通过典型的ROS/caspase-1/GSDMD信号通路激活了焦亡。细胞焦亡随后导致了促炎性免疫原性细胞死亡（ICD）的产生，释放了损伤相关分子模式（DAMPs）以引发潜在的免疫反应。实际上，MnNi2S3 NE介导的EHT通过促进CD8⁺T细胞向肿瘤的浸润，激发了抗肿瘤免疫，调节了免疫抑制微环境。由于强大的免疫反应，联合氢气免疫疗法通过CTLs成功迁移到远处肿瘤以及记忆T淋巴细胞的分化，有效地抑制了肿瘤转移和复发。因此，我们的工作提供了一种具有高HER活性的电催化剂，用于协同气体免疫疗法，突出显示了基于电催化剂的肿瘤治疗的发展。

图示1

调节MnNi2S3纳米电极的电子结构，用于电催化氢气递送和增强基于T细胞的氢气免疫疗法。a) 将锰原子掺入MnNi2S3 NEs中以提高HER活性。b,c) 将MnNi2S3 NEs应用于电催化氢气疗法，通过典型的ROS/caspase-1/GSDMD途径诱导氧化应激和细胞焦亡。d) MnNi2S3 NE介导的EHT通过促进CTLs浸润提高了肿瘤的免疫原性，有效抑制了肿瘤生长、转移和复发。