过氧化氢（H₂O₂）是一种稳定的活性氧（ROS），广泛存在于生理和病理过程中。由于其在细胞内能够调控多种重要生理反应，过氧化氢在心血管疾病、缺血/再灌注损伤等领域具有重要的应用价值。在低浓度下，过氧化氢能够通过激活应激颗粒的形成，诱导细胞应对氧化应激，提升细胞的应激适应能力。然而，传统方法产生过氧化氢时，通常伴随着氧气的消耗，这在缺血组织的应用中带来了挑战。
在此，芝加哥大学田博之教授、Jing Zhang博士后以及西蒙菲莎大学Samira Siahrostami团队合作在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Gold-modified nanoporous silicon for photoelectrochemical regulation of intracellular condensates”的最新论文。
该团队设计并制备了基于纳米多孔硅（por-Si）和金纳米结构（Au）的光催化剂，通过光电化学方法实现了在生理条件下两电子水氧化反应（2e-WOR），精确生成过氧化氢。与传统光催化剂相比，这种材料不仅能够在较低浓度下生成过氧化氢，还能够在细胞外环境中精确调控ROS水平，促进细胞内应激颗粒的形成，从而增强细胞对氧化应激的耐受性。
此外，该光催化系统被评估用于心肌缺血/再灌注损伤的预处理，在离体大鼠心脏模型中显示出显著的保护作用。研究表明，光电化学生成低浓度的过氧化氢能够有效减轻心肌缺血/再灌注引起的功能衰退和梗死，提升心肌的恢复能力。通过这一光电化学策略，研究团队成功实现了过氧化氢的精准控制和应用，开辟了无线治疗缺血性疾病的新路径。
（1）实验首次设计并实现了基于纳米多孔硅（por-Si）的光电催化系统，用于在生理条件下通过两电子水氧化反应（2e-WOR）生成过氧化氢（H₂O₂）。该系统利用金装饰的多孔硅材料，成功实现了精确调控过氧化氢的生成，并能够在细胞外环境中有效调节细胞内的应激颗粒形成。
（2）实验通过光电化学反应在细胞外生成过氧化氢，进而在细胞内诱导应激颗粒（SG）的形成。研究表明，过氧化氢以低浓度生成时，能够增强细胞对氧化应激的耐受性，提高细胞的适应性，促进细胞的生存与功能恢复。具体而言，这一策略能有效提升心肌细胞对缺血/再灌注损伤的适应能力，在大鼠心脏模型中显著减轻心肌缺血再灌注引起的功能衰退和梗死。
（3）实验进一步验证了该光电催化系统在治疗心肌缺血/再灌注损伤中的应用效果。通过在离体大鼠模型中实施光电化学预处理，研究表明，该系统能够减小梗死范围、促进心功能恢复，为缺血性疾病的治疗提供了新的思路。这些发现展示了基于纳米结构半导体催化装置在生物医学领域的巨大潜力。
图1设计概念与光催化机制
图2 理论预测与反应机制
图3 材料合成与结构表征
图4 光催化特性研究
图5 细胞实验结果
图6 体外心脏模型与治疗效果
本文将金（Au）原子嵌入纳米多孔硅（Si）框架中，能够实现氧气非依赖型光催化，选择性地产生过氧化氢，从而以成本效益高且安全的方式诱导保护性氧化应激反应。该界面结构简单易制备，原始的金和硅材料具有良好的生物相容性、调控可行性和最小的安全隐患。进一步的发展可以通过利用硅与微电子设备的兼容性，增强Au/por-Si光催化系统的临床应用性，为高风险缺血/再灌注损伤（I/R）患者的设备集成提供可能。
未来的研究应解决有限光穿透深度的问题，可以通过集成近红外光和采用微创的光源输送方法来实现更深层次组织的应用。除了心脏应用外，这种方法还可用于保护其他类型的缺血/再灌注损伤，如脑部、四肢和创伤部位，通过精确控制ROS生成，避免造成广泛的附带损伤。
Zhang, J., Li, P., Yue, J. et al. Gold-modified nanoporous silicon for photoelectrochemical regulation of intracellular condensates. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01878-4