研究簡介:氧化應(yīng)激與多種生活方式相關(guān)疾病有關(guān)，包括糖尿病、動脈粥樣硬化、心力衰竭等。近年來，分子氫作為一種新型抗氧化劑，已被證明可以預(yù)防或改善與氧化應(yīng)激相關(guān)的疾病。通過吸入氫氣、注射含氫的生理鹽水或飲用含氫的水（H?-water），可以改善多種疾病模型。然而氫氣在體內(nèi)的動態(tài)運動尚不清楚。研究人員使用了10周齡的雄性Sprague-Dawley大鼠和12周齡的雄性C57BL/6小鼠，以及db/db小鼠及其非糖尿病雜合子db/+同胞。氫水通過高壓將氫氣溶解在水中制備，并儲存在鋁袋中。實驗中小鼠被分為三組：一組飲用普通水，另兩組分別飲用飽和氫水（100%）和10%飽和氫水。實驗持續(xù)3個月，期間監(jiān)測小鼠的體重、飲食和水分攝入量，并進行生化分析。本研究探討分子氫（H?）對肥胖和糖尿病的改善作用，特別是通過誘導(dǎo)肝臟中的成纖維細胞生長因子21（FGF21）和刺激能量代謝來實現(xiàn)這一效果。研究使用了db/db小鼠模型，這是一種缺乏功能性瘦素受體的2型糖尿病模型小鼠。研究結(jié)果表明，分子氫通過多種機制顯著改善了肥胖和糖尿病相關(guān)癥狀，為氫氣在代謝性疾病中的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極被用于監(jiān)測氫氣（H?）在大鼠肝臟中的濃度變化。使用了針式氫氣電極（Unisense）來測量大鼠肝臟中的氫氣濃度。大鼠通過口服氫水的方式攝入氫氣，隨后通過直接插入肝臟的氫傳感器監(jiān)測氫氣濃度。氫氣在肝臟中的濃度在攝入氫水后5分鐘達到峰值，且在進食狀態(tài)下肝臟中的氫氣濃度是空腹狀態(tài)的兩倍。

實驗結(jié)論

研究表明，氫水通過減少氧化應(yīng)激、改善脂肪肝、控制體重和降低血糖及甘油三酯水平，顯著改善了肥胖和糖尿病相關(guān)癥狀。氫水可能通過誘導(dǎo)FGF21的表達來改善代謝參數(shù)，但具體的分子機制尚不清楚。此外，氫水作為一種方便的氫攝入方式，可能對預(yù)防和治療代謝綜合征有潛在益處。長期飲用氫水顯著降低了db/db小鼠肝臟中的氧化應(yīng)激標志物丙二醛（MDA）水平，表明氫氣具有抗氧化作用。氫水處理的小鼠肝臟中的脂肪積累顯著減少，表明氫氣對脂肪肝有改善作用。長期飲用氫水的小鼠體重增長受到抑制，且血漿中的葡萄糖、胰島素和甘油三酯水平顯著降低，表明氫氣對肥胖和糖尿病有改善作用。氫水處理的小鼠肝臟中成纖維細胞生長因子21（FGF21）的mRNA水平顯著升高。飲用氫水的小鼠氧氣消耗和二氧化碳產(chǎn)生增加，表明氫氣刺激了能量代謝，有助于減少脂肪和體重的增加。

圖1、氫在飽食肝臟和體外糖原溶液中積累和維持。(a)使用針型氫微電極監(jiān)測飽食或過夜禁食大鼠肝臟中分子氫的濃度。大鼠通過胃管飼法口服氫水(水中含0.8mmol/lH?)，劑量為15ml/kg。箭頭表示大鼠給予氫水的時間點。(b)糖原和葡萄糖溶液以及水中氫的飽和濃度。通過鼓泡H2氣體至飽和水平，將分子氫溶解在指定溶液中。使用氫微電極測量溶液中的氫濃度。數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=3)。與100或10mg/ml糖原組相比，P<0.05；P<0.01；P<0.001。(c)停止鼓泡后水、100mg/ml糖原溶液和100mg/ml葡萄糖溶液中的氫濃度。氫飽和溶液在常壓下于20℃在去蓋的塑料管中保存0、30或90分鐘。使用氫微電極測量溶液中的氫濃度。

圖2、消耗氫抑制肝臟氧化應(yīng)激并改善脂肪肝。(a)在“方法與步驟”部分描述的玻璃容器中測量不含小鼠時的氫濃度(空心圓)，顯示設(shè)備能保留氫。給予db/db小鼠(實心方塊)或用于飲食誘導(dǎo)肥胖(DIO)的野生型小鼠(實心圓)的玻璃容器中飲用水氫濃度變化曲線，表明消耗水時氫氣釋放到空氣相中。數(shù)據(jù)為平均值±標準差(n=3)。(b)測量飽食或過夜禁食肝臟中的丙二醛濃度。Db/+和db/db小鼠給予含或不含氫的水3個月。數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(db/+組每組n=10，db/db組每組n=15)。*P<0.05，**P<0.01。(c)分別給予含和不含氫的水3個月的db/+和db/db小鼠肝臟的外觀和代表性油紅O染色。比例尺：100μm。(d)肝臟中脂肪積累水平。Db/db小鼠給予含或不含氫的水3個月(左圖)。DIO(高脂飲食誘導(dǎo)肥胖)小鼠給予含或不含氫的水1或2周(中圖或右圖)。使用圖像分析程序ImageJ根據(jù)油紅O染色計算肝臟中的油積累。

圖3、消耗分子氫抑制肥胖。(a)給予含或不含氫的水3個月的db/db小鼠外觀。拍攝了每組的平均小鼠照片。(b)給予含100%(0.8mmol/l)或10%(0.08mmol/l)氫的水的db/db小鼠的體重每兩周檢測一次。對照組(CTL)接受不含氫的水。*P<0.05；100%H2組vs.對照組(H2組n=9，對照組n=6)。(c)平均db/db小鼠飲用含或不含氫的水3個月后腹部的代表性CT圖像。藍色、綠色和紅色分別代表內(nèi)臟脂肪、皮下脂肪和肌肉。(d)通過整合CT掃描圖像中每個切片的脂肪面積計算出的db/db小鼠總體脂成分。數(shù)據(jù)為平均值±標準誤(n=15)。*P<0.05。(e)食物和(f)水的攝入量在整個實驗期間每兩周測量一次。

圖4、消耗分子氫抑制高血糖、高胰島素血癥和血漿甘油三酯水平。Db/db小鼠給予含100%(0.8mmol/l)或10%(0.08mmol/l)氫的水3個月。Db/+和db/db小鼠在相同時間內(nèi)給予不含氫的水(HW)作為對照。進行生化分析以獲得db/+和db/db小鼠的血漿參數(shù)。(a)血漿葡萄糖濃度，(b)胰島素，(c)甘油三酯(TG)，(d)總酮體(T-KB)，(e)游離脂肪酸(NEFA)，(f)高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)，(g)低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)，(h)總膽固醇(T-CHO)，以及(i)脂聯(lián)素(ADN)顯示為平均值±標準誤(n=15)。

圖5、氫的作用與飲食限制的作用相似。Db/db小鼠被給予含或不含氫的水(HW)并接受飲食限制(DR)。對照組在整個實驗期間允許自由獲取食物和水。在飲食限制組中，小鼠允許自由飲水，但食物攝入量被限制為自由飲食消耗量的80%或50%。治療3個月后測量血漿(a)葡萄糖、(b)胰島素(INS)和(c)甘油三酯(TG)的濃度。

結(jié)論與展望

本研究展示了H2的一個新益處，它可能對肥胖和糖尿病的治療和預(yù)防有用。在各種疾病模型和臨床試驗中，消耗H2可降低氧化應(yīng)激。臨床試驗表明，飲用H2-水可降低2型糖尿病患者或潛在代謝綜合征受試者的氧化應(yīng)激標志物，并影響葡萄糖和膽固醇代謝。線粒體是能量產(chǎn)生代謝過程中活性氧的主要來源，H2直接保護暴露于活性氧的線粒體。因此線粒體能量代謝，尤其是脂肪酸代謝，可能通過抵抗氧化應(yīng)激來有效消耗葡萄糖和脂肪酸，這可能是合理的。Unisense微電極在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過高空間分辨率和實時動態(tài)監(jiān)測，研究者能夠詳細地了解氫氣在肝臟中的積累和釋放機制，從而為氫氣在代謝性疾病中的應(yīng)用提供了重要的實驗依據(jù)。為了在分子水平上研究飲用H2-水如何改善肥胖和代謝參數(shù)，研究人員檢測了基因表達譜，發(fā)現(xiàn)一種肝臟激素——成纖維細胞生長因子21(FGF21)的表達增強，其功能是增強脂肪酸和葡萄糖的消耗。事實上，通過耗氧量測量，H2刺激了能量代謝。目前的結(jié)果表明H2在改善肥胖、糖尿病和代謝綜合征方面具有潛在益處。氫水作為一種方便的氫攝入方式，可能對預(yù)防和治療代謝綜合征有潛在益處。未來的研究將進一步探索氫氣在其他代謝性疾病中的應(yīng)用，并揭示其具體作用機制。