研究简介:氧化应激与多种生活方式相关疾病有关，包括糖尿病、动脉粥样硬化、心力衰竭等。近年来，分子氢作为一种新型抗氧化剂，已被证明可以预防或改善与氧化应激相关的疾病。通过吸入氢气、注射含氢的生理盐水或饮用含氢的水（H₂-water），可以改善多种疾病模型。然而氢气在体内的动态运动尚不清楚。研究人员使用了10周龄的雄性Sprague-Dawley大鼠和12周龄的雄性C57BL/6小鼠，以及db/db小鼠及其非糖尿病杂合子db/+同胞。氢水通过高压将氢气溶解在水中制备，并储存在铝袋中。实验中小鼠被分为三组：一组饮用普通水，另两组分别饮用饱和氢水（100%）和10%饱和氢水。实验持续3个月，期间监测小鼠的体重、饮食和水分摄入量，并进行生化分析。本研究探讨分子氢（H₂）对肥胖和糖尿病的改善作用，特别是通过诱导肝脏中的成纤维细胞生长因子21（FGF21）和刺激能量代谢来实现这一效果。研究使用了db/db小鼠模型，这是一种缺乏功能性瘦素受体的2型糖尿病模型小鼠。研究结果表明，分子氢通过多种机制显著改善了肥胖和糖尿病相关症状，为氢气在代谢性疾病中的应用提供了重要依据。

Unisense微电极系统的应用

Unisense微电极被用于监测氢气（H₂）在大鼠肝脏中的浓度变化。使用了针式氢气电极（Unisense）来测量大鼠肝脏中的氢气浓度。大鼠通过口服氢水的方式摄入氢气，随后通过直接插入肝脏的氢传感器监测氢气浓度。氢气在肝脏中的浓度在摄入氢水后5分钟达到峰值，且在进食状态下肝脏中的氢气浓度是空腹状态的两倍。

实验结论

研究表明，氢水通过减少氧化应激、改善脂肪肝、控制体重和降低血糖及甘油三酯水平，显著改善了肥胖和糖尿病相关症状。氢水可能通过诱导FGF21的表达来改善代谢参数，但具体的分子机制尚不清楚。此外，氢水作为一种方便的氢摄入方式，可能对预防和治疗代谢综合征有潜在益处。长期饮用氢水显著降低了db/db小鼠肝脏中的氧化应激标志物丙二醛（MDA）水平，表明氢气具有抗氧化作用。氢水处理的小鼠肝脏中的脂肪积累显著减少，表明氢气对脂肪肝有改善作用。长期饮用氢水的小鼠体重增长受到抑制，且血浆中的葡萄糖、胰岛素和甘油三酯水平显著降低，表明氢气对肥胖和糖尿病有改善作用。氢水处理的小鼠肝脏中成纤维细胞生长因子21（FGF21）的mRNA水平显著升高。饮用氢水的小鼠氧气消耗和二氧化碳产生增加，表明氢气刺激了能量代谢，有助于减少脂肪和体重的增加。

图1、氢在饱食肝脏和体外糖原溶液中积累和维持。(a)使用针型氢微电极监测饱食或过夜禁食大鼠肝脏中分子氢的浓度。大鼠通过胃管饲法口服氢水(水中含0.8mmol/lH₂)，剂量为15ml/kg。箭头表示大鼠给予氢水的时间点。(b)糖原和葡萄糖溶液以及水中氢的饱和浓度。通过鼓泡H2气体至饱和水平，将分子氢溶解在指定溶液中。使用氢微电极测量溶液中的氢浓度。数据为平均值±标准差(n=3)。与100或10mg/ml糖原组相比，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葡萄糖溶液中的氢浓度。氢饱和溶液在常压下于20℃在去盖的塑料管中保存0、30或90分钟。使用氢微电极测量溶液中的氢浓度。

图2、消耗氢抑制肝脏氧化应激并改善脂肪肝。(a)在“方法与步骤”部分描述的玻璃容器中测量不含小鼠时的氢浓度(空心圆)，显示设备能保留氢。给予db/db小鼠(实心方块)或用于饮食诱导肥胖(DIO)的野生型小鼠(实心圆)的玻璃容器中饮用水氢浓度变化曲线，表明消耗水时氢气释放到空气相中。数据为平均值±标准差(n=3)。(b)测量饱食或过夜禁食肝脏中的丙二醛浓度。Db/+和db/db小鼠给予含或不含氢的水3个月。数据为平均值±标准误(db/+组每组n=10，db/db组每组n=15)。*P<0.05，**P<0.01。(c)分别给予含和不含氢的水3个月的db/+和db/db小鼠肝脏的外观和代表性油红O染色。比例尺：100μm。(d)肝脏中脂肪积累水平。Db/db小鼠给予含或不含氢的水3个月(左图)。DIO(高脂饮食诱导肥胖)小鼠给予含或不含氢的水1或2周(中图或右图)。使用图像分析程序ImageJ根据油红O染色计算肝脏中的油积累。

图3、消耗分子氢抑制肥胖。(a)给予含或不含氢的水3个月的db/db小鼠外观。拍摄了每组的平均小鼠照片。(b)给予含100%(0.8mmol/l)或10%(0.08mmol/l)氢的水的db/db小鼠的体重每两周检测一次。对照组(CTL)接受不含氢的水。*P<0.05；100%H2组vs.对照组(H2组n=9，对照组n=6)。(c)平均db/db小鼠饮用含或不含氢的水3个月后腹部的代表性CT图像。蓝色、绿色和红色分别代表内脏脂肪、皮下脂肪和肌肉。(d)通过整合CT扫描图像中每个切片的脂肪面积计算出的db/db小鼠总体脂成分。数据为平均值±标准误(n=15)。*P<0.05。(e)食物和(f)水的摄入量在整个实验期间每两周测量一次。

图4、消耗分子氢抑制高血糖、高胰岛素血症和血浆甘油三酯水平。Db/db小鼠给予含100%(0.8mmol/l)或10%(0.08mmol/l)氢的水3个月。Db/+和db/db小鼠在相同时间内给予不含氢的水(HW)作为对照。进行生化分析以获得db/+和db/db小鼠的血浆参数。(a)血浆葡萄糖浓度，(b)胰岛素，(c)甘油三酯(TG)，(d)总酮体(T-KB)，(e)游离脂肪酸(NEFA)，(f)高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)，(g)低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)，(h)总胆固醇(T-CHO)，以及(i)脂联素(ADN)显示为平均值±标准误(n=15)。

图5、氢的作用与饮食限制的作用相似。Db/db小鼠被给予含或不含氢的水(HW)并接受饮食限制(DR)。对照组在整个实验期间允许自由获取食物和水。在饮食限制组中，小鼠允许自由饮水，但食物摄入量被限制为自由饮食消耗量的80%或50%。治疗3个月后测量血浆(a)葡萄糖、(b)胰岛素(INS)和(c)甘油三酯(TG)的浓度。

结论与展望

本研究展示了H2的一个新益处，它可能对肥胖和糖尿病的治疗和预防有用。在各种疾病模型和临床试验中，消耗H2可降低氧化应激。临床试验表明，饮用H2-水可降低2型糖尿病患者或潜在代谢综合征受试者的氧化应激标志物，并影响葡萄糖和胆固醇代谢。线粒体是能量产生代谢过程中活性氧的主要来源，H2直接保护暴露于活性氧的线粒体。因此线粒体能量代谢，尤其是脂肪酸代谢，可能通过抵抗氧化应激来有效消耗葡萄糖和脂肪酸，这可能是合理的。Unisense微电极在本研究中发挥了关键作用，通过高空间分辨率和实时动态监测，研究者能够详细地了解氢气在肝脏中的积累和释放机制，从而为氢气在代谢性疾病中的应用提供了重要的实验依据。为了在分子水平上研究饮用H2-水如何改善肥胖和代谢参数，研究人员检测了基因表达谱，发现一种肝脏激素——成纤维细胞生长因子21(FGF21)的表达增强，其功能是增强脂肪酸和葡萄糖的消耗。事实上，通过耗氧量测量，H2刺激了能量代谢。目前的结果表明H2在改善肥胖、糖尿病和代谢综合征方面具有潜在益处。氢水作为一种方便的氢摄入方式，可能对预防和治疗代谢综合征有潜在益处。未来的研究将进一步探索氢气在其他代谢性疾病中的应用，并揭示其具体作用机制。