Accurate in vivo real-time determination of the hydrogen concentration in different tissues of mice after hydrogen inhalation

準(zhǔn)確體內(nèi)實(shí)時(shí)測(cè)定吸入氫氣后小鼠不同組織中的氫濃度

來源：Heliyon 8 (2022) e10778

 

一、摘要概述

 

本研究利用電化學(xué)H?傳感器（Unisense） 首次實(shí)現(xiàn)了小鼠多組織（腦、肝、脾、腎、腓腸肌）中氫氣濃度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。核心發(fā)現(xiàn)：

 

組織差異：不同組織H?飽和濃度顯著差異（腎 > 腦 > 肝 > 脾 > 腓腸肌），腓腸肌達(dá)飽和時(shí)間最長(zhǎng)（圖3）。

 

 

劑量依賴性：吸入H?濃度（4%、42%、67%）與組織飽和濃度呈正相關(guān)（圖3）。

 

種屬對(duì)比：小鼠與大鼠的H?飽和濃度在肝、腦中無差異，但在腎、脾中差異顯著（圖4）。

 

 

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制：H?通過血流運(yùn)輸與氣體擴(kuò)散雙途徑進(jìn)入組織，非單純擴(kuò)散。

 

意義：為氫氣治療實(shí)驗(yàn)的劑量選擇與吸入時(shí)長(zhǎng)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。

 

二、研究目的

 

解決劑量不確定性：量化不同濃度H?吸入后小鼠各組織的實(shí)時(shí)H?濃度，填補(bǔ)劑量-效應(yīng)關(guān)系空白。

 

揭示組織分布規(guī)律：探究H?在血流豐富器官（腎、腦）與低血流組織（肌肉）中的動(dòng)態(tài)差異。

 

對(duì)比種屬差異：驗(yàn)證小鼠與大鼠的H?代謝差異，指導(dǎo)模型選擇。

 

三、研究思路

 

采用 “活體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)+多濃度梯度+跨種屬驗(yàn)證”策略：

 

動(dòng)物模型：

 

C57BL/6J小鼠（n=25），烏拉坦麻醉，暴露靶組織（圖1）。

 

 

吸入H?濃度：4%（低）、42%（中）、67%（高）。

 

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：

 

Unisense H?微電極（40-60μm針尖）植入組織深度<1 mm（方法2.3）。

 

連續(xù)記錄H?濃度變化（吸入期+清除期）。

 

數(shù)據(jù)分析：

 

飽和濃度：平臺(tái)期H?均值（圖3）。

 

達(dá)飽和時(shí)間：從基線至平臺(tái)的時(shí)間（圖2）。

 

 

種屬對(duì)比：小鼠 vs. 大鼠數(shù)據(jù)（圖4）。

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 組織H?飽和濃度差異（圖3）

 

數(shù)據(jù)來源：圖3（柱狀圖）。

 

結(jié)果：

 

腎最高（67% H?吸入：508.5 μM），腓腸肌最低（160.8 μM）。

 

腦與腎無顯著差異（P>0.05），但顯著高于肌肉（P<0.01）。

 

意義：指導(dǎo)靶向治療——腎/腦疾病需更高H?劑量，肌肉疾病需更長(zhǎng)吸入時(shí)間。

 

2. H?動(dòng)態(tài)曲線（圖2）

 

數(shù)據(jù)來源：圖2A-C（上升曲線）、圖2D-F（清除曲線）。

 

結(jié)果：

 

腎/腦：5分鐘內(nèi)達(dá)飽和（快速上升），清除快。

 

腓腸肌：緩慢上升（>20分鐘），清除延遲。

 

意義：優(yōu)化吸入方案——肌肉相關(guān)疾病需延長(zhǎng)吸入時(shí)間至30分鐘以上。

 

3. 種屬差異（圖4）

 

數(shù)據(jù)來源：圖4（小鼠 vs. 大鼠）。

 

結(jié)果：

 

腎：小鼠H?飽和濃度↑30%（P<0.05）。

 

脾：小鼠↓25%（P<0.05）。

 

意義：種屬特異性需考慮——大鼠數(shù)據(jù)不能直接外推至小鼠實(shí)驗(yàn)。

 

五、結(jié)論

 

組織特異性：H?分布受血流量支配，腎/腦富集能力強(qiáng)，肌肉蓄積慢。

 

劑量依賴性：67% H?吸入可實(shí)現(xiàn)更高組織濃度，但需平衡安全性。

 

時(shí)效關(guān)系：治療肌肉疾病需延長(zhǎng)吸入時(shí)間（≥30分鐘）。

 

種屬差異：小鼠腎H?代謝強(qiáng)于大鼠，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需區(qū)分模型。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)

 

檢測(cè)機(jī)制：

 

安培法：H?穿透電極膜→鉑陽(yáng)極氧化→電流信號(hào)→H?濃度（方法2.3）。

 

校準(zhǔn)：H?飽和PBS標(biāo)準(zhǔn)曲線（38°C）。

 

優(yōu)勢(shì)：

 

實(shí)時(shí)性：秒級(jí)響應(yīng)，動(dòng)態(tài)捕捉H?升降（圖2）。

 

高靈敏度：檢測(cè)限0.1 μM，精準(zhǔn)量化低濃度組織（如肌肉）。

 

微創(chuàng)性：針尖直徑40-60 μm，最小化組織損傷。

 

2. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)產(chǎn)出

 

緩釋動(dòng)力學(xué)：

 

圖2E-F：直接對(duì)比不同組織H?上升/清除速率，揭示腓腸肌緩釋特性。

 

飽和濃度定量：

 

圖3：精準(zhǔn)測(cè)定各組織平臺(tái)濃度，避免離體檢測(cè)誤差（如氣相色譜需勻漿致H?逸散）。

 

種屬差異量化：

 

圖4：電極高精度揭示小鼠腎H?代謝強(qiáng)于大鼠（傳統(tǒng)方法難實(shí)現(xiàn)）。

 

3. 研究意義

 

機(jī)制闡釋：證實(shí)H?通過血流運(yùn)輸+氣體擴(kuò)散雙途徑入組織（非單純擴(kuò)散）。

 

治療優(yōu)化：

 

指導(dǎo)吸入時(shí)間：肌肉需30分鐘，腦/腎僅需5分鐘（基于達(dá)飽和時(shí)間）。

 

劑量個(gè)性化：根據(jù)靶組織選擇H?濃度（如腦疾病首選42%）。

 

技術(shù)突破：解決離體檢測(cè)誤差，為活體H?藥代動(dòng)力學(xué)研究提供金標(biāo)準(zhǔn)。

 

4. 局限與改進(jìn)

 

局限：

 

活體干擾：心肺活動(dòng)可能影響電極穩(wěn)定性（討論4.4）。

 

組織限制：無法監(jiān)測(cè)深部器官（如心臟）動(dòng)態(tài)。

 

改進(jìn)方向：

 

開發(fā)柔性電極，減少機(jī)械損傷。

 

結(jié)合影像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多器官同步監(jiān)測(cè)。

 

總結(jié)：Unisense電極首次實(shí)現(xiàn)小鼠活體組織H?濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，揭示組織分布規(guī)律與種屬差異，為氫氣治療的精準(zhǔn)給藥奠定技術(shù)基礎(chǔ)。