高等動(dòng)物細(xì)胞是否能分解氫氣，是氫氣生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域重要的科學(xué)問(wèn)題。最近日本學(xué)者在研究氫氣體內(nèi)代謝動(dòng)力學(xué)中，再次提示組織有代謝氫氣的可能。這一研究非常值得我們關(guān)注!!!。
 

該研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)單粗暴，就是給豬單次吸入100%純氫氣30秒，然后測(cè)定門(mén)靜脈，頸動(dòng)脈和肝上下腔靜脈內(nèi)氫氣濃度的變化。本來(lái)這個(gè)研究存在一些bug，但發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題非常重要。特別需要重視，也應(yīng)該盡快開(kāi)展類(lèi)似研究重復(fù)。
 

吸入氫氣的好處已被廣泛報(bào)道，但其藥代動(dòng)力學(xué)尚未充分分析。本研究在豬身上開(kāi)發(fā)了一種新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，來(lái)密切評(píng)估氫氣在肺中吸收，進(jìn)入血液，分布，代謝和排泄的過(guò)程。這是典型的藥代動(dòng)力學(xué)研究的內(nèi)容。

研究在頸動(dòng)脈(CA)、門(mén)靜脈(PV)和肝上下腔靜脈(IVC)插入導(dǎo)管，以便反復(fù)采血，并行雙側(cè)開(kāi)胸術(shù)使肺塌陷。然后用一個(gè)吸收氫的合金罐，用100%的氫氣填充肺部到最大吸入水平。這頭豬被維持了30秒不呼吸，好像它們屏住呼吸一樣。然后分別于0、3、10、30、60分鐘后，采集上述3根血管內(nèi)血液，用氣相色譜法測(cè)定氫氣濃度。
 

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CA中氫氣濃度在屏氣后立即達(dá)到峰值。3分鐘后，氫氣濃度下降到峰值的1/40。PV和IVC中氫氣峰濃度分別為CA的40%和14%。然而，PV和IVC(半衰期分別為310 秒和350 秒)氫氣濃度衰減慢于CA(半衰期為92秒)，在10 分鐘時(shí)，靜脈血中氫氣濃度明顯高于動(dòng)脈血中。在60分鐘時(shí)，門(mén)脈血液中氫氣比穩(wěn)定狀態(tài)下高6.9-53 納升/毫升, SVC中檢測(cè)到的氫氣比穩(wěn)定狀態(tài)下高14-29納升/毫升。相反，CA中的氫氣濃度下降到穩(wěn)定水平。這是第一個(gè)報(bào)告氫氣吸入通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)輸?shù)饺淼膭?dòng)態(tài)代謝過(guò)程。
 

氫氣一個(gè)大氣壓飽和濃度是18毫升/升，相當(dāng)于18微升/毫升，這個(gè)研究中發(fā)現(xiàn)在血液內(nèi)氫氣濃度單位是納升/毫升，相當(dāng)于氫氣飽和濃度的千分之一，接近我們?cè)S多人熟悉的ppb。
 

該研究論文發(fā)表在PLoS ONE,作者有太田成男教授，第一作者單位是慶應(yīng)義塾大學(xué)醫(yī)學(xué)院。
 

Sano M, Ichihara G, Katsumata Y, Hiraide T, Hirai A, Momoi M,et al. (2020) Pharmacokinetics of a single inhalation ofhydrogen gas in pigs. PLoS ONE 15(6): e0234626.
 

氫氣的藥物代謝動(dòng)力學(xué)研究并不充分，本研究采用豬為研究對(duì)象，使用單次氫氣吸入后，測(cè)定頸動(dòng)脈(CA)、門(mén)靜脈(PV)和肝上下腔靜脈(IVC)氫氣濃度，分析單次氫氣吸入后這些血管內(nèi)氫氣的變化規(guī)律。
 

據(jù)報(bào)道，吸入氫氣對(duì)生物體有有益作用，臨床試驗(yàn)也證實(shí)了其對(duì)急性心肌梗死和復(fù)蘇后心臟驟?；颊叩挠行院桶踩浴?020年3月3日，中國(guó)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)建議有條件可用氫氧吸入改善新型冠狀病毒肺炎的改善(試用版7)。然而，吸入氫氣在體內(nèi)動(dòng)力學(xué)迄今還沒(méi)有充分分析。
 

之前在大鼠體內(nèi)通過(guò)直接將針刺式傳感器電極插入組織中，測(cè)量連續(xù)吸入氫氣后不同組織中氫氣水平的時(shí)間進(jìn)程。然而，由于針型氫傳感器電極響應(yīng)有一定延遲，使得它不適合實(shí)時(shí)測(cè)量組織中氫氣濃度的變化。
 

在非臨床藥代動(dòng)力學(xué)研究中，應(yīng)研究試驗(yàn)藥物在單次或重復(fù)劑量后在組織器官的分布及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。氣體和口服和注射藥物不同，過(guò)去沒(méi)有進(jìn)行過(guò)單次給藥的非臨床藥代動(dòng)力學(xué)研究。主要因?yàn)檫^(guò)去沒(méi)有對(duì)該氣體進(jìn)行單劑量研究的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方案。甚至尚不確定氫氣是否會(huì)以不依賴(lài)于血流的方式從肺部擴(kuò)散，或是否以依賴(lài)于血流的方式在全身運(yùn)輸。因此，本研究設(shè)計(jì)了動(dòng)物單劑量吸入氣體方案，首次證明了后者正確性。也就是氫氣主要是通過(guò)血流在全身進(jìn)行運(yùn)輸。
 

有人曾經(jīng)誤解氫氣可通過(guò)非血流方式在體內(nèi)長(zhǎng)距離擴(kuò)散，這是比較低級(jí)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。因?yàn)檫@已經(jīng)是潛水醫(yī)學(xué)常識(shí)，這里也成為其研究討論的內(nèi)容，實(shí)在不應(yīng)該。
 

單次氫氣吸入后將進(jìn)入血液循環(huán)的最有效方法是進(jìn)行徹底呼出肺內(nèi)氣體，然后將100% 氫氣吸入到最大程度，盡可能長(zhǎng)時(shí)間屏氣。在目前研究中，我們通過(guò)在豬身上重復(fù)這種單吸入的方法來(lái)檢測(cè)氫氣的藥代動(dòng)力學(xué)。

動(dòng)物：22.4 kg和22.0kg的母豬。

吸入氫氣的方案

研究使用了一種DIY工具，用貯氫合金給沙灘球充滿(mǎn)純氫氣(圖1)，用雙手?jǐn)D壓沙灘球，壓力大約是20毫米汞柱，強(qiáng)制給豬肺內(nèi)充滿(mǎn)純氫氣，然后保持豬肺這個(gè)狀態(tài)持續(xù)30秒，隨后將氣管導(dǎo)管連接呼吸機(jī)，恢復(fù)動(dòng)物呼吸。
 

圖1用純氫氣填充沙灘球。
 

未吸氫氣時(shí)動(dòng)物血液中氫氣的本底濃度
 

哺乳動(dòng)物細(xì)胞不能產(chǎn)生氫氣，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈π纬蓺錃馑璧臍浠富钚?。結(jié)腸內(nèi)細(xì)菌通過(guò)厭氧發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生大量氫氣。一般認(rèn)為，大腸內(nèi)細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生氫氣可被腸道粘膜吸收，然后進(jìn)入門(mén)靜脈循環(huán)，再通過(guò)呼吸排出體外。在過(guò)去在健康志愿者中進(jìn)行呼氣氣體分析，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同個(gè)體之間，呼氣中的氫氣濃度差異很大(1-56 ppm)。
 

本實(shí)驗(yàn)中，在穩(wěn)態(tài)條件下在兩豬頸動(dòng)脈(CA)檢測(cè)到少量氫氣。第一、二頭豬門(mén)靜脈內(nèi)氫氣濃度分別為67 nL/mL和8.8 nL/mL，肝下腔靜脈內(nèi)氫氣濃度分別為18 nL/mL和1.9 nL/mL。作者認(rèn)為，兩種豬門(mén)靜脈氫氣濃度存在巨大差異是由于大腸細(xì)菌產(chǎn)氫氣能力差異造成。
 

這個(gè)對(duì)豬的研究表明，個(gè)體產(chǎn)氫氣能力差別非常大，人類(lèi)的情況也和豬類(lèi)似。許多研究人呼出氣氫氣水平的研究也說(shuō)明了同樣的道理。當(dāng)然這種差異是否對(duì)個(gè)體健康產(chǎn)生影響，目前并沒(méi)有定論。
 

這些結(jié)果表明，結(jié)腸細(xì)菌產(chǎn)生的氫氣通過(guò)門(mén)靜脈循環(huán)攜帶，大部分滯留在肝臟中，其余氫氣從肺部排出。氫氣是否會(huì)被肝臟大量截留是非常非常重要的問(wèn)題，如果存在這個(gè)現(xiàn)象明確存在，這會(huì)提示肝臟能分解氫氣。因?yàn)闅錃馐浅掷m(xù)產(chǎn)生的，肝臟組織會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，不應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生截留，除非肝臟能分解氫氣，否則不應(yīng)該產(chǎn)生門(mén)靜脈和肝靜脈氫氣濃度的巨大差異。假如僅僅是截留，則低濃度的截留比例比較高，這里檢測(cè)結(jié)果并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的差異。
 

一次吸入氫氣的藥代動(dòng)力學(xué)
 

在第一組實(shí)驗(yàn)中，追蹤血液中氫氣的濃度直到恢復(fù)呼吸后60分鐘。然后在呼氣結(jié)束時(shí)再次停止呼吸，人工壓縮肺以減少殘余空氣，然后以100% 氫氣進(jìn)行第二組實(shí)驗(yàn)。第二組監(jiān)測(cè)循環(huán)血液中氫氣濃度10分鐘。
 

屏氣結(jié)束后，第1頭豬頸動(dòng)脈中氫氣峰濃度第一組為5000 nL/mL，第二組為7900 nL/mL，第2頭豬CA中氫氣峰濃度分別為10000和11000 nL/mL (圖2)。這樣的濃度是令人印象深刻的，因?yàn)橐呀?jīng)接近達(dá)到飽和濃度。100%水溶液的氫氣濃度為17,600 nL/mL，這意味著通過(guò)這種吸入方法，頸動(dòng)脈氫氣峰值達(dá)到了28-60%的飽和。靜脈血(PV, IVC)中氫氣峰濃度明顯低于動(dòng)脈血(CA>>PV>IVC)。這表明，氫氣不是簡(jiǎn)單擴(kuò)散，而是通過(guò)血流傳播(平流擴(kuò)散)，大部分氫氣被組織消耗。氫氣在組織內(nèi)被消耗，這是非常不可思議的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步認(rèn)真研究。
 

圖2 氫氣吸入后血?dú)錃鉂舛葎?dòng)力學(xué)改變。
 

動(dòng)脈血中氫氣濃度下降較快(半衰期為92 s)，而靜脈血中氫氣濃度下降較慢(半衰期為PV 310 s);(圖2B)。因此，10分鐘后氫氣濃度在IVC中最高，在PV中次之，在CA中最低(圖3)，與峰值濃度相反。在恢復(fù)呼吸后60分鐘，CA中的氫氣幾乎消失(2.5nL/mL)(圖4)，但在PV和IVC中檢測(cè)到的氫氣濃度高于穩(wěn)定狀態(tài)。這些結(jié)果表明，氫氣在組織中被吸收，然后逐漸從組織中流出，通過(guò)靜脈流返回到心臟。換句話(huà)說(shuō)，吸入氫氣60分鐘后，體內(nèi)組織中仍有相當(dāng)數(shù)量的氫氣。

圖3 單次吸入后10分鐘血?dú)錃鉂舛?。

圖4 單次吸入氫氣后60分鐘血液內(nèi)氫氣濃度。
 

討論

這一研究結(jié)果非常重要，提示單次吸入氫氣體內(nèi)氫氣能維持比較長(zhǎng)時(shí)間，氫氣吸入產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的時(shí)間比較長(zhǎng)。