Different effects of hydrogen-rich water intake and hydrogen gas inhalation on gut microbiome and plasma metabolites of rats in health status

攝入富氫水和吸入氫氣對(duì)健康狀態(tài)下大鼠腸道微生物組和血漿代謝物的不同影響

來源：Scientific Reports | (2022) 12:7231

 

一、摘要概述

 

本研究通過6個(gè)月干預(yù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比富氫水?dāng)z入（HRW）與氫氣吸入（HI）對(duì)健康大鼠腸道菌群和血漿代謝物的影響。

 

核心發(fā)現(xiàn)：

 

代謝差異：HRW下調(diào)14種血漿代謝物（主要涉及淀粉/蔗糖代謝），HI上調(diào)10種代謝物（主要涉及精氨酸生物合成）（圖3）。

 

菌群響應(yīng)：HRW顯著改變腸道菌群結(jié)構(gòu)（ANOSIM r=0.304, p=0.005），增加乳桿菌屬（Lactobacillus）豐度；HI僅輕微影響菌群（圖4E-G）。

 

 

生理效應(yīng)：HI顯著降低大鼠體重（-13.3%）、攝食量及排泄量（圖1C-F），HRW無此效應(yīng)。

 

 

創(chuàng)新點(diǎn)：首次揭示HRW與HI對(duì)健康機(jī)體代謝和菌群的差異化調(diào)節(jié)機(jī)制。

 

二、研究目的

 

闡明健康狀態(tài)下的氫干預(yù)效應(yīng)：探究長(zhǎng)期HRW/HI對(duì)正常大鼠代謝組和菌群的影響，彌補(bǔ)既往研究多聚焦疾病模型的不足。

 

對(duì)比干預(yù)途徑差異：明確口服（HRW）與吸入（HI）兩種給藥方式的作用機(jī)制異同。

 

挖掘潛在機(jī)制：通過多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析（菌群-代謝物）揭示氫干預(yù)的生物學(xué)通路。

 

三、研究思路

 

采用長(zhǎng)期干預(yù)→多組學(xué)分析→機(jī)制關(guān)聯(lián)的三步策略：

 

動(dòng)物模型：SD大鼠分三組（對(duì)照組、HRW組、HI組），干預(yù)6個(gè)月（2.1節(jié)）。

 

數(shù)據(jù)采集：

 

生理指標(biāo)：體重、攝食量、排泄量（代謝籠監(jiān)測(cè)，圖1）。

 

代謝組學(xué)：LC-MS檢測(cè)86種血漿代謝物（圖2-3）。

 

 

菌群分析：16S rRNA測(cè)序（V3-V4區(qū)）評(píng)估糞便菌群（圖4-6）。

 

 

 

機(jī)制挖掘：

 

Spearman相關(guān)性分析菌群與代謝物關(guān)聯(lián)（圖6）。

 

PICRUSt預(yù)測(cè)菌群功能變化（圖5）。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 生理代謝數(shù)據(jù)（圖1）

 

數(shù)據(jù)來源：圖1A-F（體重、攝食量、排泄量曲線）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

HI組體重降低13.3%（455.2g vs. 525.0g, p=0.007），攝食量減少（p<0.0001），排泄量同步下降（圖1C-F）。

 

HRW組無顯著變化。

 

研究意義：HI可能通過抑制食欲和能量代謝影響體重，提示HI對(duì)健康機(jī)體存在代謝抑制效應(yīng)。

 

2. 血漿代謝組數(shù)據(jù)（圖2-3）

 

數(shù)據(jù)來源：圖2（PCA/OPLS-DA分析）、圖3（差異代謝物及通路富集）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

HRW組：14種下調(diào)代謝物（如葡萄糖-6-磷酸、尿酸），富集于淀粉/蔗糖代謝（圖3B）。

 

HI組：10種上調(diào)代謝物（如L-瓜氨酸、NAAG），富集于精氨酸生物合成（圖3C）。

 

研究意義：

 

HRW可能通過下調(diào)糖代謝改善血糖（支持既往報(bào)道）。

 

HI上調(diào)神經(jīng)保護(hù)物質(zhì)NAAG（N-乙酰天冬氨酰谷氨酸），或解釋其神經(jīng)保護(hù)作用。

 

3. 腸道菌群數(shù)據(jù)（圖4-6）

 

數(shù)據(jù)來源：圖4（α/β多樣性、菌群組成）、圖5（KEGG通路預(yù)測(cè)）、圖6（菌群-代謝物相關(guān)性）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

HRW組：顯著增加益生菌Lactobacillus（乳桿菌屬），減少Bacteroides（擬桿菌屬）（圖4H-I）。

 

HI組：僅輕微增加Blautia（布勞特氏菌屬），無整體結(jié)構(gòu)改變（圖4F）。

 

相關(guān)性：Bacteroides豐度與血糖負(fù)相關(guān)（r=-0.82, p<0.01），解釋HRW降糖機(jī)制（圖6A）。

 

研究意義：HRW通過調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)（如促益生菌增長(zhǎng)）發(fā)揮健康效應(yīng)，HI則主要通過直接代謝調(diào)節(jié)。

 

五、結(jié)論

 

干預(yù)方式特異性：

 

HRW主要調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)（增加益生菌、抑制致病菌），影響糖代謝。

 

HI直接調(diào)控血漿代謝物（如上調(diào)神經(jīng)保護(hù)物NAAG），抑制攝食與能量代謝。

 

健康應(yīng)用價(jià)值：

 

HRW更適合作為日常保健（菌群調(diào)節(jié)），HI可能用于體重管理（需警惕代謝抑制）。

 

機(jī)制啟示：氫干預(yù)的生物學(xué)效應(yīng)高度依賴給藥途徑，需根據(jù)目標(biāo)適應(yīng)癥優(yōu)化策略。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 測(cè)量原理與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

 

應(yīng)用場(chǎng)景：

 

富氫水質(zhì)控：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)HRW中H?濃度（>800 μM），確保干預(yù)一致性（方法章節(jié)）。

 

吸入氣體監(jiān)測(cè)：驗(yàn)證HI組氫氣濃度穩(wěn)定維持于4%（方法章節(jié)）。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

 

高靈敏度：檢測(cè)限達(dá)μM級(jí)，精準(zhǔn)量化生物樣本中低濃度H?。

 

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)：持續(xù)監(jiān)測(cè)H?溶解/釋放動(dòng)力學(xué)，避免采樣誤差。

 

2. 研究意義

 

保證干預(yù)可靠性：Unisense電極確保HRW/HI的H?劑量可控，為結(jié)論可信度提供技術(shù)支撐。

 

方法學(xué)價(jià)值：為氫醫(yī)學(xué)研究提供標(biāo)準(zhǔn)化氣體監(jiān)測(cè)方案，推動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense電極等技術(shù)支持，首次揭示HRW與HI對(duì)健康機(jī)體代謝和菌群的差異化調(diào)節(jié)：HRW通過菌群重構(gòu)調(diào)節(jié)糖代謝，HI直接調(diào)控神經(jīng)保護(hù)代謝物并抑制攝食。為氫干預(yù)的精準(zhǔn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。