In vivo microelectrode monitoring of real-time hydrogen concentration in different tissues of rats after inhaling hydrogen gas

體內微電極實時監測大鼠吸入氫氣后不同組織中的氫氣濃度

來源：Medical Gas Research 2022;12(3):107-112

 

一、摘要概述

 

本文首次采用電化學微傳感器（丹麥Unisense H?S-100型）實時監測大鼠吸入不同濃度氫氣（4%、42%、67%）后7種組織（腦、肝、脾、腎、大腿肌、腹股溝白色脂肪組織、性腺白色脂肪組織）的氫氣濃度動態變化。核心發現包括：

 

劑量依賴性：各組織氫氣平衡濃度（C?）隨吸入濃度升高而增加（圖2）。

 

 

組織差異：腦組織C?最高，大腿肌最低（圖2A-C）。

 

動力學特征：脂肪與肌肉組織的氫氣飽和/脫飽和速率顯著慢于其他組織（圖3-4）。

 

 

 

研究為氫氣治療的劑量選擇提供了關鍵實驗依據。

 

二、研究目的

 

解決關鍵空白：填補氫氣吸入后多組織實時濃度數據的缺失，明確劑量-效應關系。

 

揭示分布規律：探究氫氣在脂溶性組織（如腦、脂肪）與親水性組織（如肌肉）中的分布差異。

 

指導臨床應用：為氫氣治療（如腦缺血、代謝疾病）的劑量方案提供理論支持。

 

三、研究思路

 

采用階梯濃度吸入→微電極實時監測→多組織對比分析策略：

 

模型構建：

 

大鼠麻醉后暴露目標組織，插入Unisense微電極（尖端40-60 μm）。

 

通過定制氣體混合裝置輸送3種濃度氫氣（4%、42%、67%），維持氧濃度21%（圖1）。

 

 

動態監測：

 

飽和階段：持續供氫至組織濃度平衡（C?）。

 

脫飽和階段：切換為空氣后監測濃度衰減（圖3-4）。

 

數據分析：

 

計算50%/90%飽和時間（T??、T??）及脫飽和速率（圖3G-H, 4G-H）。

 

對比理論濃度（亨利定律預測）與實際測量值。

 

四、測量數據及其研究意義

1. 組織氫氣平衡濃度（C?）（圖2）

 

數據來源：圖2A-C（柱狀圖）。

 

關鍵結果：

 

腦組織C?最高：67% H?吸入時達476.9 μM（接近理論值），顯著高于其他組織（*P<0.001）。

 

大腿肌C?最低：僅腦組織的50%（P<0.001）。

 

脂肪組織差異：腹股溝脂肪C? > 性腺脂肪（&P<0.05）。

 

研究意義：

 

證實氫氣脂溶性分布特征（腦/脂肪富集）。

 

揭示肌肉組織氫氣利用率低，提示其治療需更高劑量。

 

2. 飽和/脫飽和動力學（圖3-4）

 

數據來源：圖3A-F（動態曲線）、圖3G-H/4G-H（T??/T??）。

 

關鍵結果：

 

最快飽和組織：脾、肝（T?? < 2 min），因高血流量加速氫氣輸送。

 

最慢飽和組織：大腿肌、脂肪（T??達10-20 min），因低血流+高脂溶性延緩平衡（圖3G-H）。

 

脫飽和速率：腦組織衰減快于脂肪組織（圖4G-H），反映清除效率差異。

 

研究意義：

 

為治療時間窗提供依據（如腦疾病短期吸入 vs. 肌肉疾病長期維持）。

 

解釋既往研究中氫氣療效的組織差異性（如腦缺血模型響應快）。

 

五、結論

 

濃度規律：氫氣組織分布呈腦 > 脂肪 > 內臟 > 肌肉，且嚴格劑量依賴。

 

動力學機制：飽和/脫飽和速率受血流量和脂溶性雙重調控。

 

臨床啟示：

 

腦部疾病治療可優先選擇氫氣吸入（高效滲透）。

 

肌肉或脂肪相關疾病需延長吸入時間以達有效濃度。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 技術優勢

 

高時空分辨率：

 

尖端直徑40-60 μm，實現單組織微創穿刺（圖1B）。

 

秒級響應速度，捕捉氫氣濃度瞬時變化（圖3-4曲線）。

 

活體連續監測：

 

支持飽和-脫飽和全程追蹤，避免傳統采樣法的離散誤差。

 

定量精準性：

 

通過溫度/鹽度校正曲線（38°C生理環境），誤差 < 5%。

 

2. 關鍵數據意義

 

揭示慢組織動力學：

 

首次記錄到大腿肌T??比腦組織慢3倍（圖3H），解釋為何肌肉疾病需更長治療時間。

 

驗證理論模型：

 

腦組織C?實測值與亨利定律預測高度吻合（圖2），證實血腦屏障高效通透性。

 

發現脂肪滯留效應：

 

脫飽和曲線顯示脂肪組織氫氣清除延遲（圖4F），提示其作為氫氣"儲庫"的潛在價值。

 

3. 研究突破

 

解決爭議：明確氫氣在肌肉組織濃度最低（圖2），糾正既往文獻矛盾結論。

 

定義新參數：引入T??/T??量化組織動力學差異，為跨物種劑量換算提供指標。

 

總結：本研究通過Unisense微電極首次繪制氫氣多組織動態分布圖譜，其高精度數據為氫氣治療的精準劑量設計奠定基礎。電極技術優勢在于揭示傳統方法無法捕捉的時空異質性（如脂肪滯留），推動氫氣醫學向個體化用藥邁進。