Hydrogen gas alleviates blood-brain barrier impairment and cognitive dysfunction of septic mice in an Nrf2-dependent pathway

氫氣通過 Nrf2 依賴性途徑減輕膿毒癥小鼠的血腦屏障損傷和認知功能障礙

來源：International Immunopharmacology 85 (2020) 106585

 

1. 論文摘要核心內容

 

研究證實氫氣（H?）通過激活Nrf2通路保護血腦屏障（BBB），減輕膿毒癥相關腦病（SAE）的認知障礙：

 

 

SAE模型（盲腸結扎穿孔術CLP）破壞BBB完整性，導致腦水腫、炎癥因子浸潤和認知功能障礙（圖6-8）。

 

 

 

 

氫氣干預（2% H?吸入）顯著提高野生型（WT）小鼠生存率（圖3），改善空間記憶（Morris水迷宮測試，圖4），降低氧化應激（MDA↓、8-iso-PGF2α↓）和炎癥因子（TNF-α、IL-6、HMGB1↓），同時上調抗氧化酶（SOD↑、CAT↑）和抗炎因子IL-10（圖5）。

 

 

 

機制核心：氫氣通過Nrf2依賴途徑上調緊密連接蛋白（ZO-1）和黏附連接蛋白（VE-cadherin），抑制β-catenin磷酸化，從而修復BBB（圖7-8）。在Nrf2基因敲除（KO）小鼠中，氫氣保護作用完全消失。

 

結論：氫氣通過Nrf2通路維持BBB完整性，是治療SAE的潛在策略。

 

2. 研究目的

 

探究氫氣緩解SAE的分子機制，重點驗證：

 

氫氣是否通過Nrf2通路保護BBB完整性，進而改善膿毒癥誘導的認知功能障礙？

 

旨在為SAE提供基于氣體分子的神經保護方案。

3. 研究思路

 

1.動物與細胞模型：

 

體內：WT與Nrf2 KO小鼠接受CLP術誘導SAE，氫氣干預（2% H?吸入，1h/6h術后）。

 

體外：bEnd.3腦微血管內皮細胞經LPS刺激模擬炎癥，氫氣富集培養基處理（圖1）。

 

 

2.關鍵干預：

 

Nrf2抑制劑ML385用于細胞實驗，驗證通路特異性（圖8）。

3.多維度評估：

 

生存與認知：7天生存率（圖3）、Morris水迷宮測試（圖4）。

 

氧化應激與炎癥：SOD、CAT、MDA、8-iso-PGF2α、TNF-α、IL-6、HMGB1、IL-10（ELISA，圖5）。

 

BBB完整性：腦水含量（圖6D）、Evans藍滲出（圖6C）、葡聚糖示蹤（圖6A-B）、緊密連接蛋白（ZO-1/VE-cadherin/β-catenin，Western blot，圖7-8）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 生存率與認知功能（圖3-4）

 

數據：

 

CLP組7天生存率顯著降低（WT: 40% → H?干預后↑65%；Nrf2 KO無改善）。

 

氫氣縮短Morris水迷宮逃避潛伏期（WT: ↓35%），增加平臺穿越次數（↑50%），Nrf2 KO無效（圖4）。

 

意義：確立氫氣對SAE生存率和認知功能的保護作用嚴格依賴Nrf2通路。

 

(2) 氧化應激與炎癥平衡（圖5）

 

數據：

 

氫氣降低氧化產物（MDA↓40%、8-iso-PGF2α↓35%）和促炎因子（TNF-α↓45%、IL-6↓38%、HMGB1↓42%），提升抗氧化酶（SOD↑30%、CAT↑25%）和抗炎因子IL-10（↑50%），僅限WT小鼠。

 

意義：氫氣通過Nrf2通路重建氧化-炎癥平衡，減輕腦損傷。

 

(3) BBB完整性保護（圖6-8）

 

數據：

 

通透性指標：氫氣減少腦水含量（↓18%）、Evans藍滲出（↓32%）、血管外葡聚糖（↓40%）（圖6）。

 

連接蛋白：氫氣上調ZO-1（↑2.1倍）、VE-cadherin（↑1.8倍），抑制β-catenin磷酸化（p-β-catenin↓45%）（圖7-8）。

 

Nrf2依賴性：所有保護效應在Nrf2 KO小鼠或ML385處理的細胞中消失（圖8）。

 

意義：首次揭示氫氣通過Nrf2-ZO-1/VE-cadherin軸修復BBB結構，為SAE治療提供新靶點。

 

5. 丹麥Unisense電極數據的核心意義

(1) 技術實現與方法

 

實時監測：Unisense針型傳感器植入小鼠腦實質，動態檢測H?濃度變化（方法部分）。

 

藥代動力學：

 

H?吸入后45分鐘達腦內峰值濃度（0.6 mmol/L），60分鐘維持穩定（圖2A,C）。

 

停吸后濃度快速衰減，30分鐘降至基線（圖2B,D）。

 

質量控制：確保所有實驗使用標準化H?劑量（2%吸入濃度），排除給藥偏差。

 

(2) 科學價值

 

1.治療窗界定：

 

腦內H?濃度峰值與BBB修復、認知改善時程吻合（圖4/6/7），明確45-60分鐘為最佳暴露時長。

2.機制關聯性：

 

H?濃度曲線（圖2）與Nrf2激活（圖7）、ZO-1上調（圖8）同步變化，證實氫氣效應具有濃度-效應依賴性。

3.轉化醫學橋梁：

 

提供臨床吸入方案參數（2%濃度，45分鐘/次），為氫氣療法標準化奠定基礎。

 

(3) 獨特優勢

 

不可替代性：傳統方法無法實時監測溶解H?，Unisense是鏈接H?給藥-腦內分布-生物效應的關鍵技術（圖2）。

 

跨疾病應用：該技術可推廣至其他氣體治療研究（如CO、NO）的腦內藥代動力學評估。

 

6. 研究結論

 

1.分子機制：SAE→BBB破壞→認知障礙；氫氣→激活Nrf2→上調ZO-1/VE-cadherin→修復BBB→減輕腦損傷。

2.通路特異性：氫氣保護作用嚴格依賴Nrf2，KO小鼠中完全失效。

3.治療價值：氫氣吸入為SAE提供無創神經保護方案，Unisense電極確保治療可重復性。

 

7. 核心圖示

 

[SAE] → [BBB破壞] → [腦水腫/炎癥] → [認知障礙]

↓

[H?激活Nrf2] → [ZO-1↑/VE-cadherin↑] → [BBB修復]

 

Unisense電極：實時監測腦內H?濃度，保障治療精準性

 

研究啟示：

 

Unisense電極是氫氣醫學研究的金標準工具，其提供的腦內實時藥代動力學數據（圖2）為機制研究與臨床轉化架起橋梁，未來需探索其在個體化氣體治療中的應用。