Hydrogen improves cell viability partly through inhibition of autophagy and activation of PI3K/Akt/GSK3β signal pathway in a microvascular endothelial cell model of traumatic brain injury

在創傷性腦損傷的微血管內皮細胞模型中，氫氣部分通過抑制自噬和激活 PI3K Akt GSK3β 信號通路來提高細胞活力

來源：NEUROLOGICAL RESEARCH 2020, VOL. 42, NO. 6, 487–496

 

1. 論文摘要核心內容

 

研究通過建立腦微血管內皮細胞（bEnd.3）劃痕損傷模型模擬TBI，探究氫氣（H?）的保護機制。核心發現：

 

氫氣顯著提升TBI后細胞活力（MTT檢測），并激活PI3K/Akt/GSK3β信號通路（Western blot驗證）。

 

氫氣抑制自噬激活（降低LC3-II/I、Beclin-1表達），而自噬誘導劑雷帕霉素（Rapamycin）可逆轉氫氣的保護作用。

 

PI3K抑制劑（LY294002）阻斷氫氣效應，證實PI3K/Akt/GSK3β通路是氫氣抑制自噬的關鍵上游機制。

 

結論：氫氣通過激活PI3K/Akt/GSK3β通路抑制自噬，改善TBI后內皮細胞存活，為氫氣治療TBI提供新機制依據。

 

2. 研究目的

 

闡明氫氣減輕TBI后血腦屏障（BBB）損傷的分子機制。

 

驗證氫氣是否通過調控PI3K/Akt/GSK3β信號通路和自噬發揮保護作用。

 

探索氫氣治療TBI的潛在臨床應用價值。

 

3. 研究思路

 

1.模型建立：

 

采用小鼠腦微血管內皮細胞（bEnd.3）建立劃痕損傷模型（模擬TBI機械損傷）。

 

分組：假手術組（Sham）、假手術+氫氣組（Sham+H?）、TBI組、TBI+氫氣組（TBI+H?）、TBI+氫氣+PI3K抑制劑組（TBI+H?+LY）、TBI+氫氣+自噬誘導劑組（TBI+H?+Rap）。

 

2.干預設計：

 

氫氣干預：使用富氫培養基（0.60 ± 0.03 mM，Unisense電極標定）。

 

通路調控：PI3K抑制劑（LY294002）和自噬誘導劑（雷帕霉素）。

3.檢測指標：

 

細胞形態與活力：劃痕愈合率（圖1）、MTT細胞活力（圖2a, 4a, 6a）。

 

 

 

 

信號通路蛋白：p-Akt、p-GSK3β（Western blot，圖2b-d, 4b-d, 6b-d）。

 

自噬標志物：LC3-II/I、Beclin-1、p62（Western blot/免疫熒光，圖3, 5, 7）。

 

 

 

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 氫氣促進細胞修復（圖1）

 

 

數據：劃痕后24小時，TBI+H?組細胞再內皮化程度顯著高于TBI組（圖1d），而PI3K抑制劑（LY294002）或自噬誘導劑（Rap）削弱該效應（圖1e-f）。

 

意義：氫氣通過促進內皮細胞修復減輕BBB損傷，且依賴PI3K通路和自噬抑制。

 

(2) 氫氣提升細胞活力（圖2a, 4a, 6a）

 

數據：

 

TBI組細胞活力顯著下降（vs Sham組），氫氣干預后活力恢復（圖2a）。

 

LY294002或雷帕霉素處理取消氫氣保護作用（圖4a, 6a）。

 

意義：氫氣保護作用依賴PI3K/Akt/GSK3β通路激活和自噬抑制。

 

(3) 氫氣激活PI3K/Akt/GSK3β通路（圖2b-d, 4b-d）

 

數據：

 

TBI激活p-Akt/p-GSK3β，氫氣進一步強化該效應（圖2b-d）。

 

LY294002抑制通路蛋白表達（圖4b-d）。

 

意義：PI3K/Akt/GSK3β是氫氣保護作用的核心信號軸。

 

(4) 氫氣抑制自噬（圖3, 5, 7）

 

數據：

 

TBI誘導自噬（LC3-II/I、Beclin-1↑），氫氣顯著抑制其表達（圖3a-d）。

 

LY294002解除氫氣對自噬的抑制（圖5a-d），雷帕霉素激活自噬并降低細胞活力（圖7a-e）。

 

意義：氫氣通過PI3K/Akt/GSK3β通路抑制自噬，維持內皮細胞穩態。

 

5. 研究結論

 

1.氫氣通過激活PI3K/Akt/GSK3β通路抑制自噬，改善TBI后內皮細胞活力與修復能力。

2.自噬在TBI中具有損傷作用，氫氣通過抑制自噬發揮保護效應。

3.PI3K抑制劑（LY294002）和自噬誘導劑（雷帕霉素）可逆轉氫氣保護作用，證實機制特異性。

4.氫氣治療TBI具有潛在臨床轉化價值，需進一步探索體內驗證及劑量優化。

 

6. 丹麥Unisense電極的核心價值

(1) 技術角色

 

精確標定氫氣濃度：

 

使用Unisense針型氫傳感器（Unisense A/S, Aarhus, Denmark）實時檢測富氫培養基濃度（0.60 ± 0.03 mM），確保實驗條件一致性（方法部分）。

 

解決氣體治療關鍵難題：氫氣溶解度低、易擴散，Unisense電極提供高精度、實時濃度監測，排除劑量偏差對結果的干擾。

 

(2) 研究意義

 

1.機制可靠性保障：

 

精確的氫氣濃度控制確保PI3K/自噬機制結論的可重復性，避免濃度波動導致的假陽性/陰性。

2.方法學創新：

 

為氣體治療研究提供標準化方案，推動氫氣在神經保護領域的應用。

3.臨床轉化橋梁：

 

Unisense電極的定量數據為未來臨床劑量設計提供參考（如吸入氫氣濃度、富氫液體輸注方案）。

 

(3) 領域貢獻

 

 

填補技術空白：解決體外氣體治療濃度監測難題，提升實驗嚴謹性。

 

推動精準醫療：為氫氣治療TBI的劑量-效應關系研究奠定基礎。

 

核心圖示：氫氣保護機制通路

 

TBI損傷 → [PI3K/Akt/GSK3β通路抑制] + [自噬激活] → 細胞活力↓

↓

氫氣干預 → 激活PI3K/Akt/GSK3β → 抑制自噬 → 細胞修復↑

 

總結：

 

本研究通過細胞模型闡明氫氣治療TBI的新機制，Unisense電極在氫氣濃度標定中的關鍵作用保障了機制的可靠性，為靶向PI3K/自噬通路的神經保護策略提供理論依據。未來需結合動物模型驗證，并探索Unisense技術在體內氫氣監測中的應用潛力。