Image-Guided Hydrogen Gas Delivery for Protection from Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury via Microbubbles

通過微泡的圖像引導氫氣遞送用于保護心肌缺血-再灌注損傷

來源：ACS Applied Materials & Interfaces, Volume 9, 2017, Pages 21190-21199

《ACS應用材料與界面》，第9卷，2017年，頁碼21190-21199

 

摘要

論文摘要指出，心肌缺血-再灌注損傷是導致全球發病和死亡的主要原因。氫氣（H2）作為一種抗氧化劑，在預防和治療缺血-再灌注損傷方面具有巨大潛力，但由于其在水中的溶解度低、擴散性高，生物利用度差。作者開發了一種超聲波可見的氫氣遞送系統，通過將氫氣加載到微泡（H2-MBs）中，顯著提高了單位體積的氫氣濃度（130.6 mg/g），并實現了圖像引導的遞送和釋放。在體內實驗中，H2-MBs能減少梗死面積、抑制心肌細胞凋亡、降低炎癥和氧化損傷，表現出高生物安全性。

 

研究目的

研究目的是解決氫氣療法中氫氣遞送和生物利用度的挑戰，開發一種圖像引導的氫氣遞送系統，利用微泡（MBs）封裝氫氣，提高其溶解度，并通過超聲波成像實時跟蹤遞送過程，以評估其對心肌缺血-再灌注損傷的保護效果。

 

研究思路

研究思路包括制備氫氣加載的微泡（H2-MBs），通過磷脂膜形成、水合、氣體置換和機械振動等步驟實現；表征H2-MBs的物理性質（如大小、分布、穩定性）；使用丹麥Unisense電極測量氫氣在PBS和血液中的釋放曲線；通過超聲波成像評估H2-MBs的可見性和遞送效率；在大鼠心肌缺血-再灌注模型中進行體內實驗，評估梗死面積、心功能、組織學變化、炎癥和氧化應激指標；通過藥理學和統計學分析驗證保護機制。

 

測量的數據及研究意義

1. H2-MBs的制備和表征：數據來自圖1a。研究意義是驗證H2-MBs的成功制備，顯示其具有適當的尺寸、分布和穩定性，氫氣加載能力顯著提高（1.46±0.08 μmol/mL），為后續實驗提供基礎。

 

2. 氫氣釋放曲線：數據來自圖1b,c。研究意義是使用丹麥Unisense電極實時監測氫氣釋放，證明H2-MBs在PBS和體內能快速釋放氫氣（PBS中最大濃度180±0.02 μmol/L，血液中119±0.02 μmol/L），顯示其有效的釋放動力學和治療潛力。

3. 超聲波成像：數據來自圖2a-f。研究意義是H2-MBs作為超聲波對比劑，信號強度與濃度相關，能在心臟和心肌組織中可視化跟蹤，實現圖像引導的遞送和劑量監控。

 

4. 梗死面積評估：數據來自圖3a-c。研究意義是TTC染色顯示H2-MBs處理能劑量依賴性地減少梗死面積（高劑量組減少69.97%），證明其保護作用。

 

5. 心功能評估：數據來自圖4a-c。研究意義是超聲心動圖顯示H2-MBs改善左心室功能（減少LVEDD和LVESD，提高EF%和FS%），抑制病理重塑。

 

6. 組織學分析：數據來自圖5a-c。研究意義是H&E染色、TUNEL assay和caspase-3表達顯示H2-MBs減少心肌壞死、凋亡和caspase-3活性，證實細胞保護作用。

 

7. 炎癥和氧化應激指標：數據來自圖6a-i。研究意義是ELISA和ROS檢測顯示H2-MBs降低MPO、TNF-α、IL-1β、8-OHdG、MDA水平，并選擇性減少羥基自由基（*OH），而不影響其他ROS，表明其通過抗氧化和抗炎機制發揮作用。

 

 

 

結論

論文得出結論，H2-MBs是一種有效的圖像引導氫氣遞送系統，能顯著提高氫氣溶解度，實現實時超聲波跟蹤，并有效保護心肌免受缺血-再灌注損傷，通過減少細胞凋亡、炎癥和氧化應激發揮作用，具有高生物安全性，為氫氣療法的臨床轉化提供了新策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的氫氣釋放數據具有關鍵研究意義。該電極是一種針型氫氣傳感器，能實時、精確監測溶液中或體內的氫氣濃度變化。在圖1b和c中，電極數據顯示了H2-MBs在PBS和血液中的釋放動力學：在PBS中，氫氣濃度在2分鐘內達到峰值（180±0.02 μmol/L），在體內血液中峰值濃度為119±0.02 μmol/L，但衰減較快。這些數據驗證了H2-MBs能快速釋放氫氣，達到治療相關濃度（以往研究顯示10 μmol/L即有效），并證明其體內外釋放特性一致。此外，釋放曲線與超聲波成像結合，證實了H2-MBs的遞送效率和治療時間窗口，為優化給藥方案和評估治療效果提供了定量依據。總之，Unisense電極的數據直接支持了H2-MBs作為高效氫氣遞送系統的可行性和可靠性。