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

基于微泡的圖像引導(dǎo)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(yīng)用材料與界面》，第9卷，2017年，第21190-21199頁

 

摘要

論文摘要指出，心肌缺血再灌注損傷是全球發(fā)病和死亡的主要原因。氫氣作為一種抗氧化劑，在預(yù)防和治療缺血再灌注引起的致命損傷方面顯示出巨大潛力。然而，氫氣在水中溶解度低，導(dǎo)致其在血液和受損組織中的生物利用度差。研究開發(fā)了一種超聲波可見的氫氣遞送系統(tǒng)，通過將氫氣加載到微泡中（H2-MBs），以預(yù)防心肌缺血再灌注損傷。該系統(tǒng)在正常溫壓條件下可大幅提高單位體積內(nèi)的氫氣濃度。H2-MBs可通過超聲成像系統(tǒng)進行視覺跟蹤，并能有效釋放治療氣體。在心肌缺血大鼠再灌注開始時進行體內(nèi)系統(tǒng)遞送H2-MBs，結(jié)果顯示梗死面積和病理重塑顯著減少。進一步分析表明，該方法明顯抑制了心肌細胞凋亡，并減少了心肌炎癥和氧化損傷。結(jié)果表明，H2-MBs是一種有前景的氫氣治療應(yīng)用的視覺遞送系統(tǒng)。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種圖像引導(dǎo)的氫氣遞送系統(tǒng)，利用微泡作為載體，提高氫氣的生物利用度，以保護心肌免受缺血再灌注損傷。具體包括驗證H2-MBs的制備、氫氣釋放能力、超聲成像可行性，以及評估其在體內(nèi)外對心肌保護的效果，包括減少梗死面積、改善心功能、抑制凋亡和氧化應(yīng)激。

 

研究思路

研究思路包括合成氫氣加載的微泡（H2-MBs），通過磷脂薄膜水合法制備，并優(yōu)化C3F8和H2的比例。表征H2-MBs的物理性質(zhì)（尺寸、穩(wěn)定性、氫氣含量），使用丹麥Unisense電極測量體外和體內(nèi)氫氣釋放曲線。通過超聲成像評估H2-MBs的可見性和追蹤能力。建立大鼠心肌缺血再灌注模型，在再灌注前靜脈注射H2-MBs，評估梗死面積、心功能（超聲心動圖）、細胞凋亡（TUNEL染色）、炎癥因子（ELISA）和氧化應(yīng)激指標（ROS檢測）。通過組織學(xué)分析和血液生化檢測評估生物安全性。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 H2-MBs的制備和表征數(shù)據(jù)來自圖1，包括微泡的尺寸分布、氫氣含量（1.46±0.08 μmol/mL at C3F8/H2=1:1）和穩(wěn)定性。研究意義是確認H2-MBs成功合成，具有合適的載氫能力和物理特性，為后續(xù)遞送和釋放提供基礎(chǔ)。

 

 

2 氫氣釋放曲線數(shù)據(jù)來自圖1b和c，使用丹麥Unisense電極測量體外PBS和體內(nèi)大鼠左心室腔中的氫氣濃度，顯示H2-MBs添加后氫氣水平在2分鐘內(nèi)達峰值（體外180 μmol/L，體內(nèi)119 μmol/L），而對照組無變化。研究意義是直接驗證H2-MBs能有效控制釋放氫氣，提高局部生物利用度，為治療提供藥代動力學(xué)依據(jù)。

3 超聲成像數(shù)據(jù)來自圖2，顯示H2-MBs在不同濃度下產(chǎn)生濃度依賴性超聲信號增強，體內(nèi)注射后心肌組織信號強度增加2.83倍。研究意義是證明H2-MBs可作為超聲對比劑，實現(xiàn)圖像引導(dǎo)的實時追蹤和劑量監(jiān)控，增強治療的可控性。

 

4 梗死面積評估數(shù)據(jù)來自圖3，TTC染色顯示高劑量H2-MBs處理組梗死面積減少69.97%（12.81% vs 對照組42.67%）。研究意義是表明H2-MBs能顯著減輕心肌損傷，證實其保護作用具有劑量依賴性。

 

5 心功能評估數(shù)據(jù)來自圖4，超聲心動圖顯示H2-MBs處理組左心室收縮末期內(nèi)徑（LVESD）和舒張末期內(nèi)徑（LVEDD）增加較少，射血分數(shù)（EF%）和短軸縮短率（FS%）下降幅度小。研究意義是證明H2-MBs能抑制病理重塑，保護心功能，減少心力衰竭風險。

 

6 細胞凋亡和炎癥數(shù)據(jù)來自圖5和6，TUNEL染色顯示H2-MBs組凋亡細胞減少（8.62% vs 對照組35.53%），ELISA顯示炎癥因子（TNF-α、IL-1β）和氧化應(yīng)激標志物（8-OHdG、MDA）水平降低。研究意義是揭示H2-MBs通過抑制凋亡和炎癥通路發(fā)揮保護作用，機制與抗氧化相關(guān)。

 

 

7 ROS檢測數(shù)據(jù)來自圖6f-i，顯示H2-MBs選擇性降低羥基自由基（·OH）水平，而對NO·、O2·-和H2O2無影響。研究意義是驗證氫氣通過中和毒性自由基發(fā)揮選擇性抗氧化作用，減少氧化損傷，而不干擾其他ROS的生理功能。

 

結(jié)論

1 H2-MBs作為一種圖像引導(dǎo)的氫氣遞送系統(tǒng)，能有效提高氫氣溶解度，實現(xiàn)超聲實時監(jiān)控和可控釋放，突破氫氣治療的應(yīng)用瓶頸。

2 在心肌缺血再灌注模型中，H2-MBs顯著減少梗死面積、改善心功能、抑制細胞凋亡和炎癥反應(yīng)，證實其強大的心肌保護作用。

3 機制上，H2-MBs通過選擇性清除羥基自由基減輕氧化應(yīng)激，且具有良好的生物安全性，為臨床轉(zhuǎn)化提供了新策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense氫敏感電極測量氫氣釋放曲線，在研究中具有關(guān)鍵意義。該電極以高精度針型傳感器直接檢測溶液或血液中的溶解氫濃度，提供實時定量數(shù)據(jù)。在體外實驗中（圖1b），電極顯示H2-MBs添加后PBS中氫氣濃度快速上升，2分鐘內(nèi)達180 μmol/L峰值，證實微泡能高效負載和釋放氫氣；在體內(nèi)實驗中（圖1c），電極插入大鼠左心室腔，記錄到注射H2-MBs后血液氫氣濃度峰值119 μmol/L，雖衰減較快但顯著高于傳統(tǒng)方法（如吸入氫氣僅10 μmol/L）。這些數(shù)據(jù)的研究意義在于：首先，直接驗證了H2-MBs遞送系統(tǒng)的釋氫效率和動力學(xué)，為劑量優(yōu)化提供依據(jù)；其次，體內(nèi)外相關(guān)性表明微泡能突破溶解度限制，實現(xiàn)靶向遞送；最后，Unisense電極的高靈敏度和實時性使其成為評估氣體治療劑藥代動力學(xué)的可靠工具，支撐了H2-MBs的轉(zhuǎn)化潛力。通過該測量，研究明確了氫氣在局部的有效濃度范圍，奠定了治療機制的基礎(chǔ)。