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专家论述丨氢气代谢动力学(2)

日期:2020-09-24 16:10:16 / 人气:

氢气剂量效应分析是氢气医学临床研究的重要内容,如何无创准确分析氢气剂量是氢气医学临床需要的方法,直接分析呼出气体中氢气含量是一种比较理想的方法。

氢气分子在实验动物体内代谢有多种检测方法。分析动物呼出气体氢气含量是一种无创简便的研究方法。呼出气体样品可以直接分析气态氢气含量,气体分析的灵敏度非常高,一般呼吸气体中含有微量氢气就非常容易检测,不需要进行萃取浓缩可以直接分析,这不仅能简化检测方法,而且可以提高检测准确性。临床上有现成的呼出气体氢气水平分析,结合甲烷和二氧化碳浓度分析,可以非常方便检测,是氢气临床医学研究值得选择的检测方法。



俄罗斯学者最近在会议中报道了大鼠呼出氢气含量分析的实验。实验组是10Wistar大鼠,开始实验时平均体重238±13克。实验过程动物获得标准能量维生素矿物质营养平衡饮食。
一般分析动物呼出气氢气采用密封分析法,有的研究动物呼出气体不和系统外空气混合,也有研究是通过采气系统从周围吸入空气。这些实验,首先将动物放入PVC管,两端用塑料膜密封(注意:塑料会有氢气泄露,但实验时间短,或材料厚度比较大,密封操作严格情况下可以使用)。管内气体被气泵强制吸入氢气和二氧化碳分析仪。
本实验采用1.84升玻璃瓶密封大鼠,瓶口用铁盖密封,盖子上安装气体阀门,可以和密封头或通气管连接。为提高气密性,在容器的外螺纹上涂有螺纹连接的密封剂。系统通过压缩机和外界空气交换。空气泵通过三通管持续对容器内空气进行换气给分析器采样。通过气体流量计控制空气通气速度为250毫升/分钟。实验装置流程见图1.
  
 
专家论述丨氢气代谢动力学(2)(图1)

图1 实验设计
开始分析氢气浓度时停止压缩机供气,然后用三通阀门转换密闭整个系统。随后启动空气泵开始进行空气循环换气。氢气分析按照动物和容器体积进行含量计算,假定大鼠呼吸率为27.27±2.39 ml/min/100g。气体分析采样通过三通管,采样经过氢气分析仪分析浓度。这种分析方法能评估肠道内细菌产生氢气和饮用氢水后氢气的释放规律。
实验设计。开始实验时,所有动物称重采集血液。18周标准饮食后,连续5周分析口服乳果糖后呼出气体中氢气水平。最后动物称重、收集血液和组织样本。
乳果糖氢气呼吸分析方法:第一天动物禁食16小时,次日口服乳果糖后每30分钟分析一次氢气含量,持续测试8小时。测试过程动物被密封在容器内进行持续空气泵通风,每次封闭容器后平均15分钟后测定氢气浓度(我的理解是,每次测定数值为连续15分钟内经过呼吸排除的氢气总量,主要是动物呼吸气体量比较小,立刻测定无法反应呼出气体中氢气水平,连续测试可能会破坏气体平衡)。
请注意,这种测定方法没有进行二氧化碳清除和氧气的补充,这可能会影响动物的生理功能,特别是呼吸和循环功能,这给氢气的测定会产生一定的影响。不过总体体积比较大。短时间内不足以导致严重二氧化碳中毒和缺氧。
 进一步发展这种分析方法,由于和外界没有气体交换,密闭空间内动物无法长时间生存。为达到长期持续分析,长期密闭生存的目的,必需给系统提供生命支持系统,包括自动给饮水系统、二氧化碳清除、氧气浓度分析和补充系统。二氧化碳吸收剂是碱石灰,吸收二氧化碳和水后产生碳酸钠和碳酸钙,不会释放气体成分。氧气浓度分析随时检测氧气浓度,自动供氧系统通过U型压力计和液体阀用气瓶给系统补充氧气。
使用这个系统研究动物饮用氢水后氢气的代谢,需要避免在密闭系统内存在氢水,因为氢水也会释放氢气进入系统内。这需要氢水的氢气浓度,可以使用一个系统,给动物进行按需供水。
 
研究结果
对这个测试系统进行验证实验。经典的呼气氢浓度分析一般是口服乳果糖。测试是分析口服乳果糖对基础饮食后氢气产生增加的情况。
 专家论述丨氢气代谢动力学(2)(图2)
  图2是测定结果。所有大鼠呼吸气体基础氢气水平最大最小值。a图是只口服乳果糖的情况。b是和标准饮食基础上口服乳果糖。结果现实,乳果糖服用5-7小时后,氢气水平显著升高,这一结果和文献报道一致。乳果糖口服后5小时后到底大肠,此处细菌利用乳果糖合成氢气,部分氢气被肠道粘膜吸收,通过血液循环从肺挥发排到体外。值得注意的是,10只大鼠只有8只发现氢气含量明显升高。一些动物在这个时间点没有明显升高。这说明部分动物大肠内产氢气细菌缺乏,即使补充乳果糖也不能产生氢气。相信这些乳果糖仍然可以被一些不产生氢气的细菌分解。
虽然本研究测试了小动物在密闭空间氢气释放规律,其实没有排除氢气通过其他途径的释放,例如氢气可以通过皮肤释放到体外,也可以通过排泄物释放氢气。当然这样的密闭系统能把所有氢气收集起来,这大概是这种系统的优势。做氢气代谢研究,小动物也有不足,使用人体进行研究可以更方便采集呼吸气体,只要进行标准训练,测试起来更简单方便。也更能获得人体试验数据,其临床意义更大。
研究能量代谢规律的代谢分析系统,一般没有配备氢气分析,但有氧气和二氧化碳分析,由于氢气对气密性的要求特别高,只要对系统的密封系统进行改进,使用传统的代谢分析系统就可以进行氢气代谢分析。人体代谢分析系统也可以进行类似改进。这样的优势可以和其他代谢指标进行同步分析。
Hartmann L , Taras D , Kamlage B , et al. A new technique to determine hydrogen excreted by gnotobiotic rats[J]. Laboratory Animals, 2000, 34(2):162-170.
Experimental Setup for Measurements the Hydrogen Concentration in Exhaled Rat\'s Air

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