研究簡介:2型糖尿病（T2D）作為全球嚴重健康問題，預計到2030年將有4.39億人患病。T2D與肥胖密切相關(guān)，其中胰島素抵抗（IR）是肥胖相關(guān)T2D進展的常見原因之一，主要通過慢性全身性炎癥引起。傳統(tǒng)治療方法包括生活方式干預和藥物管理，但存在持續(xù)堅持的難題。目前的藥物主要包括二甲雙胍（Met）和吡格列酮，但由于其副作用，長期使用效果有限。因此迫切需要開發(fā)安全有效的新型抗胰島素抵抗技術(shù)。本研究指出氫分子（H2）是一種安全、有效且廣譜的抗炎劑，對許多炎癥相關(guān)疾病具有益處。盡管口服富含氫的水（HRW）已被證實可以改善T2D患者和動物模型的葡萄糖代謝，但水中溶解的氫量較低。為增強氫的傳遞效率，研究探討了固態(tài)氫供體的開發(fā)，如金屬氫化物、硼化物和硅化物。然而，現(xiàn)有的口服劑仍存在釋放速率難以控制的問題。為應對這一挑戰(zhàn)，研究人員提出了一種主電池策略，構(gòu)建了Zn-Fe微/納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了酸響應的可控氫釋放。實驗結(jié)果表明，Zn-Fe在胃中產(chǎn)生的氫可以有效積聚在肝臟、脂肪組織和骨骼肌等主要IR部位，為一種新的抗胰島素抵抗治療策略提供了可能性。研究的創(chuàng)新點包括新型氫釋放策略、定向釋放和積累、Zn-Fe微/納米結(jié)構(gòu)設(shè)計以及對肥胖相關(guān)糖尿病的有效治療。整體而言，這項研究為氫療法的未來發(fā)展提供了新的方向和潛在的治療途徑。

Unisense微電極系統(tǒng)的應用

6至8周齡雄性野生型（WT）C57BL/6J小鼠以0.1 mL的劑量灌胃施用Zn-Fe（20 mg/mL，水溶液）或HRW（0.8 mmol/LH 2，水溶液）/10克體重（BW）（相當于Zn-Fe 200 mg/kg BW）。通過Clark型H 2傳感器（Unisense，丹麥）實時監(jiān)測肝臟、脂肪組織（附睪脂肪墊）和骨骼肌（腓腸肌）中的H2濃度。

實驗結(jié)果

開發(fā)了一種Zn-Fe原電池微/納米顆粒，通過原電池反應在胃中具有加速酸響應H2釋放行為。通過調(diào)節(jié)Zn和Fe的比例，控制H2釋放速率，實現(xiàn)胃代謝時間窗內(nèi)持續(xù)H 2釋放。口服Zn-Fe微米/納米顆粒在一些IR相關(guān)組織（包括肝臟、骨骼肌和白色脂肪組織）中引起相對較高的H 2濃度和H 2的長時間保留。研究發(fā)現(xiàn)在肥胖相關(guān)的2型糖尿病ob/ob小鼠中，這些胰島素敏感組織的炎癥受到抑制，IR得到改善。同時口服Zn-Fe微/納米顆粒顯示出較高的安全性。

圖1、Zn-Fe原電池微納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)建方法示意圖(A)、加速Zn水解和H2產(chǎn)生的原電池原理(B)、胰島素中H2的高效積累口服Zn-Fe給藥后抵抗部位的組織支持增強抗炎和改善胰島素耐受性(C)。

圖2、Zn-Fe微/納米顆粒的代表性SEM圖像(A)和相應的EDS元素圖(B)、Zn-Fe微/納米顆粒的XPS譜(C,D)以及Mg、Fe的酸響應H 2生成曲線、Zn和Zn-Fe微/納米顆粒在模擬胃酸溶液中具有不同的Fe/Zn比（E）。圖A中的比例尺對應于5μm。

圖3、應用unisense微剖面分析系統(tǒng)對Fe/Zn比為1的Zn-Fe微納米顆粒灌胃后老鼠肝臟(A,D)、附睪脂肪墊(B,E)和腓腸肌(C,F)體內(nèi)H2濃度的體內(nèi)監(jiān)測：100(200 mg/kg)(A–C)或HRW(800μM，10 mL/kg)(D–F)。

圖4、應用unisense微剖面分析系統(tǒng)測試了老鼠口服鋅鐵(200 mg/kg)后胃壁H2濃度的體內(nèi)監(jiān)測。

圖5、持續(xù)的H2供應可改善血糖穩(wěn)態(tài)。空腹血糖水平（A，n=6），口服葡萄糖耐量試驗（OGTT）結(jié)果（B），OGTT曲線下面積（C，n=6），血漿胰島素水平（D，n=6），胰島素耐量測試（ITT）結(jié)果（E），ITT曲線下面積（F，n=6），胰腺切片免疫組化染色檢測胰島素（紅色）和胰高血糖素（綠色）的表達（G）。圖G中的比例尺對應于100μm。

結(jié)論與展望

肥胖相關(guān)2型糖尿病(T2D)中的慢性全身炎癥是胰島素抵抗(IR)的關(guān)鍵誘導因素。氫分子(H2)已被證明是一種安全有效的抗炎劑，但傳統(tǒng)的H2給藥方法無法在IR相關(guān)組織中提供高劑量和長持續(xù)時間的H 2治療，從而導致治療效果有限功效。研究人員提出了一種控制H2釋放的新策略，以匹配胃排空的時間窗口，從而最大限度地提高H2的生物利用度和治療效果。該工作通過構(gòu)建Zn-Fe原電池微/納米結(jié)構(gòu)來提高Zn的水解速率，并通過調(diào)節(jié)Zn與Fe的比例來調(diào)節(jié)H 2釋放速率。每天口服一次Zn-Fe微/納米結(jié)構(gòu)，可緩解瘦素缺陷(ob/ob)小鼠模型中與肥胖相關(guān)的T2D。Fe/Zn比為1:100的Zn-Fe原電池微納米結(jié)構(gòu)在胃酸中的H2生成時間約為3h，與小鼠胃排空的時間窗正好匹配。使用unisense微電極分析系統(tǒng)結(jié)合氫氣微電極對小鼠體內(nèi)的氫濃度的監(jiān)測結(jié)果表明，Zn-Fe微納米結(jié)構(gòu)在胃中產(chǎn)生的H2，與普通藥物相比，在高劑量下可有效地在肝臟、脂肪組織和骨骼肌等主要紅外部位組織中積累較長時間。飲用富含H2的水。口服200 mg/kg體重的Zn-Fe微/納米結(jié)構(gòu)可有效改善ob/ob小鼠的IR并顯著改善全身炎癥。此外高劑量的Zn-Fe對小鼠沒有顯示出明顯的毒性。同時口服Zn-Fe微/納米顆粒顯示出較高的安全性。這些優(yōu)點使得Zn-Fe微納米顆粒具有很高的臨床轉(zhuǎn)化潛力。這項研究的創(chuàng)新點在于提出了一種新的氫氣釋放策略，以應對肥胖相關(guān)的2型糖尿病中慢性全身性炎癥導致的胰島素抵抗。通過構(gòu)建Zn-Fe主電池微/納米結(jié)構(gòu)，成功增強了氫氣的生成速率，并通過調(diào)整Zn到Fe的比例來控制釋放速率。這種新策略能夠在胃排空的時間窗口內(nèi)釋放出氫氣，使其在體內(nèi)主要的胰島素抵抗部位積累高劑量，并相對較長時間內(nèi)維持，從而實現(xiàn)了對肥胖相關(guān)糖尿病的有效治療。這項研究還展示了高劑量的Zn-Fe對小鼠沒有明顯毒性，為氫療法的最大化提供了全新的路徑。