Zn-Fe primary battery-enabled controlled hydrogen release in stomach for improving insulin resistance in obesity-associated type 2 diabetes  

鋅鐵原電池在胃中控制釋放氫氣以改善肥胖相關(guān)2型糖尿病的胰島素抵抗  

來源：Bioactive Materials 33 (2024) 242–250

生物活性材料  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出肥胖相關(guān)2型糖尿?。═2D）的慢性全身炎癥是胰島素抵抗（IR）的關(guān)鍵誘因。氫氣（H?）是一種安全有效的抗炎劑，但傳統(tǒng)給氫方法（如富氫水）無法在IR相關(guān)組織中提供高劑量、長持續(xù)時間的H?治療。本研究提出通過構(gòu)建鋅鐵（Zn-Fe）原電池微納結(jié)構(gòu)加速鋅的水解并調(diào)控H?釋放速率，使其匹配胃排空時間窗口（小鼠約3小時）。口服該材料后，胃中生成的H?能高效積累于肝臟、脂肪組織和骨骼肌等IR靶組織，顯著改善ob/ob小鼠的IR和全身炎癥，且高劑量下無毒性。  

 

研究目的：  

開發(fā)一種可控釋放H?的口服材料，解決傳統(tǒng)給氫方法（如富氫水）劑量低、持續(xù)時間短的問題，以最大化H?在胰島素抵抗相關(guān)組織中的生物利用度和抗炎療效。  

 

研究思路：  

材料設(shè)計：通過置換反應(yīng)構(gòu)建Zn-Fe原電池微納結(jié)構(gòu)，利用原電池反應(yīng)（Fe為陽極，Zn為陰極）加速Zn在胃酸中的水解速率（原理見圖1B）。  

速率調(diào)控：調(diào)整Fe/Zn比例（10:100, 1:100, 1:300）控制H?釋放速率，篩選出匹配小鼠胃排空時間（約3小時）的最佳比例（Fe/Zn=1:100）（圖1E）。  

 

 

體內(nèi)驗證：  

 

實時監(jiān)測H?在關(guān)鍵組織（肝、脂肪、肌肉）的濃度（圖2），對比富氫水（HRW）評估生物利用度。  

 

 

在ob/ob小鼠模型中口服給藥（200 mg/kg/天），評估對肥胖、高血糖、炎癥及IR的改善作用（圖3-5）。  

 

 

 

 

安全性：通過組織病理學(xué)和血液生化指標(biāo)評估高劑量Zn-Fe的毒性（圖S21-S24）。  

 

 

 

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

材料表征（圖1A-D, S2-S4）：  

 

 

 

 

SEM/EDS顯示Fe納米顆粒均勻包覆Zn微粒（圖1A-B），XPS證實Fe為零價（圖1C-D），驗證原電池結(jié)構(gòu)形成。  

意義：確認(rèn)材料成功合成，為可控H?釋放提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。  

體外H?釋放曲線（圖1E）：  

 

Zn-Fe（Fe/Zn=1:100）在模擬胃酸（pH 1.2）中持續(xù)產(chǎn)氫3小時，匹配胃排空時間；Mg微粒5分鐘釋放完畢，純Zn/Fe釋放過慢。  

 

意義：Fe/Zn比例可精準(zhǔn)調(diào)控H?釋放動力學(xué)，避免H?過早排出或利用不足。  

體內(nèi)H?濃度監(jiān)測（丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)）（圖2, S6）：  

 

數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)：  

 

口服Zn-Fe后，肝臟和脂肪組織的H?峰值濃度達(dá)95.8μM和102.0μM（圖2A-B），是富氫水（HRW）的30倍以上（圖2D-E僅3.0–4.3μM）。  

H?在組織中保留時間顯著延長：6小時后肝臟/脂肪仍保留13.8–15.1%峰值濃度（圖2A-B），而HRW組1小時內(nèi)下降95%（圖2D-E）。  

 

 

研究意義：  

 

突破溶解度限制：Zn-Fe的產(chǎn)氫量（理論375 mL/g）遠(yuǎn)超富氫水飽和溶解度（0.8 mmol/L），實現(xiàn)高劑量給氫。  

 

長效靶向積累：H?在脂溶性組織（如脂肪）滯留時間延長，直接作用于IR相關(guān)炎癥靶點（圖2B, E）。  

 

臨床轉(zhuǎn)化價值：證實口服材料可實現(xiàn)持續(xù)、高濃度H?組織遞送，克服吸入給氫的時效短、操作不便等缺陷。  

代謝與炎癥指標(biāo)（圖3-5, S8-S12）：  

 

 

 

 

 

Zn-Fe顯著降低ob/ob小鼠體重、血脂（TC/TG）、脂肪細(xì)胞大?。▓D3A-G）及肝臟脂質(zhì)積累（圖3H, S8-S9）。  

 

 

改善血糖穩(wěn)態(tài)：降低空腹血糖（圖4A）、增強葡萄糖耐受（圖4B-C）、減少高胰島素血癥（圖4D）和胰島β細(xì)胞代償性增生（圖4G, S10）。  

 

 

抑制炎癥：降低血漿IL-6、TNF-α等炎癥因子（圖5A-C），減少肝臟/脂肪巨噬細(xì)胞浸潤（圖5G-H），下調(diào)組織炎癥基因（MCP-1, TNF-α）（圖5D-F）。  

 

 

意義：數(shù)據(jù)證實Zn-Fe通過長效H?遞送，同步改善多組織炎癥和IR，效果優(yōu)于富氫水。  

安全性數(shù)據(jù)（圖S19-S24）：  

 

800 mg/kg劑量下小鼠體重、器官病理及肝腎功能（ALT/AST/Cr/BUN）均無異常。  

 

意義：Zn/Fe為必需微量元素，材料生物安全性支持臨床轉(zhuǎn)化潛力。  

 

結(jié)論：  

成功開發(fā)Zn-Fe原電池微納材料，通過調(diào)控Fe/Zn比例實現(xiàn)H?釋放速率與胃排空時間的匹配（約3小時）。  

 

口服后能在IR靶組織（肝、脂肪、肌肉）實現(xiàn)高濃度、長滯留的H?積累，突破傳統(tǒng)給氫方法的局限性。  

 

每日一次給藥可顯著改善ob/ob小鼠的胰島素抵抗、全身炎癥及代謝紊亂，效果優(yōu)于富氫水且無毒性。  

 

為氫療法在代謝性疾病中的應(yīng)用提供新策略。