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

锌铁原电池在胃中控制释放JD足球反波胆APP下载以改善肥胖相关2型糖尿病的胰岛素抵抗

来源：Bioactive Materials 33 (2024) 242–250

生物活性材料


摘要内容：

摘要指出肥胖相关2型糖尿病（T2D）的慢性全身炎症是胰岛素抵抗（IR）的关键诱因。JD足球反波胆APP下载（H?）是一种安全有效的抗炎剂，但传统给氢方法（如富氢水）无法在IR相关组织中提供高剂量、长持续时间的H?治疗。本研究提出通过构建锌铁（Zn-Fe）原电池微纳结构加速锌的水解并调控H?释放速率，使其匹配胃排空时间窗口（小鼠约3小时）。口服该材料后，胃中生成的H?能高效积累于肝脏、脂肪组织和骨骼肌等IR靶组织，显著改善ob/ob小鼠的IR和全身炎症，且高剂量下无毒性。


研究目的：

开发一种可控释放H?的口服材料，解决传统给氢方法（如富氢水）剂量低、持续时间短的问题，以最大化H?在胰岛素抵抗相关组织中的生物利用度和抗炎疗效。


研究思路：

材料设计：通过置换反应构建Zn-Fe原电池微纳结构，利用原电池反应（Fe为阳极，Zn为阴极）加速Zn在胃酸中的水解速率（原理见图1B）。

速率调控：调整Fe/Zn比例（10:100, 1:100, 1:300）控制H?释放速率，筛选出匹配小鼠胃排空时间（约3小时）的最佳比例（Fe/Zn=1:100）（图1E）。


体内验证：


实时监测H?在关键组织（肝、脂肪、肌肉）的浓度（图2），对比富氢水（HRW）评估生物利用度。


在ob/ob小鼠模型中口服给药（200 mg/kg/天），评估对肥胖、高血糖、炎症及IR的改善作用（图3-5）。


安全性：通过组织病理学和血液生化指标评估高剂量Zn-Fe的毒性（图S21-S24）。


测量数据及研究意义：

材料表征（图1A-D, S2-S4）：

SEM/EDS显示Fe纳米颗粒均匀包覆Zn微粒（图1A-B），XPS证实Fe为零价（图1C-D），验证原电池结构形成。

意义：确认材料成功合成，为可控H?释放提供结构基础。

体外H?释放曲线（图1E）：


Zn-Fe（Fe/Zn=1:100）在模拟胃酸（JD足球反波胆APP下载 1.2）中持续产氢3小时，匹配胃排空时间；Mg微粒5分钟释放完毕，纯Zn/Fe释放过慢。


意义：Fe/Zn比例可精准调控H?释放动力学，避免H?过早排出或利用不足。

体内H?浓度监测（丹麦JD足球反波胆APP下载电极数据）（图2, S6）：

数据细节：


口服Zn-Fe后，肝脏和脂肪组织的H?峰值浓度达95.8μM和102.0μM（图2A-B），是富氢水（HRW）的30倍以上（图2D-E仅3.0–4.3μM）。

H?在组织中保留时间显著延长：6小时后肝脏/脂肪仍保留13.8–15.1%峰值浓度（图2A-B），而HRW组1小时内下降95%（图2D-E）。


研究意义：


突破溶解度限制：Zn-Fe的产氢量（理论375 mL/g）远超富氢水饱和溶解度（0.8 mmol/L），实现高剂量给氢。


长效靶向积累：H?在脂溶性组织（如脂肪）滞留时间延长，直接作用于IR相关炎症靶点（图2B, E）。


临床转化价值：证实口服材料可实现持续、高浓度H?组织递送，克服吸入给氢的时效短、操作不便等缺陷。

代谢与炎症指标（图3-5, S8-S12）：



Zn-Fe显著降低ob/ob小鼠体重、血脂（TC/TG）、脂肪细胞大小（图3A-G）及肝脏脂质积累（图3H, S8-S9）。


改善血糖稳态：降低空腹血糖（图4A）、增强葡萄糖耐受（图4B-C）、减少高胰岛素血症（图4D）和胰岛β细胞代偿性增生（图4G, S10）。


抑制炎症：降低血浆IL-6、TNF-α等炎症因子（图5A-C），减少肝脏/脂肪巨噬细胞浸润（图5G-H），下调组织炎症基因（MCP-1, TNF-α）（图5D-F）。


意义：数据证实Zn-Fe通过长效H?递送，同步改善多组织炎症和IR，效果优于富氢水。

安全性数据（图S19-S24）：

800 mg/kg剂量下小鼠体重、器官病理及肝肾功能（ALT/AST/Cr/BUN）均无异常。


意义：Zn/Fe为必需微量元素，材料生物安全性支持临床转化潜力。


结论：

成功开发Zn-Fe原电池微纳材料，通过调控Fe/Zn比例实现H?释放速率与胃排空时间的匹配（约3小时）。


口服后能在IR靶组织（肝、脂肪、肌肉）实现高浓度、长滞留的H?积累，突破传统给氢方法的局限性。


每日一次给药可显著改善ob/ob小鼠的胰岛素抵抗、全身炎症及代谢紊乱，效果优于富氢水且无毒性。


为氢疗法在代谢性疾病中的应用提供新策略。