Different effects of hydrogen-rich water intake and hydrogen gas inhalation on gut microbiome and plasma metabolites of rats in health status

攝入富氫水和吸入氫氣對健康狀態下大鼠腸道微生物組和血漿代謝物的不同影響

來源：Scientific Reports | (2022) 12:7231

 

一、摘要概述

 

本研究通過6個月干預實驗，對比富氫水攝入（HRW）與氫氣吸入（HI）對健康大鼠腸道菌群和血漿代謝物的影響。

 

核心發現：

 

代謝差異：HRW下調14種血漿代謝物（主要涉及淀粉/蔗糖代謝），HI上調10種代謝物（主要涉及精氨酸生物合成）（圖3）。

 

菌群響應：HRW顯著改變腸道菌群結構（ANOSIM r=0.304, p=0.005），增加乳桿菌屬（Lactobacillus）豐度；HI僅輕微影響菌群（圖4E-G）。

 

 

生理效應：HI顯著降低大鼠體重（-13.3%）、攝食量及排泄量（圖1C-F），HRW無此效應。

 

 

創新點：首次揭示HRW與HI對健康機體代謝和菌群的差異化調節機制。

 

二、研究目的

 

闡明健康狀態下的氫干預效應：探究長期HRW/HI對正常大鼠代謝組和菌群的影響，彌補既往研究多聚焦疾病模型的不足。

 

對比干預途徑差異：明確口服（HRW）與吸入（HI）兩種給藥方式的作用機制異同。

 

挖掘潛在機制：通過多組學關聯分析（菌群-代謝物）揭示氫干預的生物學通路。

 

三、研究思路

 

采用長期干預→多組學分析→機制關聯的三步策略：

 

動物模型：SD大鼠分三組（對照組、HRW組、HI組），干預6個月（2.1節）。

 

數據采集：

 

生理指標：體重、攝食量、排泄量（代謝籠監測，圖1）。

 

代謝組學：LC-MS檢測86種血漿代謝物（圖2-3）。

 

 

菌群分析：16S rRNA測序（V3-V4區）評估糞便菌群（圖4-6）。

 

 

 

機制挖掘：

 

Spearman相關性分析菌群與代謝物關聯（圖6）。

 

PICRUSt預測菌群功能變化（圖5）。

 

四、測量數據及其研究意義

1. 生理代謝數據（圖1）

 

數據來源：圖1A-F（體重、攝食量、排泄量曲線）。

 

關鍵結果：

 

HI組體重降低13.3%（455.2g vs. 525.0g, p=0.007），攝食量減少（p<0.0001），排泄量同步下降（圖1C-F）。

 

HRW組無顯著變化。

 

研究意義：HI可能通過抑制食欲和能量代謝影響體重，提示HI對健康機體存在代謝抑制效應。

 

2. 血漿代謝組數據（圖2-3）

 

數據來源：圖2（PCA/OPLS-DA分析）、圖3（差異代謝物及通路富集）。

 

關鍵結果：

 

HRW組：14種下調代謝物（如葡萄糖-6-磷酸、尿酸），富集于淀粉/蔗糖代謝（圖3B）。

 

HI組：10種上調代謝物（如L-瓜氨酸、NAAG），富集于精氨酸生物合成（圖3C）。

 

研究意義：

 

HRW可能通過下調糖代謝改善血糖（支持既往報道）。

 

HI上調神經保護物質NAAG（N-乙酰天冬氨酰谷氨酸），或解釋其神經保護作用。

 

3. 腸道菌群數據（圖4-6）

 

數據來源：圖4（α/β多樣性、菌群組成）、圖5（KEGG通路預測）、圖6（菌群-代謝物相關性）。

 

關鍵結果：

 

HRW組：顯著增加益生菌Lactobacillus（乳桿菌屬），減少Bacteroides（擬桿菌屬）（圖4H-I）。

 

HI組：僅輕微增加Blautia（布勞特氏菌屬），無整體結構改變（圖4F）。

 

相關性：Bacteroides豐度與血糖負相關（r=-0.82, p<0.01），解釋HRW降糖機制（圖6A）。

 

研究意義：HRW通過調節菌群結構（如促益生菌增長）發揮健康效應，HI則主要通過直接代謝調節。

 

五、結論

 

干預方式特異性：

 

HRW主要調節腸道菌群結構（增加益生菌、抑制致病菌），影響糖代謝。

 

HI直接調控血漿代謝物（如上調神經保護物NAAG），抑制攝食與能量代謝。

 

健康應用價值：

 

HRW更適合作為日常保?。ň赫{節），HI可能用于體重管理（需警惕代謝抑制）。

 

機制啟示：氫干預的生物學效應高度依賴給藥途徑，需根據目標適應癥優化策略。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 測量原理與技術優勢

 

應用場景：

 

富氫水質控：實時監測HRW中H?濃度（>800 μM），確保干預一致性（方法章節）。

 

吸入氣體監測：驗證HI組氫氣濃度穩定維持于4%（方法章節）。

 

技術優勢：

 

高靈敏度：檢測限達μM級，精準量化生物樣本中低濃度H?。

 

實時動態：持續監測H?溶解/釋放動力學，避免采樣誤差。

 

2. 研究意義

 

保證干預可靠性：Unisense電極確保HRW/HI的H?劑量可控，為結論可信度提供技術支撐。

 

方法學價值：為氫醫學研究提供標準化氣體監測方案，推動領域內實驗可重復性。

 

總結：本研究通過Unisense電極等技術支持，首次揭示HRW與HI對健康機體代謝和菌群的差異化調節：HRW通過菌群重構調節糖代謝，HI直接調控神經保護代謝物并抑制攝食。為氫干預的精準應用提供理論依據。