氢气医学

硅氢材料抗氧化效应新假说

发布时间:2022-06-22本文来源: 氢思语

氢气效应最重要的理论是选择性抗氧化,也有间接抗氧化的解释,但这一文章提出一种新的假说,提出材料硅可以释放氢原子或电子给肠道细胞蛋白质,然后携带电子或氢原子的蛋白质进入血液并运输到目标组织,和组织细胞内羟基自由基反应。这假说听起来似乎不错,但存在比较大的问题,就是缺乏这种运输氢原子的真正蛋白的证据,因此只能是假说,而且是比较假的说。

真核细胞线粒体能量代谢不断产生活性氧生物体内活性氧主要包括超氧阴离子自由基过氧化氢羟基自由基(OH)和单线态氧氧气分子接受一个电子,被还原为超氧阴离子自由基两个超氧阴离子自由基SOD催化下可以变成过氧化氢在铜铁等过渡金属离子存在下,过氧化氢可以接受电子变成羟基自由基。这些反应在生物体内经常发生。羟基自由基是活性极强的自由基,能氧化细胞内DNARNA、脂质和蛋白质等各种生物分子,导致细胞氧化应激损伤相关疾病如慢性肾功能衰竭阿尔茨海默病帕金森病糖尿病。抑制氧化应激可能对防治这些疾病,但消除细胞内羟基自由基是控制氧化应激的重要切入点。

有效抑制氧化应激并不容易,因为羟基自由基一般是线粒体代谢过程持续产生,有效控制氧化应激需要细胞内针对羟基自由基的抗氧化剂的持续保持。

羟基自由基本身没有生理功能,清除这种自由基不会带来细胞氧化平衡紊乱,使用氢气吸入或饮用氢水能实现中和羟基自由基的目的,让氢气成为有重要临床应用潜力的物质。不过氢气在水中的溶解度比较低,常压饱和浓度大约为1.6ppm,氢水即使完全被人体吸收,24小时内体内氢气浓度也恢复到基础值。(氢思语:远不需要24小时,1小时大概就可以完全释放到体外)。

由于这些因素,氢水控制氧化应激的作用有限,这也是我们开发了弱碱性pH8.3溶液反应生成氢气的硅基材料的原因。

口服硅基剂进入胃内酸性环境时这种材料能保持稳定,氢气生成反应只发生在pH8.3胰液分泌后的肠道内。这种材料产生氢气速度比较缓慢,可以在肠道内持续24小时产生氢气,材料产氢气的计算量为400mL/g等于22升饱和氢水的氢气溶解量。已经发表的论文表明,这种材料能预防急性慢性肾功能衰竭和帕金森病本研究旨在研究这种材料抗氧化应激的分子机制,提出硅基剂表面氢原子在羟基自由基的消除中作用

氢思语:硅材料因为能释放氢气,或者说能释放电子还原水为氢气,自身被水氧化为二氧化硅,具有中和强氧化自由基的潜力肯定非常大。我不知道这种研究从化学角度的意义多大,从生物学角度,表面抗氧化需要这种材料深入到氧化应激的组织细胞内,但硅材料是口服材料,在肠道内产氢气,氢气进入血液循环和全身发挥作用。表面抗氧化似乎和过去研究释放氢气发挥作用完全不同。

 

实验方法

用高纯度的多晶硅粉末制备了硅基剂。根据过去报道,对多晶硅粉末经过磨珠后,进行表面处理提高产氢能力,聚合处理提高安全性

36°C下,通过硅基试剂与pH调整在5-11之间的溶液反应,TOADKK-TOADH-35A测定溶液氢气浓度。材料东方酵母菌有限公司提供。

利用NikkenSeil公司的酶联免疫吸附试验(ELISA),测定尿液8-OH鸟嘌呤,这是一种DNA被羟基自由基氧化的产物

血液的抗氧化能力是通过生物抗氧化电位(BAP)测试,使用Free Carrio Duo公司的试剂盒,该测试监测Fe+离子还原形成Fe2+离子导致的颜色变化。

利用JASCOFT/IR-6200光谱仪,通过傅里叶变换红外吸收(FTIR)测量,检测到硅基试剂表面区域的含氢物质。

JASCOFT/PF-8500光谱仪通过光致发光(PL)测量,观察到水电解引起的水电解质溶液中OH自由基浓度的变化。

结果和讨论

 

 

1 四种硅基试剂不同酸碱度溶液氢气释放效率的差异

1显示,虽然PH增加,氢气产生速率和产量越来越高。

这些结果说明,口服硅基剂后由于胃酸pH小于2,这种材料不会和水反应产生氢气,但在弱碱性的肠道中可以产生氢气。且在产生氢气的同时,不会影响溶液的酸碱度。

Si+2OH-=SiO2+H2+2e     (1)

2e+H2O=H2+2OH-        (2)

Si+2H2O=SiO2+2H2        (3)

这些结果表明,制氢反应遵循以下反应公式。

反应(1)的反应速率远低于反应(2)的反应速率,因此,后续整个反应的反应速率由反应(1)决定。在反应(1)有两个氢氧根离子,因此反应速率随着氢氧根浓度增加而增加。

不过氢气产生速度和理论计算并不一致,主要是因为反应速率还受到材料表面产生的二氧化硅层的限速效应影响,随着反应时间延长这一层厚度增加,产氢气效率显著下降。

 

2 a和b显示正常饲料和含硅基剂饲料喂养的大鼠的氧化应激和抗氧化能力。

对于氧化应激,测定了活性氧特别是OH自由基氧化DNA引起的8-OHdG的浓度。由此可见,用硅基剂喂养的大鼠中8-OHdG的浓度要低得多。比正常饲料的值低75%。这一结果清楚地表明,硅基剂通过消除氧化自由基很可能极大地抑制氧化应激。

使用硅基剂后,其抗氧化能力大大提高。结果表明,硅基剂在血液中含有具有高还原能力的物质。

 

 

3不同电压下水电解后的PL光谱。

电解质溶液中含有0.1mM四邻苯二甲酸,通过四邻苯二甲酸与羟基自由基反应,形成荧光羟基四邻苯二甲酸。当IV(谱a)应用于Ag/AgCl参考电极的Pt工作电极时,没有观察到PL峰,说明1V时,没有进行水电解。当2V(谱b)和3V(谱c)应用于Pt电极时,进行水电解,氢气和氧气产生,同时出现了羟基四邻苯二甲酸的PL峰。

需要注意的是,水电解过程中电解质溶液的氢气浓度高于1ppm大约0.5 mM.远高于四邻苯二甲酸的浓度为0.1 mM结果表明,羟基自由基与分子之间的反应概率并不高。

氢气分子中共价键键能高达4.5eV,氢气和羟基自由基反应需要很高的活化能,导致这种反应速率较低。

然而,生物体内条件下,由于催化酶的存在,可能会大大降低活化能氢气分子与羟基自由基的反应速率明显增加。

(氢思语:氢气和羟基自由基在身体内如果存在催化酶,那么氢气和其他氧化剂如氧气反应也同样存在可能,这只是猜测,如果没有文献和证据支持,就不应该在论文中直接宣称。)

本研究利用新方法制备硅材料,并研究了吸附在表面区域的峰的强度发现和水反应产生的氢原则扩散到材料表面,不形成氢分子,并被其他成分吸附产生SiH、HSiO2和HSiO另外有三种成分SiHSiH2和SiH3。硅氢键的形成表明,硅和水反应产生氢原子有可能被其他成分吸附,而不是形成氢气分子。SiHSiH2和SiH3处于更高能量。需要注意的是,氢气不容易和硅材料表面氧化硅成分反应,氢原子可以。

硅氢键能为3.1eV,低于氢气分子的4.5eV但是仍然低于一般蛋白质接受氢原子的能力。需要更高活化能的成分,这种成分恰好出现在硅材料表面。这样的氢原子被蛋白质接受,蛋白质作为氢原子的载体,进入血液循环并运输到全身。这可能是这种材料发挥作用的分子基础。

考虑到上述结果,我们提出了以下两种用硅基剂消除羟基自由基的机制。硅基剂表面的氢原子被蛋白质捕获,蛋白质很可能是含有金属原子,形成弱金属键。蛋白质转移到每个器官,并通过提供氢原子与器官中产生的羟基自由基发生反应,从而形成水分子。带有金属原子的蛋白质捕获氢原子的电子,导致金属原子的还原Fe3+到Fe2+具有增强还原能力的蛋白质被运输到器官,并向羟基自由基提供电子,导致OH离子的形成。

 

在肠道表面区域存在大量的硅基试剂,这种硅基试剂很可能通过提供氢原子或电子与蛋白质发生反应。对硅基剂消除羟基自由基的机理,应进行更详细的实验和理论研究。硅基试剂与弱碱性溶液反应可产生大量的氢,说明口服后可在肠道中产生氢。从动物实验中发现,硅基剂使氧化应激降低,抗氧化能力增加。在水电解过程中,在1ppm中的1ppm,表明H分子与OH自由基之间的反应概率不高。在硅基试剂的表面区域,通过制氢反应形成硅氢键。根据这些结果,我们提出了硅基试剂在体内消除羟基自由基的两种可能的机制,i)氢原子传递机制和li)电子传递机制。 

AIP Conference Proceedings 2343, 020011 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0048487

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