“氢医学研究”述评：血透体外循环中H2含量实时定量监测

述评人：陈微博士，山东第一医科大学（山东省医学科学院）泰山氢生物医学研究院

血液透析（Haemodialysis，HD）是晚期慢性肾病患者主要的临床治疗方式。血液透析需要每周进行3次，每次4-5小时。在血液透析过程中，血液进入体外循环系统经过血液透析器（人工肾脏）接受净化。在晚期肾脏疾病患者体内氧化应激和炎症反应通常与慢性血液透析治疗有关。作为一种抗氧化剂，在多种动物疾病模型和人群试验中氢气分子被初步证明具有治疗疾病的潜力。最近，已有研究人员推出一种富氢透析液，有望降低血液透析过程中产生的氧化应急和/或炎症反应。尽管氢气的抗氧化和抗炎生物活性被认可，但是很少有人关注如何来准确追踪氢气在患者血液中的剂量。因此，需要一种标准化的测量方法来确定透析液中以及随后血液中氢的水平。德国亚琛工业大学附属医院生理研究所研究员Foivos Leonidas Mouzakis探索性使用一种新型的非接触式传感器来检测液体中氢气浓度。作者将一种非接触式氢气传感器与体外循环系统连接来检测血液替代液中氢气浓度。

图1实验装置示意图。

在本实验中作者采用生理盐水作为工作液。工作液通过泵被推进膜气体交换器（membrane gas-exchanger device，MGE），在膜气体交换器的气体侧加注H2/空气混合气体，此时膜气体交换器中的工作液会处于富氢状态。膜气体交换器与温度调节器相连，使温度保持在20℃。膜气体交换器的下游连接装有H2传感器的氢水监测装置HWMS Mark III（日本Pureron），可以实时监测H2浓度。在该系统的进气口，又加装了一个直线式压力感受器实时监测氧分压（图1）。

图2不同操作条件下溶解H2浓度和氧分压的变化。

在上述体外循环系统中加注不同体积分数（2.7%，5.3%，10.5%）的H2混合气体，所测得的氧分压的值与理论值吻合，这一结果验证了氧气传感器的准确性。与此同时，系统工作做液中稳定期的H2浓度可以分别达到47 ± 2%, 100 ± 3% and 211± 3%ppb。但是在整个实验运行过程中，无论运行条件如何，HWMS监测装置所检测的H2浓度值需要约50min才能达到等效平衡值（图2）。相比于氧气传感器的高敏感性，H2传感器在检测H2浓度时具有滞后性。

图3在相同的操作条件下，两种HWMS装置监测的H2浓度。

为了验证上述的结果，作者又在紧挨着原来的H2传感器的位置加入了第二个HWMS监测装置。在相同的实验条件下，两套HWMS监测系统的测量值显示相似的线形图。在高浓度即H2体积分数为5.3%和10.5%时，两套传感器监测的H2浓度稳态值之间没有明显的差异。但是，低浓度即H2体积分数为2.7%时，稳定期（60-100min）时两套传感器监测的H2浓度值之间有30%的显著差异（图3）。图3结果也反应了实验操作的可重复性和H2传感器的敏感性与精确性。

图4分别在20℃和36℃校准的两个HWMS装置监测不同温度下的氢浓度。

为研究不同温度下H2的扩散度和溶解度，作者又在原来的HWMS监测装置旁（校准温度20℃）加入第三个HWMS监测装置（校准温度36℃），这样可以使它们在相同的条件下监测数据。如图4所显示，这两个H2传感器在其各自的工作温度下所的H2稳态值是不一致的。随着温度的升高和混合气体中H2含量的增加，两个传感器测量值的初始差异会进一步扩大。此外，虽然混合气体中H2含量保持不变，但H2浓度测量值随温度变化而变化。由此证明，H2传感器的敏感性受温度和高H2浓度的影响。但是，这儿，作者也发现了一个奇怪的现象，H2浓度随温度的升高而升高。这个结果直接违背了溶解度随温度升高而降低的原则，因此需要进一步的研究。

图5溶解H2浓度的实验数据和理论数据。

为解决HWMS监测装置敏感性和准确性的问题，根据给定的操作条件，作者计算了工作液中H2浓度的理论值。发现，H2浓度测量值和估计值之间的相对误差随着温度/浓度的升高而增加（图5）。准确性是任何测量仪器的关键参数。因此，在较高的H2浓度下观察到的数据波动应立处理。在高温度和高速率下，传感器也会出现精度不足的情况，这就需要对设备定义新的/特定案例的校准曲线，以减少总体测量误差。

基于体外循环系统的原理建立了一个实验装置，用于优化H2混合气体的供应和H2浓度监测。结果表明，该系统具有较强的H2测量能力，但也存在一些不足之处，主要是对H2的响应时间较慢。尽管我们都希望所有的传感器都具有高敏感性，但是作者认为这并不阻碍这在血液透析中的应用，因为血液透析本身是一个漫长的过程，因此在这种情况下H2传感器存在的这种滞后性可以忽略不计。

后期应该进一步实施更多的直接/间接方法来测量气相和/或液相中的H2浓度(例如气相色谱法)，以为HWMS系统的准确性和可靠性提供证据。

此外，后期可以用动物血液（例如猪，因为其生理上类似于人类血液）进行体外研究，以更好地帮助研究氢在体外环境中的缓和作用。

相关文献和第一作者简介：Mouzakis F L, Khadka L B, Pereira da Silva M, et al. Quantification of dissolved H2 and continuous monitoring of hydrogen-rich water for haemodialysis applications: An experimental study. The International Journal of Artificial Organs, 2022: 03913988211070588.原文链接：https://doi.org/10.1177/03913988211070588。第一作者Foivos Leonidas Mouzakis，德国亚琛工业大学附属医院生理研究所研究员，研究方向涉及II类医疗器械原型的开发(在毛细管膜装置方面有丰富的经验)、原型测试/临床前调查。血液相容性试验(剪切应力诱导的溶血评估)、流体流型分析和新型非接触式血气传感器的研制与优化。