失智症,是所有已开发国家头痛的问题,它的成因很多,主要分为退化型失智与血管性失智。退化型失智中又以阿兹海默症最为常见,本论文概述氢气对于血管性失智帮助的研究。
认识血管性失智
血管性失智是因脑中风或慢性脑血管病变,造成脑部血液循环不良,导致脑细胞死亡造成智力减退,是造成失智症的第二大原因(仅次于阿兹海默症)。脑血管意外发生后,大脑血流中断,中枢神经系统(central nervous system, CNS)内神经元等细胞因为缺乏氧气和葡萄糖,导致细胞损伤或死亡,负责学习记忆的脑区神经元对缺血敏感性更高,是发生死亡的重灾区,因此脑缺血后容易导致学习记忆能力的丧失。
脑部缺血一但发生,缺乏氧气葡萄糖会导致突触前释放更多谷氨酸(一种神经传导物质),可以引起兴奋毒性,细胞外钙离子会进入突触后神经元的树突棘。细胞内游离钙离子水平增加会让活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)过度制造,破坏线粒体正常功能,导致神经元损伤进一步加重。兴奋性毒性不可避免地与活性氧增加有关,氧化损伤是血管性失智的重要病理基础,所以抗氧化是来预防血管性失智显然是一个合适的策略。
为了了解氢气对于血管性失智是否有所帮助,来自韩国建阳大学医学院的动物实验研究证实了氢气的有效性。
氢气对于血管性失智帮助实验
实验大鼠与分组
实验利用 32 只、8 周大、重量 200 ~ 250 克的大鼠,进行动物实验。大鼠的环境被控制在 21 ~ 23 摄氏度,湿度则落在 40 ~ 60%,并提供 12 小时光照,12 小时黑暗的循环。
实验人员,将这 32 只大鼠随机分配成四组,首先是 SO 组作为伪对照组(Sham Control Group),SO 组的大鼠注射一般生理食盐水;VEH 组则是对照组(Control Group),透过人为的方式使大鼠产生低血容量的血管性失智动物模型;MH-L 组用同样的方式使大鼠产血管性失智但在之前会让大鼠连续口服低剂量氢化镁(MgH2) 14 天,剂量浓度为 5mg/kg;MH-H 组与 MH-L 相同,只有口服氢化镁(MgH2)的剂量较高,浓度为 15mg/kg。
评估方式
实验利用数种方式来衡量不同组别的大鼠的认知能力是否具有显著上的差异,包含使用 Y 型迷宫测验( Y-maze test)、Barnes 迷宫测验(Barnes maze test) 、被动回避测验(Passive Avoidance Test)以及甲苯酚紫染色(Cresyl Violet Staining)。
Y 型迷宫测验是利用大鼠天生充满好奇的天性,倾向不走原路(成功转向),但如果认知功能受到伤害,就会让走原路的比例增加,透过观察大鼠在 Y 型迷宫的行走路线,就能了解大鼠的认知功能是否正常。研究利用「自发转向比率」也就是 【大鼠转向总数/(总行走次数 – 2) *100%】 作为指标,可以看出该比率越高,则大鼠的认知功能越好。
Barnes 迷宫,则是在一个大圆盘上有 20 个洞,只有一个洞是能够有效逃脱的,此试验分为两阶段,第一阶段为试验阶段,让大鼠学习找到可以逃生的洞,第二阶段则把唯一的逃生洞也拿掉,观察大鼠在原来有逃生洞的区域附近徘徊的时间长度来衡量大鼠的认知能力,如果大鼠在原来逃生洞附近徘徊的时间越久,显示其认知功能受损较小。
被动回避测验,则是准备两个仓,其中一个为阴暗仓(大鼠喜爱),另一个为光照仓(大鼠讨厌),试验也分为两个阶段,首先将大鼠放置在光照仓,计算大鼠到达阴暗仓所需的时间,此外最晚抵达阴暗仓的大鼠会电击3秒;第二阶段则是评估大鼠在 180 秒内待在黑暗仓的时间,若越久则代表大鼠的认知功能越好。
最后一个评估方式,则是在大鼠完成上述三项评估后,将大鼠牺牲掉,利用甲苯酚紫染色(Cresyl Violet Staining) 来观察不同组别的大鼠,其大脑海马回神经细胞存活的数量。
实验流程
整个实验流程可以参考下图
实验结果
在 Y 型迷宫测验上,SO 组大鼠的自发转向比率最高而经过血管性失智处理的 VEH 组别的大鼠,其自发性转向比率显著降低,但两组(MH-L、MH-H)饮用氢化镁的大鼠,因为体内氢气浓度提高,尽管与 VEH 进行相同的血管性失智模型处理,在自发性转向比率上,皆显著优于 VEH 组别。
VEH 大鼠的自发性转向率明显较低,而 MH-L 与 MH-L 则显著较高。
而 Barnes迷宫中,同样的 SO 组大鼠在原有逃生洞附近徘徊时间是最长的(代表记忆认知效果最好),而 VEH 大鼠则表现最差, MH-H 的时间则显著长于 VEH 组。
VEH 认知与记忆功能受损的大鼠,无法记得能逃脱的洞,因而在逃脱洞附近停留的时间明显较短。
在被动回避测验中,SO组大鼠在三分钟内,平均待在黑暗仓的时间最久,而 VEH 组则显著缩短, MH-L 与 MH-H 组的大鼠相较于 VEH 组,皆显著提升。
VEH 组别的大鼠,在黑暗仓的时间明显较短,而 MH-L 与 MH-H 皆有显著提升。
最后在透过细胞染色,观察大鼠海马回神经细胞存活数量的比较中,SO 组别的大鼠存活的神经细胞最多,VEH 最低,而 MH-L 与 MH-H 两组的细胞数量皆显著多于 VEH 组。
VEH 组别的大鼠,其大脑神经细胞显著较少,而 MH-L 与 MH-H 则显著较高。箭头处代表因固缩导致细胞凋亡的地方。
结论
过去在研究氢气对于神经细胞保护的方式,通常都是在出事当下或出事后,让大鼠呼吸氢气或者注射含氢气的生理食盐水,包含太田成男教授在 2007 年发现氢气具有选择性抗氧化的研究模型也是如此。而这个实验则是在出事前让大鼠提升体内氢气,出事后完全没有进一步提升大鼠体内的氢气浓度,不过以研究结果来看,效果同样相当显著!
这样的结果说明了氢气对于健康体起到了预防保护的效果,这是很重要的。我们常说预防胜于治疗,随着氢气保健的相关研究越来越多,相信我们会更懂氢、更爱氢。