氢气在血液透析中的应用【13章】

氢气在血液透析中的应用：简要回顾并强调溶解H2的定量分析

慢性肾脏病患者在接受救命的血液透析治疗时，常常会表现出与氧化和炎症压力相关的迹象。近来，氢气作为一种抗氧化剂受到了关注，大量报告证明了其在治疗多种医疗条件方面的潜力。在各种动物模型和临床研究中，一种围绕富含H2的透析液的新型氢气给药方法脱颖而出。在过去的十年中，富氢血液透析（E-HD）由于其在血液透析过程中对氧化和炎症并发症的改善效果，逐渐获得了认可。

为了补充这种治疗方式，Pureron Japan有限公司开发了一种氢水监测系统（HWMS），以帮助确定液体中溶解氢的水平。初步调查已经验证了非接触式氢传感器的灵敏度和准确性，以及其在各种临床环境中的应用性。尽管如此，一些缺点如响应时间长和特定范围的准确性促使对其能力进行了进一步的检查和深入分析。为了实现这一点，三个这样的传感器被集成在一个体外血液透析回路中，以监测透析器入口和出口处的H2浓度。此外，还使用了常规透析器以及带有纯扩散涂层的改良型透析器进行了实验，以辨别氢气通过毛细管膜的转移性质，并区分超滤和扩散。

氢气作为抗氧化剂和抗炎剂

慢性肾脏病（CKD）是美国十大死亡原因之一[1, 2]，早在21世纪初，全球超过10%的成年人口就被诊断出有相关标记[3]。终末期肾病（ESRD）患者接受常规血液透析（HD）形式的肾脏替代治疗，其中血液在体外循环（ECC）系统中通过毛细管膜血液透析器连续净化。

肾脏疾病与活性氧物质（ROS）的产生有关，导致氧化压力。由于治疗引起的ROS产生增加和系统性炎症，HD程序加剧了这种压力。氧化压力和炎症的结合对慢性HD患者的心血管事件和死亡构成了严重风险[4, 5]。

氢分子（H2），因其在消除细胞毒性自由基和治疗各种伤害和疾病方面的治疗潜力而闻名[6,7,8,9,10]，被提议作为减轻与氧化压力相关的炎症疾病的合适手段。在不同的给药方法中（例如吸入、饮用富含氢的水），在血液透析期间的氢气输送因其创新性和非侵入性而引人注目。富含氢气的透析液（H2-HD）允许在每个HD疗程期间直接使用小剂量将氢气最佳地输送到血液中。

在日本，已经使用H2-HD系统对终末期肾病（ESRD）患者进行了几项试点研究，到目前为止，前景相当乐观。短期应用（12次会话）的初步报告揭示了血压的下降，这在定期接受HD治疗的患者中通常是升高的[11]。为期6个月的实施进一步证实了高血压的下降，并强调了氧化应激标记物水平的降低[12]。最近的研究清楚地表明，H2-HD成功地对抗了氧化应激，并在治疗期间防止了进一步的氧化，这转化为了增强的血液和生物相容性[13]。此外，据报道，接受H2-HD治疗时间较长的患者显示出疲劳迹象减少，这取决于剂量，在某些情况下甚至可能保证完全无疲劳[14]。

实际上，到目前为止，关于所有这些治疗中氢气的最佳剂量几乎没有获得任何见解。为了解决这个问题，已经开发了氢水监测系统（HWMS），提供在线非接触式测量液体中氢浓度的功能。该系统的能力和不足之前已经深入回顾过[15]，但自那以来的一些更新值得一提。

HWMS设备的校准

HWMS面临的最棘手问题之一是上述研究中使用的不同氢传感器的多样化读数。为了抵消这种现象并保证测量的准确性，所有三个HWMS设备都根据以下方程重新校准：

其中C是浓度（以ppb为单位），V是电压（以V为单位），A和b是依赖于温度的校准常数。

在实验电路中进行了调查，所有三个传感器（S1、S2、S3）都串联在一起，以便随时识别并纠正它们之间的任何测量差异。一个膜式气体交换器被供应了不同H2:Air比率的气体混合物。在室温（θw = 20 ± 1 °C）和恒定水流速（Qw = 500 ml/min）下，从HWMS设备获得了电压—H2浓度数据对。数据分析导致传感器重新校准，并促进了校准后估算值的评估，如表13.1所示。

为了最小化三个传感器之间的测量误差，方程13.2与方程13.3结合使用，以适当调整每个传感器的校准常数A、b。HWMS MkIII设备的一个显著限制是参数A的值不能高于9.99（A ∈ (0, 9.99)）。

其中，SV为传感器值，TV为理论值。

表13.2列出了每个传感器的新校准系数，这些系数已经过误差调整。

表13.2 三个HWMS设备（S1、S2和S3）的优化校准常数

图13.1展示了三个传感器在含有2.7%、3.5%和5.45% H2:Air比率的气体混合物中同时进行的H2浓度测量。每个传感器达到的平衡值封装在表13.3中。

图13.1 不同操作条件下传感器1、2和3的氢气浓度读数

图13.2 强调了传感器读数之间的偏差，作为气体混合物中氢气浓度（操纵变量）的函数。

图13.2 小范围H2:Air比率的实验数据与理论数据的并置

透析过程中的氢气质量转移

使用统一校准的传感器，组装了一个血液透析测试装置，包括两个子回路，它们都汇入一个透析器模块，如图13.3所示。第一个回路，被指定为血液回路，只包括一个储液器（R1）和一个蠕动泵（P1）。储液器持续从水龙头接收新鲜水，泵则将水推进透析器并以不同的流速（QB = 150–400 mL/min）进入排水口。在血液出口处的一个氢气传感器（S3）记录水中的氢气浓度，这可能根据所使用的血流量而变化。

图13.3 透析实验装置的示意图

另一方面，透析液回路包括一个储液器（R2）、一个蠕动泵（P2）和一个小型气体交换器（MGE），并用水进行灌注。气体交换器单元不断供应气体以保持溶解氢气的浓度，透析液泵以稳定的流速QD = 500 mL/min运行，以保持液体的均匀性。使用不同比例的H2:Air来研究H2浓度对扩散性的影响。两个氢气传感器S2和S1分别测量透析器前后溶解氢气的浓度。前者追踪平衡状态，而后者记录液体通过透析器模块后剩余多少氢气。

位于透析器四个端口的压力传感器（PS1-4）能够监测跨膜压力（TMP），通过在透析液出口的下游放置一个限制阀（CV）可以轻易地调整TMP。将TMP维持在0 mmHg保证了零净超滤，这减少了对质量传递的对流贡献。为了进一步减弱对流效应，初步选择了一个低通量透析器，应该将超滤保持在最低限度。进一步的研究已经用一个改良的透析器进行，该透析器通过特殊处理获得了纯扩散性毛细管膜（因此在这种情况下TMP变得无关紧要）。所有实验都在室温下进行（θw = 20 ± 1 °C）。

低通量透析器

本研究中使用的低通量透析器的确切特性列于表13.4中。

图13.4展示了使用低通量透析器进行实验的过程。关于操作条件的更多细节，以及在每个设置下达到的平衡值可以从表13.5和表13.6中获得。基于上述数据，定义了一个效率因子（EF）和一个氢气转移率参数（方程式13.4–13.5）。

纯扩散性透析器

表13.7包含了接下来测试的纯扩散性透析器的特性。

图13.5描绘了使用纯扩散性透析器进行实验的过程。

关于操作条件以及稳态数据的分析信息在表13.8中披露。

讨论

早在1975年，研究就表明氢气对抗细胞毒性自由基是有效的 [16]。自那时起，氢气在众多试点研究和动物模型中被用来抵消由各种情况（脑/心脏缺血、肺水肿、器官移植、肝炎、结肠炎、胰腺炎等）引起的氧化和炎症压力。在这些研究中，测试了不同的给药方法（吸入、饮用富含氢的水、注射溶解氢的生理盐水），包括在透析中使用富含氢的透析液。

然而，精确确定最佳临床剂量仍然让科学家们难以捉摸。高灵敏度和精确测量的氢水测量系统（HWMS）可以协助这一努力。正如本文所展示的，传感器重新校准可以是调整HWMS在所需范围和特定操作条件下准确性的有力工具（见图13.1和13.2）。进一步的体外血液透析系统（HD）调查证实了重新校准的成功，并能够评估液相（血液-透析液）之间的质量转移，就氢气扩散-超滤而言。通过调整跨膜压差（TMP）至0，最小化对流的影响，允许通过减少闭环系统中液体的损失-获得来维持透析液子回路中恒定的液体体积。无论是低通量还是纯扩散型透析器，都允许足够量的氢气从透析液迁移到血液侧（效率因子EF > 70%）。在讨论效率因子时，应当指出，其定义只考虑了血液侧的平衡，因为透析液侧潜在的氢气损失并不相关或值得注意。此外，这些实验毫无疑问地表明，由于其微小的尺寸，氢气在很大程度上通过扩散迁移（见图13.4和13.5），暗示膜孔隙率、流速等并非其应用的决定性参数。

上述发现巩固了氢水测量系统（HWMS）的能力和应用性，这反过来可以极大地增强氢气作为一种强效抗氧化剂和抗炎剂的声誉。考虑到它已经广泛的应用（例如，糖尿病、缺血再灌注损伤、类风湿性关节炎）[17, 18]，其在其他医学领域（例如，心血管/肺部支持）的应用也应立即予以考虑。