當我們談到氫分子（H₂）時，往往會想到它在健康與疾病中的多種應用。我們一直沒有清楚氫分子在生物體內的作用機制，您是否知道，氫分子（H₂）可以與一種名為鐵卟啉的分子反應，並展現出令人驚嘆的生物功能？一項研究揭示了「鐵卟啉 Fe-porphyrin」作為「氫分子靶向分子的潛力」，並展示了多項實驗結果。
Porphyrin 中文化發音：卟 （ㄅㄨˇ） 、啉 （ㄌㄧㄣˊ）
鐵卟啉是一種含鐵的有機分子，廣泛存在於血紅素和細胞色素等生命分子中。在細胞中，鐵卟啉不僅負責氧氣的運輸，還在細胞呼吸鏈中參與電子傳遞，維持能量代謝的穩定性。在此次研究中，鐵卟啉被確認為一種與氫分子（H₂）發生反應的生物感測器，能催化多種氧化還原反應，有效清除自由基並改善細胞環境。
如果您還不了解氫分子建議閱讀：「氫氧機、氫水機、水素水FAQ常見提問」
在此之前先了解什麼是「鐵卟啉」？
鐵卟啉（Fe-porphyrin）其核心結構是一個由四個吡咯環組成的卟啉環，中心結合了一個鐵原子，賦予其高度的氧化還原活性與細胞有著密切的關係，其生物學功能主要體現在：電子傳遞功能、抗氧化與細胞保護、信號傳遞調節。鐵卟啉是幫助身體平衡與健康的關鍵分子是細胞色素的重要組成部分，參與細胞呼吸鏈中的電子傳遞。通過氧化還原反應，幫助維持細胞能量代謝的穩定性。
人體「鐵卟啉」的來源與生成機制
在人體內，鐵卟啉的生成主要與血紅素的合成、細胞色素的生成、肝臟與代謝的機制有關。鐵卟啉是血紅素的重要結構成分，血紅素在骨髓的紅細胞生成過程中合成。過程涉及卟啉環的形成與鐵原子的插入，這一過程由酶系統（如合成酶與鐵螯合酶）精確調控。促進細胞色素（如細胞色素C）在細胞呼吸鏈中發揮電子傳遞功能，其合成也依賴於鐵卟啉的存在。
肝臟是人體內卟啉代謝的重要器官。鐵卟啉在肝臟中不僅參與酶的功能，還通過代謝調控維持體內氧化還原平衡。人體也可通過攝取富含鐵與卟啉的食物（如紅肉、內臟）獲得鐵卟啉。
以上機制確保了鐵卟啉在人體內的持續生成與正常功能，支持細胞的能量代謝、抗氧化防禦與信號傳遞調控功能。
文獻解讀
鐵卟啉：一種與氧化還原相關的氫分子生物感測器
本篇研究是由一群材料科學、生物醫學及氣體分子應用的綜合背景，並專注於氫分子與氧化還原相關的創新研究。他們的合作體現了跨學科的高度整合，助力於氫分子在醫學與材料科學的突破性發展。發表於Nano Research期刊，專注於納米科學與技術，包括納米材料、納米醫學、納米催化等方面的前沿，發表全球最新的納米技術創新和應用研究。以下由我開始解讀文獻的內容。
氫分子對於自由基的靶點是甚麼？
氫分子因其選擇性中和有害自由基（如羥自由基•OH）和改善氧化壓力相關疾病的能力，長期以來備受矚目。然而，其具體的分子機制和作用靶點卻一直是未解之謎。最新研究首次揭示，鐵卟啉是一種與氫分子（H₂）作用的關鍵分子，並通過一系列實驗進一步探討其應用價值。
您可以參閱：氫分子在醫學研究中的基礎理論，揭示了氫分子調節基因表達的機制。
實驗證實鐵卟啉能與氫分子反應，有效清除活性氧（ROS），減少細胞損傷。在低氧或氧化壓力環境中，發揮了重要的保護作用，幫助細胞對抗損傷因子。通過與氫分子和二氧化碳（CO₂）的反應，催化生成一氧化碳（CO），這種氣體分子可以作為細胞內信號調節因子。
關鍵實驗文獻研究：氫分子介入的抗氧化證明
這個文獻主要包括了4個實驗，首先驗證氫分子的氧化特性是否能氧化，並且將氧化能力量化，最終將上述結果觀測在人體細胞及動物中是否能作用。
1. 驗證氫分子的氧化還原特性
實驗目標：驗證鐵卟啉是否能催化氫分子參與氧化還原反應。
實驗方法：將氧化態的鐵卟啉暴露於含氫環境中，並使用光譜技術追蹤其還原反應。
結果：鐵卟啉成功催化氫化反應，展現出穩定的氫分子氧化還原能力。
圖1結合氫分子與鐵卟啉的反應來闡述其科學意義
2. 量化氫分子的抗氧化能力
實驗目標：探討鐵卟啉是否能清除ROS，減少氧化損傷。
實驗方法：將鐵卟啉與含氫水加入含有ROS的溶液中，測量ROS濃度的變化。
結果：鐵卟啉顯著提升了氫分子的反應效率，有效清除了ROS，顯示其抗氧化潛力。
3. 氫分子在低氧環境中的功能
實驗目標：研究鐵卟啉是否能在低氧環境中催化CO₂轉化為CO。
實驗方法：模擬腫瘤內的低氧微環境，加入鐵卟啉、氫分子與CO₂，並檢測CO生成量。
結果：鐵卟啉成功將CO₂還原為CO，並確認氫分子是CO生成的上游信號分子它能調節代謝路徑並影響病理過程。。
4. 氫分子細胞與動物模型中的作用
實驗目標：驗證上述反應氫分子是否能在生物體內發揮作用。
實驗方法：在細胞模型中測試鐵卟啉對ROS的清除效果。在腫瘤小鼠模型中觀察鐵卟啉是否能催化CO生成，並對腫瘤微環境產生影響。
結果：實驗表明，鐵卟啉不僅能在體外（細胞實驗）顯現功能，還能在體內發揮作用。改善了低氧相關的病理狀態。降低ROS水平和提升線粒體功能，確認了氫分子對氧化壓力的抑制效果
氫分子研究的意義與展望
這些實驗不僅首次證明鐵卟啉是氫分子的靶向分子，還揭示了其在多種氧化還原相關過程中的潛在應用價值。基於鐵卟啉的氫分子的抗氧化治療方法，將CO作為新型信號分子應用於腫瘤治療。
鐵卟啉作為氫分子的生物感測器，驗證氫分子應用的新篇章。未來，這一發現可能帶來一系列創新技術與治療手段。我們能更好地利用氫分子來改善人類健康與環境。
研究重點提示
氫分子的核心功能：
氫分子（H₂）具有選擇性抗氧化特性，能清除活性氧（ROS）如·OH、ONOO⁻、H₂O₂，減少細胞損傷。還能與鐵卟啉合作，在低氧環境中將CO₂還原為CO，調節細胞代謝與病理狀態。
鐵卟啉的關鍵角色：
鐵卟啉在人體內主要來源於血紅素合成、細胞色素生成以及肝臟的代謝。作為氫分子的靶向分子，鐵卟啉能催化多種氧化還原反應，促進ROS清除並維持細胞內平衡環境。
實驗設計亮點：
量化氫分子對ROS的清除效果（ROS濃度降低約60%，並於10分鐘內穩定）。
使用細胞模型與腫瘤小鼠模型驗證氫分子的生物活性與抗氧化效果。
補充資料
圖1詳解：結合氫分子與鐵卟啉的反應來闡述其科學意義
通過從化學反應機制到細胞層面的多角度實驗，全面驗證了氫氣的抗氧化能力。該研究不僅解釋了氫分子與鐵卟啉的相互作用，還提供了實驗證據，支持氫氣作為抗氧化劑的生物學功能。
(a) 鐵卟啉氫化反應機制
展示鐵卟啉（血紅素衍生物 Hematin，Ht）如何與氫分子（H₂）反應，進行催化氫化反應。強調了Ht作為催化劑，促進氫分子參與氧化還原反應的能力。
使用分子層面的視角來解釋氫分子參與的還原過程。闡明了氫氣作為還原劑的核心角色，支持文獻中氫抗氧化作用的假設。
(b) 反應過程中 386 nm 吸光度變化的即時監測
顯示在氫分子與Ht反應過程中，波長386 nm的光吸收隨時間變化的實驗數據。使用氫水（HRW）作為氫分子的來源。
吸光度的改變反映了Ht與氫分子反應後其電子結構或鍵合狀態的改變。即時監測提供了動態數據，證明反應是逐步進行的並與氫分子的濃度相關。
(c) 反應前後 Ht 的 1H-NMR 光譜
核磁共振（1H-NMR）光譜展示了Ht與氫分子反應前後分子結構的變化。不同的化學位移表明氫分子參與了特定的鍵合或結構修飾。
透過核磁光譜，實驗清晰地證實了氫分子參與反應後，Ht 分子的化學結構發生了改變。
(d) 反應前後 Ht 的 FTIR 光譜
傅立葉變換紅外光譜（FTIR）對比了Ht在與氫分子反應前後的官能團變化，羰基或其他官能團的特徵峰可能有明顯的增強或位移。
證實了分子鍵的改變，進一步支持氫分子作為還原劑在Ht中發生了化學反應。
(e) Ht 氫化產物的甲基藍還原能力測試
使用甲基藍（MB）作為指示劑來測試Ht氫化產物的還原能力。氫化後產物表現出對MB的還原作用，導致顏色或吸光度的變化。
說明反應產物具有還原性，支持氫化反應的發生，並與抗氧化特性直接相關。
(f) 氧化血紅蛋白 (HbO₂) 氫化和重新氧化後的UV光譜
比較了氧化血紅蛋白在氫化處理後，重新氧化前後的紫外光吸收譜圖。觀察到吸收峰的變化，說明氧化血紅蛋白經歷了可逆的氧化還原反應。
體現了氫氣的還原作用在生物分子中的可逆性，這對於氧化壓力下的生理功能具有潛在應用價值。
(g) 在A549細胞或線粒體中即時監測H₂濃度
使用氫微電極，實時測量了氫鹽水（HRS）在與人肺癌細胞株A549或其線粒體共孵育過程中的H₂濃度變化。顯示H₂濃度隨時間下降的趨勢，反映細胞或線粒體對H₂的吸收或利用。
實驗首次證明了細胞內對氫氣的吸收，並展示其在細胞微環境中的作用。
圖2詳解： 氫分子催化自由基清除行為
氫分子對多種ROS（·OH、ONOO⁻、H₂O₂）的有效清除能力，且在血紅素（Hb）的協助下反應更為顯著。表明氫分子是一種廣譜的抗氧化劑，可有效減少細胞損傷，對於氧化壓力相關的疾病具有潛在的治療應用價值。
(a), (c), (e): ROS 與 H₂ 反應的動態曲線
三種活性氧（ROS）與氫分子（H₂）在有或無血紅素（Hb）存在下的反應動態：
·OH（a）：羥自由基的反應曲線
使用甲基紫（methyl violet）作為比色探針來監測·OH的濃度。
結果顯示，有氫分子存在時，·OH的濃度迅速下降，表明氫分子有效清除了羥自由基。
ONOO⁻（c）：過氧亞硝酸根的反應曲線
利用內在吸收特徵（302 nm）來測量ONOO⁻的濃度變化。
氫分子的參與導致ONOO⁻濃度顯著降低，顯示出其還原特性。
H₂O₂（e）：過氧化氫的反應曲線
使用4-氨基安替比林/過氧化物酶（4-aminoantipyrine/peroxidase）作為比色探針來檢測H₂O₂。
在反應早期（0.84分鐘之前），曲線主要顯示探針的檢測反應，而非H₂O₂的氫化過程。隨後，H₂O₂濃度逐漸下降，反映了氫分子的還原作用。
(b), (d), (f): ROS 與 H₂ 反應百分比的計算
總結了對應動態曲線（a, c, e）的反應程度，表示ROS被氫分子清除的百分比：
·OH（b）總反應百分比顯示氫分子羥自由基的清除效果極高，進一步驗證了氫分子對·OH的選擇性抗氧化作用。
ONOO⁻（d）過氧亞硝酸根的清除百分比顯示，在Hb存在的情況下，氫分子的反應清除效率有顯著提高。
H₂O₂（f）過氧化氫的清除百分比計算顯示，H₂在反應後期表現出穩定的還原能力，進一步支持氫分子的抗氧化特性。
圖3詳解： 氫化鐵卟啉催化將 cO2 還原為 cO 的行為
鐵卟啉作為催化劑，促進氫分子與CO₂反應生成CO的能力。這一過程不僅強調了氫分子在氧化還原反應中的重要作用，也說明了鐵卟啉作為生物感測器和催化劑的雙重功能。
(a) 提議的鐵卟啉催化氫化與CO₂還原機制
鐵卟啉（Fe-porphyrin）催化氫分子（H₂）參與氧化還原反應的化學路徑，特別是將二氧化碳（CO₂）還原為一氧化碳（CO）的機制。氫分子（H₂）通過鐵卟啉的催化分解為活性氫原子。進一步與CO₂作用，生成CO和水（H₂O）。
解釋了鐵卟啉在低氧環境中作為催化劑的重要作用，並強調了氫分子在還原過程中的功能，對於理解腫瘤微環境中的氣體信號傳遞有重要啟發。
(b) 與(c) 氫化和羰基化後的紫外光譜 (UV spectra)
鐵卟啉氫化（與H₂反應）和羰基化（與CO₂反應）後的紫外吸收光譜。在吸收峰中，可能出現新的特徵峰或現有峰的位移，這些變化反映了鐵卟啉分子結構的改變。
(b) 的氫化光譜表明，氫氣（H₂）參與了鐵卟啉的電子結構改變，使其具備與CO₂反應的能力。(c) 的羰基化光譜則進一步驗證了鐵卟啉與CO₂反應生成CO的過程，並提供了分子層面的證據支持。
(d) 氫化與羰基化後的拉曼光譜 (Raman spectra)
拉曼光譜分析了鐵卟啉分子在氫化和羰基化後的振動模式。在光譜中，與Fe-N鍵、C=O鍵和其他官能團相關的特徵峰可能有顯著的變化。
進一步證實了氫化和羰基化反應的發生，特別是CO生成的分子結構證據。與UV光譜結合，這些結果為鐵卟啉的催化能力和反應機制提供了多重實驗支持。
圖4詳解：局部給予 H2 後腫瘤內產生的 cO
氫分子在腫瘤內注射氫鹽水後的作用機制，通過與血紅素和鐵卟啉的反應，催化生成CO。證實了其在氧化還原反應中的核心角色。結果為氫分子作為腫瘤微環境調節劑提供了實驗依據，展示了其在腫瘤治療中的潛在應用價值。
(a), (b): 腫瘤內注射富氫鹽水（HRS）前後的光聲（PA）成像
在腫瘤內注射HRS前（0分鐘）與注射後不同時間（5、10、20分鐘）的光聲成像圖像。黃色虛線圈標示腫瘤區域，排除了皮膚表面的干擾信號。主要用於檢測腫瘤內一氧化碳（CO）的產生，通過PA信號強度的變化反映CO濃度。
PA成像是一種無創方法，用於實時觀察腫瘤內的生物反應。結果顯示，隨著時間推移，腫瘤內的PA信號逐漸增強，證明CO生成量隨氫分子的注射而增加，抗氧化與氫氣正相關。
(c): PA信號強度的定量分析
光聲成像數據，對黃色虛線圈內的PA信號強度進行了定量分析，並以時間為橫軸繪製曲線。曲線顯示PA信號在注射HRS後迅速增強，並在20分鐘達到穩定狀態。
量化結果進一步驗證了腫瘤內CO生成的動態過程。這種實時的定量分析方法，展示了氫分子在腫瘤環境中促進CO生成的效率意味著促進抗氧化能力。
(d): 腫瘤內血紅素（Hb）含量的變化
根據黃色虛線圈區域，定量計算血紅素（Hb）含量的變化情況，與CO生成密切相關，因為Hb可能參與了CO生成的氧化還原反應過程。
Hb含量的增加表明氫分子通過催化反應，激活了Hb相關的CO生成路徑。這進一步支持了氫分子與Hb/鐵卟啉相互作用的假設，並展示了氫分子在腫瘤微環境（細胞）中的抗氧化和調控功能。
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