氫氣對腦疾病治療作用的研究進(jìn)展

朱杰夫，姚 瑤，曹楚晴，邸明一(綜述)，柴湘平(審校)

(1.中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院，長沙 410000； 2.中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院急診科，長沙 410000)

氫氣是一種無色無嗅無味的、不易溶于水的氣體分子，飽和氫氣水在室溫下的濃度為0.8 mmol/L。2007年Ohsawa等[1]在《Nature》發(fā)表文章報道，吸入2%的氫氣能選擇性清除羥自由基(·OH)和過氧亞硝基陰離子(ONOO-)，顯著改善腦缺血/再灌注引起的氧化應(yīng)激損傷。該研究引起了醫(yī)學(xué)界對氫氣醫(yī)學(xué)價值的廣泛關(guān)注。此后，眾多學(xué)者在動物模型上驗證了氫氣對神經(jīng)病變、心肺疾病、肝臟損傷、糖尿病等的保護(hù)性作用。腦疾病是氫氣醫(yī)學(xué)研究的熱點，相對機(jī)體的其他器官而言，腦組織更易受氧化應(yīng)激損傷，其原因包括腦耗氧量大，消耗機(jī)體近20%的氧氣；不飽和雙鏈脂肪酸的含量高；腦內(nèi)抗氧化酶含量低，這些都使腦防御氧化應(yīng)激能力較其他組織弱[2]。目前臨床僅有少數(shù)的抗氧化劑用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如依達(dá)拉奉，但是其效果并不理想。其中可能的原因包括無法透過血腦屏障作用于腦細(xì)胞；不能自由穿透生物膜，無法到達(dá)線粒體等治療靶點；大劑量使用易出現(xiàn)并發(fā)癥；起效慢，容易錯過治療時間窗。氫氣作為氣體分子，抗氧化具有易擴(kuò)散、起效快、無明顯不良反應(yīng)等優(yōu)點，將為腦疾病的臨床防治提供新的思路。

1 氫氣治療腦卒中

1.1缺血性腦卒中 腦卒中是全球致殘、致死率高的首要原因之一,缺血性卒中占所有腦卒中的80%～85%[3]。溶栓治療可以恢復(fù)血流，改善代謝，能挽救梗死區(qū)周圍組織，避免持續(xù)性缺血形成壞死。但由于治療窗短(3 h)，僅有1%～8.5%的患者能及時溶栓，且溶栓治療有出血和缺血/再灌注損傷的風(fēng)險[3]。研究表明，腦缺血及缺血/再灌注損傷是多因素、多機(jī)制(如能量耗竭、氧化應(yīng)激、離子通道異常、興奮氨基酸細(xì)胞毒性作用等)共同作用的結(jié)果，其中氧化應(yīng)激是重要的損傷因素[2]。

一過性大腦中動脈阻塞(transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO)符合缺血/再灌注的病理生理模型，氫氣在tMCAO大鼠模型顯示出了神經(jīng)保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，吸入2%的氫氣可以減少梗死體積、脂質(zhì)氧化產(chǎn)物丙二醛和DNA氧化產(chǎn)物8-羥基脫氧鳥苷酸(8-hydroxyl-2′-deoxyguanosine,8-OHdG)[4]。該實驗還用細(xì)胞實驗證實了氫氣可以選擇性清除·OH和ONOOˉ，發(fā)揮抗氧化的作用，其對腦缺血/再灌注損傷的療效比依達(dá)拉奉更顯著[4]。除抗氧化機(jī)制外，Liu等[5]研究發(fā)現(xiàn),氫氣對于tMCAO模型大鼠還具有抗炎癥、抗凋亡作用。腹腔注射氫鹽水后，炎性介質(zhì)腫瘤壞死因子α、凋亡因子胱天蛋白酶3(caspase-3)的活性降低，提示氫氣可以通過緩解炎性反應(yīng)而減少細(xì)胞凋亡。缺血性腦卒中后，8.5%～30%的患者引發(fā)出血性腦卒中[2]，Chen等[6]證實了氫氣可以降低高血糖狀態(tài)下tMCAO后腦出血的風(fēng)險,在缺血后再灌注期持續(xù)2 h吸入2.9%的氫氣，可以減少氧化產(chǎn)物和基質(zhì)金屬蛋白酶9的水平,后者的下降說明氫氣對血腦屏障具有保護(hù)作用，可能會降低腦梗死后出血的風(fēng)險。

持續(xù)性大腦中動脈阻塞符合血管未再通的持續(xù)性缺血過程[7]。Li等[8]在持續(xù)性大腦中動脈阻塞大鼠的腹腔注射不同濃度的氫鹽水，發(fā)現(xiàn)炎性因子(如高速泳動族蛋白1)及氧化產(chǎn)物下降，抗氧化酶活性增加,并能有效減少梗死面積，改善神經(jīng)功能，且發(fā)現(xiàn)其療效具有濃度依賴性。

全腦缺血性卒中時，小劑量的氫氣依然能顯著降低病死率。Nagatani等[9]用雙側(cè)頸總動脈栓塞法建立全大腦缺血模型，治療組吸入1.3%的氫氣，7 d生存率提高到50%，而對照組僅有8.3%，并證實氫氣可以通過阻斷細(xì)胞自噬減少細(xì)胞凋亡。Ge等[10]利用Morris水迷宮實驗證實，短暫性全腦缺血大鼠吸入2%的氫氣后認(rèn)知功能明顯改善。急性腦干梗死后第10～11日，磁共振成像顯示梗死區(qū)域可恢復(fù)正常[11]。一項關(guān)于腦干梗死的臨床實驗中，氫氣與依達(dá)拉奉合用可使恢復(fù)正常的時間縮短，雖然單用依達(dá)拉奉也可收到此效果，但速度不及聯(lián)合治療快[12]。

1.2出血性腦卒中 出血性腦卒中，如顱內(nèi)出血(intracerebral hemorrhage,ICH)常比缺血性腦卒中更加兇險。出血后，炎性細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞激活，產(chǎn)生自由基。血腫形成后，血紅蛋白分解，釋放Fe2+，通過Feton反應(yīng)，產(chǎn)生·OH，加重氧化應(yīng)激。在ICH后24 h和72 h，血腦屏障破壞和腦水腫較明顯，Manaenko等[13]予以ICH小鼠吸入2%氫氣1 h，在ICH后24 h，發(fā)現(xiàn)氫氣可以明顯減少腦水腫程度，改善神經(jīng)功能，而在ICH后72 h，差異并無統(tǒng)計學(xué)意義，認(rèn)為短時間內(nèi)吸入氫氣對ICH僅有急性保護(hù)作用，因中性粒細(xì)胞浸潤和小膠質(zhì)細(xì)胞激活在ICH 72 h后才到達(dá)高峰，此時氫氣不足以拮抗氧化應(yīng)激，而不具有持續(xù)性作用。腦卒中早期會出現(xiàn)肥大細(xì)胞的浸潤和激活，在炎性反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。隨后Manaenko等[14]發(fā)現(xiàn)，ICH后肥大細(xì)胞(如類胰蛋白酶、肥大細(xì)胞脫顆粒等)激活增加，而氫氣治療后可降低這些改變，通過阻止肥大細(xì)胞的激活，保護(hù)血腦屏障，減輕腦水腫。胚胎生發(fā)基質(zhì)出血是不成熟的血管破裂出血，Lekic等[15]通過1個月實驗觀察發(fā)現(xiàn)，氫氣治療可以減少大鼠生發(fā)基質(zhì)出血后腦癱，降低智力運動發(fā)育遲滯的發(fā)生率，且沒有觀察到明顯不良反應(yīng)。

2 氫氣治療腦退行性疾病

2.1阿爾茨海默病 阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)是最常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變。有關(guān)AD的確切病因尚不明確，其中膠質(zhì)細(xì)胞的活化、炎性反應(yīng)及自由基產(chǎn)生引起的神經(jīng)元損傷是發(fā)病機(jī)制的重要環(huán)節(jié)，其病理特征是β淀粉樣蛋白及Tau蛋白聚集沉積。氧化應(yīng)激對β淀粉樣沉積有重要作用，同時與其他致病因素，如毒性神經(jīng)興奮性介質(zhì)、鈣失調(diào)相關(guān)。年齡是AD的重要危險因素，研究發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)和DNA氧化水平與年齡的對數(shù)呈正相關(guān)[16]。Gu等[17]研究發(fā)現(xiàn)，飲用氫鹽水能夠改善早老化相關(guān)的記憶與學(xué)習(xí)能力衰退，其中早老化小鼠飲用氫鹽水后，大腦5-羥色胺及血液中抗氧化物活性升高，水迷宮測驗?zāi)芰μ岣撸ｑR神經(jīng)元退行性病變較對照組有明顯改善，但其具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。核因子κB是重要的調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的轉(zhuǎn)錄因子，其作用可能通過抑制活性氧類形成和c-Jun氨基端激酶的激活[18]。Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，腹腔注射氫鹽水后能通過調(diào)節(jié)核因子κB抑制c-Jun氨基端激酶的活化，有效改善β淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的腦部氧化應(yīng)激及神經(jīng)炎癥，治療組小鼠腦組織中白細(xì)胞介素1β、8-OHdG有明顯下降，同時海馬區(qū)細(xì)胞凋亡明顯改善。

2.2帕金森病 帕金森病(Parkinson disease,PD)是一種年齡相關(guān)性神經(jīng)退行性疾病，其特征是黑質(zhì)、紋狀體區(qū)神經(jīng)元進(jìn)行性退變。PD發(fā)病機(jī)制不清，氧化應(yīng)激、泛素-蛋白酶體功能異常、線粒體功能降低可能是PD的主要發(fā)病機(jī)制。研究顯示，PD患者丙二醛、8-OHdG、Fe3+水平升高，抗氧化酶水平降低，證實細(xì)胞處于氧化應(yīng)激狀態(tài)。Fu等[20]在研究中發(fā)現(xiàn)，富氫水對6-羥基多巴胺誘導(dǎo)的類帕金森綜合征具有保護(hù)作用。誘導(dǎo)前、后飲用富氫水均能夠通過降低氧化應(yīng)激減少6-羥基多巴胺誘導(dǎo)的多巴胺能神經(jīng)元的丟失，延緩PD的發(fā)生、發(fā)展，且誘導(dǎo)前飲用富氫水較誘導(dǎo)后飲用富氫水有更明顯的改善作用。Fujita等[21]研究發(fā)現(xiàn)，飲用含氫水對1-甲基-4-酚基-1,2,3,6-四氫嘌呤誘導(dǎo)的小鼠PD模型同樣具有相似的作用。1-甲基-4-酚基-1,2,3,6-四氫嘌呤的代謝產(chǎn)物可在線粒體聚集，產(chǎn)生過量的自由基，可抑制電子傳遞鏈的復(fù)合體Ⅰ。該研究顯示，飲用含氫水能有效降低1-甲基-4-酚基-1,2,3,6-四氫嘌呤誘導(dǎo)的DNA損害及脂質(zhì)過氧化水平，同時，低濃度的含氫水(0.04 mmol/L)療效和飽和氫鹽水(0.8 mmol/L)作用相當(dāng)。

3 氫氣治療外傷性和手術(shù)性腦損傷

外傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)是導(dǎo)致年輕人死亡和殘疾的主要原因之一，TBI存活者通常表現(xiàn)為遠(yuǎn)期的學(xué)習(xí)能力和記憶力下降。實驗表明，TBI大鼠可出現(xiàn)腦水腫、神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙和重塑時間延長等改變，氧化應(yīng)激是導(dǎo)致這些病理改變的重要因素[22-24]。Ji等[23]證實吸入2%的氫氣后，可降低TBI大鼠腦組織中氧化產(chǎn)物，提高抗氧化酶的活性，改善腦水腫、神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙。Hou等[24]研究了富氫鹽水對液壓沖擊傷的大腦保護(hù)作用，結(jié)果顯示丙二醛水平下降，沉默信息調(diào)控子水平和腦源性神經(jīng)促進(jìn)因子均升高，前者是重要的抗氧化調(diào)節(jié)因子，后者介導(dǎo)了突觸可塑性，與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)，同時Morris水迷宮測試其認(rèn)知功能有所改善。

除TBI外，氫氣還有望減輕手術(shù)引起的腦水腫等不可逆損傷，改善臨床結(jié)果。普通的神經(jīng)外科手術(shù)甚至損傷較小的微創(chuàng)技術(shù)、內(nèi)鏡手術(shù)及放射外科手術(shù)都會導(dǎo)致正常腦組織的不可逆損害，導(dǎo)致腦水腫和局部缺血等并發(fā)癥。Eckermann等[25]研究氫氣對右側(cè)額葉切除術(shù)大鼠的神經(jīng)保護(hù)作用，實驗證明手術(shù)中給予2.9%的氫氣可減少術(shù)后腦水腫的形成，改善神經(jīng)行為評分，但脂質(zhì)過氧化和炎癥指標(biāo)沒有降低，提示氫氣可能通過其他機(jī)制發(fā)揮作用，需進(jìn)一步研究。自19世紀(jì)50年代起，深低溫停循環(huán)技術(shù)廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)，但過長的深低溫停循環(huán)會導(dǎo)致嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，是術(shù)后死亡的重要原因之一。Shen等[26]發(fā)現(xiàn)，深低溫停循環(huán)的大鼠在給予富氫鹽水后，白細(xì)胞介素1b、腫瘤壞死因子α、8-OHdG和丙二醛等指標(biāo)均下降，活性降低，超氧化物歧化酶活性增高，腦組織caspase-3表達(dá)下調(diào)，證明富氫鹽水可通過改善氧化應(yīng)激下調(diào)炎性因子，減少凋亡等途徑減輕深低溫停循環(huán)引起的腦損傷。

4 氫氣治療一氧化碳中毒腦損傷

急性一氧化碳中毒是以中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷為主的全身性疾病。高達(dá)3%～30%的患者于中毒癥狀緩解后，經(jīng)過“假愈期”(3～240 d)再次出現(xiàn)嚴(yán)重的腦損傷，稱為遲發(fā)性腦病。研究表明，急性一氧化碳中毒腦損傷及遲發(fā)性腦病與氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡以及免疫損傷等密切相關(guān)[27]。Wang等[28]通過腹腔注射富氫鹽水[6 mL/(kg·24 h)]探究氫氣對急性一氧化碳中毒腦損傷的保護(hù)作用，結(jié)果顯示富氫鹽水可提高腦組織和血清超氧化物歧化酶活性，降低丙二醛水平，改善急性一氧化碳中毒所致的學(xué)習(xí)記憶力下降和環(huán)境適應(yīng)障礙。

5 氫氣治療新生兒缺血缺氧

近年來早產(chǎn)兒的存活率漸高，但治療新生兒缺血缺氧(neonatal hypoxia-ischemia,NHI)導(dǎo)致的腦損傷的有效方法仍很有限。新生兒體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)尚未發(fā)育成熟，更易受自由基損害。氫氣治療在NHI的模型中得到了較好的結(jié)果。Cai等[29]為通過頸動脈結(jié)扎1周齡大鼠建立NHI模型，給予2%的氫氣治療24 h后，行腦組織切片染色，發(fā)現(xiàn)氫氣治療可降低caspase-3活性，減少凋亡細(xì)胞數(shù)量，提示氫氣可以抑制缺血缺氧后的細(xì)胞凋亡，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)的作用。

然而，在另一項關(guān)于NHI的研究中未發(fā)現(xiàn)氫氣對神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)作用，這可能與腦損傷的嚴(yán)重程度相關(guān)[30]。推測氫氣可能對輕、中度缺血缺氧具有神經(jīng)保護(hù)作用，而對重度缺血缺氧無保護(hù)作用。

6 展 望

目前，氧化應(yīng)激在腦疾病發(fā)生、發(fā)展過程中的作用得到了更多的肯定，研究已經(jīng)證實氫氣可通過降低氧化應(yīng)激，減少炎性反應(yīng)和腦細(xì)胞死亡，對腦部疾病發(fā)揮顯著的保護(hù)作用。但氫氣抗氧化的具體機(jī)制尚不完全清楚，是否可能通過不依賴氧化應(yīng)激的其他途徑發(fā)揮保護(hù)作用，如調(diào)節(jié)信號通路等，需要進(jìn)一步的研究。相信深入研究氫氣作用的具體機(jī)制、最適濃度、生物安全性等問題，可為氫氣真正成為一種臨床有效的治療方法奠定基礎(chǔ)。

[1] Ohsawa I,Ishikawa M,Takahashi K,etal.Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals[J].Nat Med,2007,13(6):688-694.

[2] Allen CL,Bayraktutan U.Oxidative stress and its role in the pathogenesis of ischaemic stroke[J].Int J Stroke,2009,4(6):461-470.

[3] Lyden PD,Zivin JA.Hemorrhagic transformation after cerebral ischemia:mechanisms and incidence[J].Cerebrovasc Brain Metab Rev,1993,5(1):1-16.

[4] Wardlaw JM,Murray V,Berge E,etal.Recombinant tissue plasminogen activator for acute ischaemic stroke:an updated systematic review and meta-analysis[J].Lancet,2012,379(9834):2364-2372.

[5] Liu Y,Liu W,Sun X,etal.Hydrogen saline offers neuroprotection by reducing oxidative stress in a focal cerebral ischemia-reperfusion rat model[J].Med Gas Res,2011,1(1):15.

[6] Chen CH,Manaenko A,Zhan Y,etal.Hydrogen gas reduced acute hyperglycemia-enhanced hemorrhagic transformation in a focal ischemia rat model[J].Neuroscience,2010,169(1):402-414.

[7] Fisher M.Recommendations for advancing development of acute stroke therapies:stroke therapy academic industry roundtable 3[J].Stroke,2003,34(6):1539-1546.

[8] Li J,Dong Y,Chen H，etal.Protective effects of hydrogen-rich saline in a rat model of permanent focal cerebral ischemia via reducing oxidative stress and inflammatory cytokines[J].Brain Res,2012,1486:103-111.

[9] Nagatani K,Wada K,Takeuchi S,etal.Effect of hydrogen gas on the survival rate of mice following global cerebral ischemia[J].Shock,2012,37(6):645-652.

[10] Ge P,Zhao J,Li S,etal.Inhalation of hydrogen gas attenuates cognitive impairment in transient cerebral ischemia via inhibition of oxidative stress[J].Neurol Res,2012,34(2):187-194.

[11] Fiebach JB,Jansen O,Schellinger PD,etal.Serial analysis of the apparent diffusion coefficient time course in human stroke[J].Neuroradiology，2002,44(4):294-298.

[12] Ono H,Nishijima Y,Adachi N,etal.Improved brain MRI indices in the acute brain stem infarct sites treated with hydroxyl radical scavengers,Edaravone and hydrogen,ascompared to Edaravone alone.A non-controlled study[J].Med Gas Res,2011,1(1):12.

[13] Manaenko A,Lekic T,Ma Q,etal.Hydrogen inhalation is neuroprotective and improves functional outcomes in mice after intracerebral hemorrhage[J].Acta Neurochir Suppl,2011,111:179-183.

[14] Manaenko A,Lekic T,Ma Q,etal.Hydrogen inhalation ameliorated mast cell-mediated brain injury after intracerebral hemorrhage in mice[J].Crit Care Med,2013,41(5):1266-1275.

[15] Lekic T,Manaenko A,Rolland W,etal.Protective effect of hydrogen gas therapy after germinal matrix hemorrhage in neonatal rats[J].Acta Neurochir Suppl,2011,111:237-241.

[16] Floyd RA,Hensley K.Oxidative stress in brain aging.Implications for therapeutics of neurodegenerative diseases[J].Neurobiol Aging,2002,23(5):795-807.

[17] Gu Y,Huang CS,Inoue T,etal.Drinking hydrogen water ameliorated cognitive impairment in senescence-accelerated mice[J].J Clin Biochem Nutr,2010,46(3):269-276.

[18] Nakano H,Nakajima A,Sakon-Komazawa S.Reactive oxygen species mediate crosstalk between NF-κB and JNK[J].Cell Death Differ,2006,13(5):730-737.

[19] Wang C,Li J,Liu Q,etal.Hydrogen-rich saline reduces oxidative stress and inflammation by inhibit of JNK and NF-κB activation in a rat model of amyloid-beta-induced Alzheimer′s disease[J].Neurosci Lett,2011,491(2):127-132.

[20] Fu Y,Ito M,Fujita Y,etal.Molecular hydrogen is protective against 6-hydroxydopamine-induced nigrostriatal degeneration in a rat model of Parkinson′s disease[J].Neurosci Lett,2009,453(2):81-85.

[21] Fujita K,Seike T,Yutsudo N,etal.Hydrogen in drinking water reduces dopaminergic neuronal loss in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine mouse model of Parkinson′s disease[J].PLoS One,2009,4(9):e7247.

[22] Shao C,Roberts KN,Markesbery WR,etal.Oxidative stress in head trauma in aging[J].Free Radic Biol Med,2006,41(1):77-85.

[23] Ji XT,Liu W,Xie K,etal.Beneficial effects of hydrogen gas in a rat model of traumatic brain injury via reducing oxidative stress[J].Brain Res,2010,1354:196-205.

[24] Hou Z,Luo W,Sun X,etal.Hydrogen-rich saline protects against oxidative damage and cognitive deficits after mild traumatic brain injury[J].Brain Res Bull,2012,88(6):560-565.

[25] Eckermann JM,Chen W,Jadhav V,etal.Hydrogen is neuroprotective against surgically induced brain injury[J].Med Gas Res,2011,1(1):7.

[26] Shen L,Wang J,Liu K,etal.Hydrogen-rich saline is cerebroprotective in a rat model of deep hypothermic circulatory arrest[J].Neurochem Res,2011,36(8):1501-1511.

[27] Wang P,Zeng T,Zhang CL,etal.Lipid peroxidation was involved in the memory impairment of carbon monoxide-induced delayed neuron damage[J].Neurochem Res,2009,34(7):1293-1298.

[28] Wang W,Tian L,Li Y,etal.Effects of hydrogen-rich saline on rats with acute carbon monoxide poisoning[J].J Emerg Med,2013,44(1):107-115.

[29] Cai J,Kang Z,Liu K,etal.Neuroprotective effects of hydrogen saline in neonatal hypoxia-ischemia rat model[J].Brain Res,2009,1256:129-137.

[30] Matchett GA,Fathali N,Hasegawa Y,etal.Hydrogen gas is ineffective in moderate and severe neonatal hypoxia-ischemia rat models[J].Brain Res,2009,1259:90-97.