氫氣對缺血再灌注心肌代謝的影響

李翔子，孫曉宇，李良同，劉福林 綜述，周玉娟 審校

(1.河北大學(xué)醫(yī)學(xué)院，河北保定 071000;2.河北大學(xué)附屬醫(yī)院科研處，河北保定 071000)

氫元素是人體和許多生命機體的基本元素，是地球生命起源的關(guān)鍵能量分子，在真核生物進(jìn)化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，同時它也是宇宙中含量最多的一種氣體。氫氣作為一種相對分子質(zhì)量極小的氣體，能夠輕易地進(jìn)入生物體細(xì)胞內(nèi)的任何位置，為作用于機體提供了一個十分重要的前提。氫氣是一種類似于一氧化氮(NO)、硫化氫(H2S)、一氧化碳(CO)等的新型的具有生物活性的氣體，它對多種疾病都有治療作用。OHSAWA等[1]是最先研究并發(fā)現(xiàn)氫氣醫(yī)學(xué)作用的學(xué)者，他們發(fā)現(xiàn)氫氣具有較強的抗氧化作用，腦缺血再灌注損傷模型大鼠呼吸少量氫氣 (2%，35 min)后，大鼠大腦內(nèi)氧化損傷終產(chǎn)物被有效清除，大鼠腦缺血后腦梗死體積明顯減小。隨后，更多的學(xué)者對氫氣進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其對各類組織器官缺血再灌注損傷、動脈硬化、癌癥、糖尿病等都具有很好的療效[2]。本文就氫氣對缺血再灌注后心肌代謝的影響作一綜述。

1 氫氣對缺血及再灌注后心肌糖代謝的影響

正常情況下，葡萄糖及糖原經(jīng)過糖酵解途徑產(chǎn)生丙酮酸，有氧條件下丙酮酸在線粒體基質(zhì)中經(jīng)丙酮酸脫氫酶作用轉(zhuǎn)變成乙酰輔酶A (Ac Co A)，進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最終生成二氧化碳(CO2)和水(H2O)并產(chǎn)生一定量的三磷酸腺苷(ATP)為心肌細(xì)胞提供能量。

缺血缺氧情況下，心肌細(xì)胞內(nèi)葡萄糖攝取及糖酵解速度加快，葡萄糖大量消耗，含量減少，ATP生成減少。同時，缺氧情況下，葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)楸岷鬅o法進(jìn)一步分解為CO2和H2O，最終生成乳酸，乳酸可在乳酸脫氫酶(LDH)催化下產(chǎn)生ATP。但有研究發(fā)現(xiàn)，心肌缺血時，心肌組織中乳酸含量會降低[3-4]，乳酸在心肌細(xì)胞中的代謝能力下降[5]，可見葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸后，提供ATP能力大大降低，心肌細(xì)胞功能會受到抑制。SAMBANDAM等[6]研究發(fā)現(xiàn)心肌缺血再灌注期間缺血引起的AMPK[Adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase]活性增加致使心肌細(xì)胞糖酵解的增加及糖原的貯積，缺血時葡萄糖氧化的降低導(dǎo)致質(zhì)子的積累，會導(dǎo)致心臟效率的降低和細(xì)胞的損傷。

心肌細(xì)胞的糖代謝與線粒體和心肌細(xì)胞本身都有著密切的關(guān)系，心肌缺血再灌注后，心肌細(xì)胞的糖代謝也隨著細(xì)胞及線粒體的受損而發(fā)生變化。趙悅等[7]在研究飽和氫鹽水對大鼠心肌細(xì)胞線粒體損傷的影響時發(fā)現(xiàn)飽和氫鹽水可通過降低心肌細(xì)胞PKC和 HSP90蛋白表達(dá)，減少線粒體CX45和CX43蛋白表達(dá)，從而減輕線粒體和心肌缺血再灌注損傷。當(dāng)線粒體損傷減輕時，心肌細(xì)胞糖代謝也隨之得到一定恢復(fù)。NODA等[8]在研究富氫水對移植心臟的保存作用時同樣發(fā)現(xiàn)富氫水能夠減輕離體心臟的線粒體損傷。據(jù)報道，氫氣飽和生理鹽水能夠減少心肌細(xì)胞的凋亡[9-10]，這也從另一方面降低了心肌缺血及再灌注對細(xì)胞糖代謝的影響。有氧時，乳酸的代謝需要LDH的作用，而氫氣可以降低缺血再灌注后LDH水平[11]，說明氫氣可調(diào)節(jié)缺血再灌注后機體內(nèi)乳酸代謝，即氫氣對缺血及再灌注后心肌糖代謝有調(diào)節(jié)作用。

糖原合成激酶-3β、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶、己糖激酶、異檸檬酸脫氫酶、糖原磷酸化酶、丙酮酸脫氫酶等都是糖代謝中的關(guān)鍵酶，當(dāng)心肌中這些關(guān)鍵酶的水平發(fā)生變化時，心肌缺血再灌注損傷程度也會發(fā)生變化(表1)。氫氣能夠減輕心肌缺血再灌注損傷，但對于心肌糖代謝關(guān)鍵酶的影響研究較少，氫氣是否可通過改變糖代謝關(guān)鍵酶減輕心肌缺血再灌注損傷需要進(jìn)一步驗證。AMPK是維持機體葡萄糖平衡的關(guān)鍵酶，當(dāng)被激活時，能夠減輕心肌缺血再灌注損傷，氫氣可以調(diào)節(jié)AMPK的活性[12-13]，作者推測氫氣或可通過調(diào)節(jié)AMPK的活性調(diào)節(jié)心肌糖代謝，減輕心肌缺血再灌注損傷。

2 氫氣對缺血及再灌注后心肌脂質(zhì)代謝的影響

脂類包括脂肪和類脂(磷脂、糖脂、膽固醇等)，正常情況下，非酯化脂肪酸的β氧化是心肌細(xì)胞能量的主要來源途徑，占其總量的60%～90%[19]。有氧時，脂肪酸先在細(xì)胞質(zhì)中活化為脂酰輔酶A，之后脂酰輔酶A在轉(zhuǎn)運系統(tǒng)作用下進(jìn)入線粒體基質(zhì)進(jìn)行β-氧化生成乙酰輔酶A，經(jīng)過三羧酸循環(huán)產(chǎn)生能量。

缺血缺氧時，非酯化脂肪酸代謝受到抑制，代謝減弱，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中脂酰輔酶A和線粒體中的乙酰輔酶A等中間產(chǎn)物的積累及脂肪酸水平的明顯升高。脂肪酸含量過高時，會加劇心肌細(xì)胞缺血性損傷，抑制丙酮酸脫氫酶活性，加重酸中毒。

表1 糖代謝關(guān)鍵酶對心肌缺血再灌注損傷的影響

氧自由基反應(yīng)及脂質(zhì)過氧化反應(yīng)與機體的生理代謝有著密切的關(guān)系。正常情況下，氧自由基反應(yīng)與脂質(zhì)過氧化反應(yīng)處于協(xié)調(diào)與動態(tài)平衡之中，缺血再灌注后，氧自由基增多，氧自由基反應(yīng)及脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的平衡被打破，進(jìn)而導(dǎo)致脂質(zhì)代謝的紊亂，脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物(如丙二醛)的增多。研究發(fā)現(xiàn)，缺血再灌注損傷后，氫氣能夠降低缺血心肌中丙二醛的水平[20]，即氫氣可以在一定程度上減少脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，對脂代謝紊亂有調(diào)節(jié)作用。同時，氫氣還可以與有細(xì)胞毒性的氧自由基發(fā)生反應(yīng)[1]，降低氧自由基水平使氧自由基反應(yīng)及脂質(zhì)過氧化反應(yīng)平衡得到一定恢復(fù)。另一方面，氫氣能調(diào)節(jié)血漿中血脂水平，降低低密度脂蛋白和游離脂肪酸的水平[21-22]，減輕了由于脂肪酸含量過高引起的心肌細(xì)胞缺血性損傷。薛乾[23]發(fā)現(xiàn)氫飽和生理鹽水預(yù)處理可改善心肌細(xì)胞膜磷脂水平，改善膽固醇水平，并具有一定的濃度相關(guān)性，在應(yīng)用20 mL/kg氫水處理時保護(hù)作用最為明顯。

過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)是人體脂代謝中的關(guān)鍵受體，PPAR-γ是其中一種亞型。研究證明，PPAR-γ水平升高，總膽固醇(TC)、三酰甘油(TG)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL)等水平降低能夠減輕心肌缺血再灌注損傷[24-25]。氫氣能夠增加正常飲食C57BL/6小鼠體內(nèi)PPAR-γ水平，減輕TC和TG水平，同時降低代謝綜合征患者體內(nèi)TC/HDL比例[26-27]。因此，氫氣可能通過提高PPAR-γ水平，降低TC、TG、HDL水平影響缺血再灌注后心肌脂代謝，進(jìn)而減輕缺血再灌注損傷，但需進(jìn)一步驗證。

3 氫氣對缺血及再灌注后心肌氨基酸代謝的影響

氨基酸是一種重要的能源物質(zhì)，氨基酸代謝也是心肌細(xì)胞能量來源途徑之一。正常情況下，氨基酸通過脫羧基作用和脫氨基作用兩種途徑進(jìn)行分解代謝。在脫氨基作用途徑中主要進(jìn)行氧化脫氨基作用，先在氨基酸脫氫酶催化下脫氫生成亞胺，之后在氨基酸氧化酶催化下脫氨基生成α-酮酸和氨，α-酮酸可進(jìn)一步分解為水及二氧化碳并產(chǎn)生ATP供能。在脫羧基途徑中，氨基酸在氨基酸脫羧酶催化下脫羧基生成二氧化碳和伯胺，伯胺在胺氧化酶催化下進(jìn)一步生成氨和脂酸。氨是一種有毒物質(zhì)，可以合成其他物質(zhì)排出體外或體內(nèi)再利用，在含量過多時也有一定毒性。

有研究發(fā)現(xiàn)，缺血缺氧早期，心肌細(xì)胞出現(xiàn)凋亡，線粒體等細(xì)胞器發(fā)生損傷，蛋白質(zhì)降解加速，氨基酸含量上升，隨著缺血時間的延長，部分氨基酸含量下降。SANSBURY等[28]發(fā)現(xiàn)小鼠心肌梗死(心肌缺血)5 d后，氨基酸水平發(fā)生明顯變化，說明小鼠心臟氨基酸水平的多少與心肌缺血有密切的關(guān)系。簡維雄等[3]則發(fā)現(xiàn)大鼠心肌梗死后組甘氨酸、谷氨酸、賴氨酸等的水平發(fā)生了改變。酪氨酸是心肌缺血的代表性標(biāo)志物之一[29]，心肌缺血會導(dǎo)致氨基酸代謝通路發(fā)生變化，谷氨酸、酪氨酸、精氨酸、脯氨酸等氨基酸的合成受阻，酪氨酸的水平下降，這也是心肌細(xì)胞凋亡的原因之一[4]。

丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶參與體內(nèi)蛋白質(zhì)的新陳代謝，能夠加快氨基酸在體內(nèi)轉(zhuǎn)運速度，通常存在于胞漿中。器官缺血后，丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶水平增高，導(dǎo)致氨基酸水平的降低。研究發(fā)現(xiàn)大鼠缺血前腹腔注射氫氣鹽溶液，再灌注后2、6、12、24 h血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶水平明顯降低[30]，說明氫氣對缺血器官再灌注后氨基酸代謝有一定調(diào)節(jié)作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，氫氣飽和生理鹽水能夠降低大鼠腎缺血再灌注導(dǎo)致的尿素氮升高[10]，而尿素氮是氨基酸代謝的終產(chǎn)物之一，證明氫氣能夠調(diào)節(jié)缺血腎再灌注后的氨基酸代謝。氫氣對缺血心肌再灌注后氨基酸代謝的影響不夠明確，還需要進(jìn)一步研究。

4 氫氣對缺血及再灌注后心肌能量代謝的影響

能量代謝是伴隨物質(zhì)代謝進(jìn)行的，正常情況下，氨基酸、葡萄糖、脂肪酸等物質(zhì)均是機體能量代謝的底物。心肌細(xì)胞利用底物通過糖酵解、氧化磷酸化、糖原氧化分解、脂肪酸氧化、酮體氧化分解、三羧酸(TCA)循環(huán)、磷酸肌酸分解等途徑產(chǎn)生ATP為機體生命活動提供必需的能量。機體能量代謝過程十分復(fù)雜，必須依靠多種途徑協(xié)同合作，共同維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。

缺血缺氧時，心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能及能量代謝都會發(fā)生變化。缺血缺氧導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)受損及細(xì)胞的凋亡[31]，線粒體有氧氧化代謝受到抑制，三羧酸循環(huán)減慢，葡萄糖和游離脂肪酸氧化代謝效率降低，同時，心肌中磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為ATP為心肌提供所需的能量[32]，磷酸肌酸水平下降。Ca2+對肌肉收縮及酶活性的調(diào)節(jié)具有重要作用，心肌缺血時，Ca2+循環(huán)能力下降，再灌注后細(xì)胞內(nèi) Ca2+超負(fù)荷，會導(dǎo)致心臟收縮功能障礙及線粒體依賴性細(xì)胞凋亡[33]，這也對缺血心肌能量代謝產(chǎn)生很大影響。

HAN等[34]研究氫氣對腦缺血再灌注的保護(hù)作用時發(fā)現(xiàn)，氫氣對缺血導(dǎo)致的細(xì)胞 Ca2+超負(fù)荷有一定調(diào)節(jié)作用，氫氣可以降低缺血細(xì)胞內(nèi)過高的 Ca2+水平。同時，氫氣通過增強缺血心肌Na+-K+-ATP酶活性、降低Ca2+ATP酶活性等方式調(diào)節(jié)心肌離子水平[35]，對缺血心肌離子平衡的恢復(fù)有重要作用，對細(xì)胞能量代謝具有重要的調(diào)節(jié)作用。肌酸和磷酸肌酸可防止細(xì)胞內(nèi)ATP的消耗和內(nèi)部酸化，增強缺血后的蛋白質(zhì)合成回收率，促進(jìn)細(xì)胞膜上自由基清除，肌酸激酶可以在缺氧期間增強肌酸代謝[36]。研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以降低缺血心肌肌酸激酶水平[11,35,37]，肌酸或者肌酸激酶的減少代表著心肌功能得到一定恢復(fù)，說明氫氣對心肌缺血及再灌注損傷有保護(hù)作用，同時對心肌能量代謝有調(diào)節(jié)作用。NODA等[8]在研究富氫水對移植心臟的保存作用時還發(fā)現(xiàn)富氫水能夠提高心臟ATP水平。

AMPK既能調(diào)節(jié)糖代謝，同時也是能量代謝的關(guān)鍵分子。缺血時，AMPK會被激活，使ATP合成系統(tǒng)活性增強，同時減少ATP的消耗，而氫氣對AMPK活性有增強作用，氫氣或可通過調(diào)節(jié)AMPK活性調(diào)節(jié)缺血再灌注后心肌能量代謝[13，17]。

綜上所述，氫氣對缺血再灌注后心肌糖代謝、能量代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝等有調(diào)節(jié)作用，其調(diào)節(jié)作用與線粒體有著密切聯(lián)系。但對于部分具體的物質(zhì)代謝，如氨基酸、葡萄糖等的代謝證據(jù)較少，需要進(jìn)一步研究。同時，氫氣對心肌代謝中各種酶的影響也需進(jìn)一步驗證。從氫氣對缺血再灌注后心肌糖代謝、能量代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝等的探討中可以發(fā)現(xiàn)，氫氣可以通過抗凋亡、調(diào)節(jié)信號通路、抗氧化、清除自由基等方式調(diào)節(jié)心肌代謝。因此，研究氫氣對缺血再灌注后心肌代謝的影響對研究氫氣治療疾病的機制有著重大意義。