含氫液（氫氣）用于器官功能保護(hù)的研究進(jìn)展

吳莉，施東婧，杜洪印（.天津醫(yī)科大學(xué)一中心臨床學(xué)院，天津 3009；.天津市第一中心醫(yī)院麻醉科，天津 3009）

氫是自然界最輕、含量最豐富的元素，氫通過(guò)核聚變產(chǎn)生氦為太陽(yáng)提供能源。氫氣無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)味、高度易燃，是相對(duì)分子質(zhì)量最小的雙原子氣體。氫氣在空氣和純氧中的安全濃度分別是＜4.6%和＜4.1%。在潛水醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，氫氣首先用于預(yù)防減壓病［1］。一直以來(lái)，氫氣被認(rèn)為是生理惰性氣體。然而自2007年Ohsawa等［2］發(fā)現(xiàn)氫氣具有抗氧化和抗凋亡特性，可選擇性中和羥自由基（·OH）改善腦缺血/再灌注損傷（IRI）和卒中，掀起了氫氣治療疾病的研究熱潮。大量生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究證實(shí)，無(wú)論吸入氫氣或飲用含氫水都可以選擇性減少活性氧簇（ROS）并且發(fā)揮強(qiáng)大的細(xì)胞和器官保護(hù)作用。本文對(duì)氫氣作為治療性氣體的潛在優(yōu)勢(shì)、氫發(fā)揮細(xì)胞及器官保護(hù)作用可能的機(jī)制及氫用于不同疾病模型的最新研究進(jìn)展做一概述。

1 氫的潛在優(yōu)勢(shì)

氫氣作為一種安全有效的治療性醫(yī)用氣體可能存在巨大的潛能。與藥物治療相比，氫氣具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：首先，氫氣擴(kuò)散性強(qiáng)，能夠擴(kuò)散進(jìn)入亞細(xì)胞器，如線(xiàn)粒體和細(xì)胞核，它們是ROS產(chǎn)生和DNA損傷的主要地方，并且藥物很難進(jìn)入亞細(xì)胞器；其次，氫氣可選擇性的減少·OH和過(guò)氧亞硝基（ONOO-），但是不能減少一氧化氮（NO）的穩(wěn)態(tài)水平［2］。內(nèi)源性NO信號(hào)通路能夠調(diào)節(jié)肺血管張力和白細(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞相互作用，因此，內(nèi)源性NO對(duì)于機(jī)體可能是非常有益的。在治療濃度的低反應(yīng)性可以允許氫氣與其他治療氣體一起給予，包括吸入麻醉藥［3］；最后，體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氫處理不清除具有生理功能的過(guò)氧陰離子（O2-）和過(guò)氧化氫（H2O2）［2］。巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞通過(guò)吞噬作用殺滅一些形式的細(xì)菌時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生ROS。因此，O2和H2O2在中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中具有重要功能［2］。

2 氫發(fā)揮器官保護(hù)作用的可能機(jī)制

2.1 抗氧化作用：氫氣作為自由基清除劑發(fā)揮抗氧化作用。氫氣選擇性的減少·OH和ONOO-，這兩種自由基具有非常強(qiáng)的氧化性，能夠與核酸、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)反應(yīng)，從而導(dǎo)致DNA裂解、脂質(zhì)過(guò)氧化和蛋白質(zhì)變性。生化實(shí)驗(yàn)表明，氫氣抗·OH的能力強(qiáng)于抗ONOO-。同時(shí)氫氣不清除具有生理功能的和H2O2，因此，氫氣可以在不影響正常生理功能的情況下選擇性清除·OH，是一種理想的新型抗氧化劑［2］。氫氣細(xì)胞保護(hù)的另一種機(jī)制可能與適當(dāng)增加抗氧化酶（如過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶或血紅素加氧酶）的表達(dá)有關(guān)［4］。

2.2 抗炎癥作用：ROS與炎癥聯(lián)系密切，二者相互促進(jìn)，共同引起組織細(xì)胞的損傷。大量研究表明，氫氣在多種損傷模型中均能發(fā)揮抗炎作用。氫氣通過(guò)下調(diào)白細(xì)胞介素1β（IL-1β）、白細(xì)胞介素- 6（IL-6）和腫瘤壞死因子α（TNF-α）等促炎因子的表達(dá)從而減輕氧化應(yīng)激引起的組織炎癥損傷［5-6］。Nakao等［3］報(bào)道顯示，吸入2%氫氣可明顯降低大鼠移植心臟的TNF-α、IL-6、IL-1β和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）等促炎因子的表達(dá)水平，心肌損傷明顯減輕。

2.3 抗凋亡作用：凋亡是一種主動(dòng)的、高度有序的、由基因決定的程序性細(xì)胞死亡，并有一系列酶參與其過(guò)程。細(xì)胞凋亡主要有受體介導(dǎo)和線(xiàn)粒體介導(dǎo)的兩種死亡信號(hào)通路。許多疾病的病理過(guò)程中均包含細(xì)胞凋亡，因此，抗細(xì)胞凋亡對(duì)于疾病的預(yù)防和治療具有重要意義。研究表明，吸入氫氣可上調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xl的表達(dá)，從而發(fā)揮抗凋亡特性［6-7］。Kawamura等［6］研究表明，吸入氫氣能夠顯著上調(diào)大鼠移植肺中抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xl的表達(dá)，降低肺上皮細(xì)胞凋亡數(shù)量，可改善肺換氣功能。

3 氫與器官保護(hù)

3.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)：氫通過(guò)氣體彌散很容易穿透血腦屏障，Ohsawa等［2］研究表明，吸入氫氣可以通過(guò)清除ROS減少局部腦IRI大鼠的梗死面積，從而發(fā)揮腦保護(hù)作用。Cui等［8］研究顯示，富氫生理鹽水可通過(guò)保護(hù)缺血/再灌注大鼠的線(xiàn)粒體功能以減輕神經(jīng)元IRI。2010年Chen等［9］研究發(fā)現(xiàn)，在局灶性腦缺血大鼠模型中，吸入氫氣可減輕腦缺血梗死面積，減少腦IRI后出血性轉(zhuǎn)化，明顯改善大鼠神經(jīng)功能。Li等［10］研究表明，富氫生理鹽水對(duì)永久性局灶性腦缺血能夠劑量依賴(lài)地產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)作用，其保護(hù)作用部分與減輕氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)有關(guān)。對(duì)于腦卒中患者來(lái)說(shuō)，氫分子可能是一種有效的治療策略。Huo等［11］的研究報(bào)道顯示，富氫生理鹽水可提高心臟驟停及心肺復(fù)蘇大鼠的生存率和神經(jīng)功能，其機(jī)制可能與減輕氧化應(yīng)激、炎癥和凋亡有關(guān)。

3.2 心血管系統(tǒng)：在心血管系統(tǒng)的研究證據(jù)表明氫治療對(duì)心肌IRI和心臟移植后的冷缺血/再灌注損傷具有保護(hù)作用。Hayashida等［12］報(bào)道顯示，在左前降支冠狀動(dòng)脈短暫閉塞引起的IRI大鼠中，吸入0.5%～2%的氫氣可減輕心肌梗死的程度而不改變血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。另一項(xiàng)使用相同疾病模型的研究表明，注射富氫生理鹽水通過(guò)降低血漿和心肌的丙二醛（MDA）濃度，抑制心肌細(xì)胞凋亡和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）活性且減少梗死面積，從而達(dá)到對(duì)IRI心肌保護(hù)的作用［13］。

目前認(rèn)為心臟移植后的IRI是初級(jí)移植物功能障礙和慢性排異［14］的決定因素，并且促進(jìn)移植物冠狀動(dòng)脈疾病的發(fā)展［15］。Nakao等［3］使用同種異體心臟移植大鼠模型，冷缺血時(shí)間為6～8小時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)吸入2%的氫氣可減輕心肌損傷。與空氣治療相比，氫治療可顯著減少脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)和血清高遷移率族蛋白B1（HMGB-1）的表達(dá)水平。

Fujii等［16］研究顯示，吹入氫氣對(duì)大鼠心肺轉(zhuǎn)流術(shù)（CPB）產(chǎn)生的系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)和肺水腫等器官損傷發(fā)揮抗炎和器官保護(hù)作用，是消除引起CPB的系統(tǒng)性炎癥和器官損傷的潛在臨床治療方法。

3.3 肺：肺炎［17-18］、呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷（VILI）和急性呼吸窘迫綜合征［19-20］均包含ROS與抗氧化劑防御系統(tǒng)之間的平衡失調(diào)。Huang等［7］提出NFκB的激活和Bcl-2的表達(dá)增加與氫氣的細(xì)胞保護(hù)作用有關(guān)，氫氣通過(guò)抑制VILI引起的細(xì)胞凋亡和炎癥信號(hào)通路激活進(jìn)而改善VILI。急性肺損傷繼發(fā)遠(yuǎn)隔器官手術(shù)和嚴(yán)重系統(tǒng)性炎癥。Mao等［5］分析了由腸IRI引起的大鼠肺損傷模型，提出富氫生理鹽水治療能夠減少肺組織中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)和脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，降低NFκB活性和促炎癥因子水平，產(chǎn)生肺保護(hù)作用。Kawamura等［6］研究顯示，吸入氫氣通過(guò)提高再灌注后氣體交換減輕移植肺損傷，預(yù)防大鼠肺移植引起的IRI，并且提高冷保存、移植及再灌注后的移植肺功能。

3.4 腎：絕大多數(shù)腎移植晚期衰竭歸因于以腎功能進(jìn)行性惡化、腎性高血壓和蛋白尿?yàn)樘卣鞯穆砸浦参锬I?。?1］。Cardinal等［22］提出，在大鼠腎移植模型中飲用含氫水可以防止慢性移植物腎病。含氫水可改善移植物功能，延緩疾病進(jìn)展，減少氧化損傷和炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生，提高總存活率，在某種程度上減少氧化應(yīng)激損傷，降低促分裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路活性和細(xì)胞因子的產(chǎn)生。Toyofumi等［23］的研究顯示，富氫器官保存液（UW液）通過(guò)保護(hù)腎小管上皮細(xì)胞免受炎癥和凋亡提高移植物功能并延長(zhǎng)受體生存時(shí)間。在腎移植早期，富氫UW液能減少氧化應(yīng)激、腎小管細(xì)胞凋亡和間質(zhì)巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)。組織病理學(xué)上，富氫UW液處理能減輕腎小管損傷并抑制間質(zhì)纖維化的發(fā)展。

3.5 肝：長(zhǎng)時(shí)間的肝熱缺血加重再灌注后氧化應(yīng)激，引起以肝藥酶升高和細(xì)胞壞死為特征的嚴(yán)重組織損傷。Fukuda等［24］提出吸入2%～4%的氫氣可減輕大鼠肝熱IRI，并且與減少氧化應(yīng)激、抑制肝細(xì)胞壞死、降低血清丙氨酸轉(zhuǎn)移酶和肝MDA有關(guān)。Liu等［25］的研究顯示，用富氫生理鹽水處理可明顯改善缺血/再灌注引起的肝損傷，減少脂質(zhì)過(guò)氧化標(biāo)記物，減輕缺血/再灌注后組織改變，并且抑制HMGB1的表達(dá)和釋放，減少肝缺血/再灌注后的局部和系統(tǒng)性炎癥反應(yīng)。Sun等［26］的研究表明，富氫生理鹽水可以保護(hù)肝損傷，抑制導(dǎo)致肝硬化和肝細(xì)胞代償性增生的過(guò)程。

3.6 胰腺：急性重癥胰腺炎以細(xì)胞膜破裂、水腫、間質(zhì)出血、壞死和炎癥反應(yīng)為特征，由腺泡細(xì)胞酶原轉(zhuǎn)換為其活性形式引起。ROS及其衍生物可能在誘發(fā)急性重癥胰腺炎中性粒細(xì)胞與巨噬細(xì)胞的活化和聚集中發(fā)揮重要作用。L-精氨酸可以誘發(fā)建立以急性胰腺間質(zhì)水腫、空泡形成、顯著中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、腺泡細(xì)胞損傷和胰腺壞死為特征的大鼠急性胰腺炎模型［27］。Chen等［28］的研究證明，大鼠尾靜脈注射富氫生理鹽水可以降低血清淀粉酶活性、抑制中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、減少脂質(zhì)氧化反應(yīng)和胰腺組織水腫，顯著減輕L-精氨酸誘導(dǎo)大鼠急性胰腺炎的嚴(yán)重程度。

3.7 腸：腸IRI常發(fā)生在如腹主動(dòng)脈瘤、腸系膜動(dòng)脈阻塞、CPB、腸絞窄、新生兒壞死性腸炎失血性休克和小腸移植等手術(shù)治療中［29-32］。Buchholz等［33］利用大鼠同源小腸原位移植模型進(jìn)行研究，結(jié)果表明氫處理可改善黏膜糜爛和黏膜屏障破壞等移植誘導(dǎo)腸損傷。與空氣處理組相比，術(shù)前吸入2%氫氣能減輕移植后腸動(dòng)力障礙、減少炎癥介質(zhì)的上調(diào)，并且與明顯減弱脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)有關(guān)。盡管小腸移植是腸衰竭患者的一種治療選擇，IRI仍然是受體病態(tài)和死亡的主要原因。腸移植術(shù)前給予氫氣可能是有效且臨床可應(yīng)用的治療策略。Chen等［34］的研究表明，通過(guò)尾靜脈注射富氫生理鹽水對(duì)腸熱IRI引起的腸收縮功能障礙具有保護(hù)作用。氫可能通過(guò)抑制缺血/再灌注引起的氧化應(yīng)激和凋亡并且促進(jìn)上皮細(xì)胞增生來(lái)發(fā)揮保護(hù)作用。

4 小 結(jié)

使用氫氣作為治療方法的概念仍是研究的新領(lǐng)域。因此，關(guān)于氫分子在體內(nèi)作用的信號(hào)通路和過(guò)程的相關(guān)研究非常有限。之前的研究數(shù)據(jù)表明，氫的保護(hù)作用部分歸因于它的自由基清除特性，因此，應(yīng)對(duì)氫的直接自由基清除特性進(jìn)行更加深入的研究。然而，清除特性不太可能是對(duì)其作用機(jī)制唯一的解釋?zhuān)赡苌婕皻渥鳛樾盘?hào)分子這一未被確定的生物特性，需要后續(xù)研究闡明氫作為生物分子的具體機(jī)制。