氫氧混合氣的細(xì)胞學(xué)作用研究進(jìn)展

曹金鐘，黃超，姚麗花 綜述 肖凡 審校

天津市第三中心醫(yī)院分院呼吸科，天津 300250

在抗擊新型冠狀病毒肺炎(以下簡(jiǎn)稱新冠肺炎)疫情中，國(guó)家衛(wèi)健委第七版診療方案[1]對(duì)“氫氧混合吸入氣(H2/O2：66.6%/33.3%)治療”做了有條件的推薦。有研究顯示高濃度氫氧混合氣吸入可增加功能性輔助性T 淋巴細(xì)胞、功能性細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞、殺傷性NK 細(xì)胞等數(shù)量，有效提升老人、慢性疾病、惡性腫瘤等免疫力低下患者的免疫機(jī)能[2-3]。但氫氧混合氣治療在臨床應(yīng)用中為非常規(guī)治療，臨床醫(yī)務(wù)工作者對(duì)其相對(duì)陌生，本文通過(guò)部分文獻(xiàn)檢索，并結(jié)合病毒感染的病理及生理特征，對(duì)氫氧混合氣的細(xì)胞學(xué)作用做簡(jiǎn)要綜述。

1 氫氣在疾病治療中的常見(jiàn)應(yīng)用方式

氫分子量小且擴(kuò)散快，容易穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。氫由于其潛在的抑制氧化應(yīng)激能力，作為一種氣體信號(hào)分子而備受矚目[4]，目前關(guān)于氫氣的研究并未發(fā)現(xiàn)其對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生任何健康危害[5]。

有研究發(fā)現(xiàn)小劑量氫氣吸入可以選擇性的抑制部分毒性自由基，可作為一種有效的新型的抗氧化措施應(yīng)用于患者治療[6]。氫在臨床中的應(yīng)用方式較多，概括起來(lái)包括以下幾種[7]：(1)吸入氫氣。目前吸入氫氣的方法比較簡(jiǎn)便快捷，通過(guò)適當(dāng)?shù)臍錃夂粑鼨C(jī)和相應(yīng)的面罩/鼻導(dǎo)管方式連接，即可對(duì)急性氧化應(yīng)激導(dǎo)致的相關(guān)疾病進(jìn)行治療。不同比例的氫氧混合吸入是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一，但要高度重視周圍環(huán)境的安全因素，防止氫氣的燃爆。(2)口服富氫水。富氫水是通過(guò)高壓過(guò)飽和方式制作的液體制劑。口服方式易于被患者接受，且更加安全，對(duì)于氧化應(yīng)激損傷同樣具有較好效果。但由于氫氣極易揮發(fā)擴(kuò)散，對(duì)于氫的給予劑量不易控制。(3)氫生理鹽水。氫生理鹽水廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究，在劑量控制和安全性方面都較易操作，具體給藥方式包括靜脈注射、腹腔注射、鞘內(nèi)注射及滴眼等。(4)其他。尚有臨床報(bào)道富氫水沐浴、低溫富氫水保護(hù)待移植器官、口服其他藥物作用于腸道菌群進(jìn)而刺激內(nèi)源性氫產(chǎn)生等等應(yīng)用方式。綜上，在解決應(yīng)用過(guò)程中的安全性問(wèn)題后，氫氣是理想的吸氧輔助氣體。

2 氫氧混合氣吸入與病毒性肺炎

2.1 病毒性肺炎的病理及生理特征 病毒感染累及下呼吸道，可引起氣道上皮的廣泛破壞，纖毛功能損害，黏膜壞死、潰瘍形成，細(xì)支氣管阻塞，肺泡間隔有大單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)，肺泡水腫、透明膜形成，進(jìn)而導(dǎo)致呼吸膜增厚，彌散距離增大[8]。結(jié)合目前防疫工作形勢(shì)，依據(jù)目前有限的尸檢和穿刺組織病理檢查，近期流行的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染主要引起肺部和免疫系統(tǒng)病變，同時(shí)可伴有其他系統(tǒng)的繼發(fā)性損害[1]。SARS-CoV-2 通過(guò)與機(jī)體細(xì)胞膜上的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2(ACE2)結(jié)合侵襲細(xì)胞，進(jìn)入細(xì)胞后引起一系列改變，其中免疫細(xì)胞過(guò)度活化、細(xì)胞因子風(fēng)暴、過(guò)度氧化應(yīng)激可能是引起急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)、膿毒癥休克、多器官功能衰竭甚至死亡的共同病理生理基礎(chǔ)[9]。

2.2 病毒性肺炎與氧化應(yīng)激 肺部病毒感染與氧化損傷密切相關(guān)，可引起活性氧自由基(ROS)釋放、細(xì)胞膜磷脂層脂質(zhì)過(guò)氧化、膜轉(zhuǎn)運(yùn)和線粒體呼吸鏈功能紊亂，通過(guò)增加細(xì)胞前氧化物、抑制抗氧化酶合成、改變宿主細(xì)胞內(nèi)前氧化物/抗氧化物平衡等機(jī)制影響細(xì)胞凋亡過(guò)程及免疫介導(dǎo)的細(xì)胞損傷[10]。病毒性肺炎本身亦可引起不同程度的缺氧性改變，吸氧是常規(guī)且重要的治療手段，但如果不適當(dāng)?shù)难醑?包括吸入純氧或氧濃度過(guò)高等)也可引起促炎因子釋放、組織局部血流失調(diào)、微循環(huán)異常以及細(xì)胞惡性缺氧等改變，出現(xiàn)氧化應(yīng)激相關(guān)性肺損傷[11]。為此，加入具有抗氧化作用的成分混合性吸入，可以限制單純不恰當(dāng)吸氧引起的靶器官損傷，成為臨床治療中的切入點(diǎn)之一。

2.3 氫氧混合氣在病毒性肺炎中潛在的細(xì)胞學(xué)機(jī)制特點(diǎn)

2.3.1 協(xié)同減少細(xì)胞凋亡，減輕肺損傷 ARDS的發(fā)病機(jī)制目前尚未完全闡明，大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究發(fā)現(xiàn)全身和肺內(nèi)炎性細(xì)胞的持續(xù)激活、炎癥/抗炎癥失調(diào)、氧化/抗氧化失衡、凝血功能紊亂及肺泡毛細(xì)血管膜損害等均在ARDS的發(fā)病過(guò)程中起重要作用[8]。病毒性肺炎是ARDS的常見(jiàn)病因之一。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明氫水治療和高壓氧治療均可明顯降低肺損傷小鼠的炎癥反應(yīng)，減少凋亡細(xì)胞數(shù)量、抑制凋亡的發(fā)生[12]。高壓氧通過(guò)減少機(jī)體ROS生成，降低核因子κB(NF-κB)的表達(dá)，抑制炎癥反應(yīng)；而氫鹽水通過(guò)中和ROS，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，控制NF-κB 的釋放，減少炎性介質(zhì)產(chǎn)生。兩者作用的潛在靶點(diǎn)和作用機(jī)制可能有所重疊，但氫作為優(yōu)質(zhì)的抗氧化物質(zhì)，可以與高壓氧氣互相協(xié)同發(fā)揮療效。病毒感染作為急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征的相關(guān)危險(xiǎn)因素之一，目前尚缺乏臨床特效的抗病毒藥物，所以不同濃度比例的氫氧混合氣干預(yù)有可能在未來(lái)的治療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2.3.2 減輕氣道黏液高分泌，改善肺功能 氣道黏液高分泌是慢性炎性氣道疾病的常見(jiàn)病理生理表現(xiàn)，但過(guò)量的黏液分泌可降低黏膜纖毛清除功能和局部防御功能，不利于病原體的清除。黏液栓是具有不同黏蛋白(MUC5AC 和MUC5B)結(jié)構(gòu)域的異質(zhì)凝膠，含有黏蛋白MUC5AC 的結(jié)構(gòu)域與氣道上皮細(xì)胞結(jié)合導(dǎo)致黏液停滯，可能是哮喘黏液堵塞的主要原因；而作為維持免疫穩(wěn)態(tài)所必需的黏蛋白MUC5B，其表達(dá)的缺失可致黏膜纖毛清除率(MCC)降低90%[13-14]。在慢性氣道炎癥、急性肺損傷及PM2.5 暴露等動(dòng)物疾病模型中，發(fā)現(xiàn)氣道黏液的高分泌與氣道炎癥和肺部氧化應(yīng)激相關(guān)，并可造成小氣道阻塞，引起肺功能損害和呼吸力學(xué)異常[15-16]。實(shí)驗(yàn)研究表明氫氣可能通過(guò)抗氧化應(yīng)激的作用，顯著減少吸煙所致大鼠氣道黏液的高分泌，也可減少肺組織中丙二醛、超氧化物歧化酶3水平，與氫的抗氧化應(yīng)激作用有關(guān)[17-18]。施曉娟[5]的研究結(jié)果顯示，在PM2.5 暴露后吸入氫氧混合氣(H2/O2：66%/33%)2 h，可減輕氣道黏液分泌，抑制相應(yīng)的氣道炎癥及氧化應(yīng)激反應(yīng)，并改善肺功能，有望應(yīng)用于防治PM2.5對(duì)人體的損害；通過(guò)與對(duì)照組[吸入氮氧混合氣體(N2/O2：66%/33%)2 h]結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，吸入氫氧混合氣的獲益可能更多來(lái)自于氫氣成分本身。

3 氫氧混合氣在其他方面的細(xì)胞學(xué)作用機(jī)制

臨床中除病毒感染外，尚有諸多嚴(yán)重疾病狀態(tài)均與氧化應(yīng)激密切相關(guān)，亦可出現(xiàn)低氧血癥或低氧性呼吸衰竭。氫氧混合氣吸入在其他病理狀態(tài)下亦具有潛在的治療前景。

3.1 改善局部血液循環(huán)，調(diào)節(jié)能量代謝 缺血性血管病最主要的治療是盡最大限度的恢復(fù)缺血區(qū)域的血液供應(yīng)，清除伴隨缺血再灌注產(chǎn)生的有害的氧自由基，減輕氧化應(yīng)激損傷[19]。高壓氧治療常用于多種臨床疾病，特別是缺氧缺血性疾病，因其可產(chǎn)生ROS，出現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的氧中毒表現(xiàn)，影響神經(jīng)系統(tǒng)功能，進(jìn)而限制了其在臨床中的應(yīng)用。而近年研究發(fā)現(xiàn)氫氣亦可作用于機(jī)體的復(fù)雜酶系，進(jìn)而調(diào)節(jié)缺血再灌注后心肌代謝(糖、能量、脂質(zhì)及氨基酸代謝等)[20]。氫氣還可通過(guò)降低PC12細(xì)胞中的羥基自由基水平來(lái)減輕氧氣的毒性[21]。于楊團(tuán)隊(duì)[11]采用相應(yīng)設(shè)備產(chǎn)生的流量較小(3 L/min)的氫氧混合氣(H2/O2：66.7%/33.3%)可立即被人體吸入，并通過(guò)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)氫氧混合氣能有效提升健康人面部和手部皮膚的血流灌注量，可作為改善局部血液循環(huán)的新治療手段，且在室內(nèi)通風(fēng)良好的情況下，安全性可靠。

3.2 中樞神經(jīng)系統(tǒng)保護(hù)作用 氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)破壞血腦屏障，炎性細(xì)胞侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，致炎因子致神經(jīng)細(xì)胞損傷，上述是中樞神經(jīng)系統(tǒng)自身免疫性及退行性病變的主要致病因素。張寧[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎動(dòng)物為研究對(duì)象，探討吸入氫氧混合氣(H2/O2：67%/33%)的治療作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可緩解受試動(dòng)物的神經(jīng)行為學(xué)改變和體質(zhì)量減輕，明顯改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)和脫髓鞘病變，調(diào)節(jié)炎性因子及抗炎因子水平，對(duì)實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎動(dòng)物具有治療效應(yīng)，而這種效應(yīng)主要來(lái)自于氫的作用。

有研究顯示，通過(guò)對(duì)腦缺血/再灌注損傷模型小鼠吸入含有66.7%氫氣/33.3%氧氣的混合氣體后，可顯著降低模型小鼠的腦梗塞體積，減輕腦水腫并改善其神經(jīng)行為缺陷，但未降低與程序性細(xì)胞壞死相關(guān)的混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白(MLKL)的表達(dá)[22]。程序性細(xì)胞壞死是細(xì)胞死亡的一種方式，與機(jī)體非特異性免疫反應(yīng)、細(xì)菌或病毒感染以及非感染性炎癥相關(guān)疾病均有密切關(guān)系[23-24]。機(jī)械通氣作為危重癥患者治療過(guò)程中重要的呼吸及生命支持措施，也有潛在呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷(VILI)風(fēng)險(xiǎn)，且有證據(jù)顯示VILI 可以誘導(dǎo)程序性細(xì)胞壞死[23]。氫氧混合氣體雖對(duì)腦缺血/再灌注動(dòng)物模型的程序性細(xì)胞壞死未呈現(xiàn)出積極意義，但是否對(duì)VILI相關(guān)的程序性細(xì)胞壞死有治療意義尚需進(jìn)一步研究證實(shí)。

3.3 提高心臟驟停后心肺復(fù)蘇效果 通過(guò)靜脈注射氯化鉀誘導(dǎo)家兔心臟驟停(CA)模型，觀察心肌糖代謝的變化及氫干預(yù)的影響；在CA 5 min后，開始常規(guī)進(jìn)行心肺復(fù)蘇(CPR)，機(jī)械通氣方式給予含氫氧混合氣體(H2/O2∶4%/96%)干預(yù)，在自主循環(huán)(ROSC)恢復(fù)后，通過(guò)正電子發(fā)射斷層掃描(PET)評(píng)估心肌葡萄糖代謝，并測(cè)量18F-氟-2-脫氧葡萄糖(18F-FDG)的最大標(biāo)準(zhǔn)攝取值(SUVmax)，結(jié)果提示氫干預(yù)可降低ROSC 后2 h 的18F-FDG SUVmax值，提示可抑制心臟驟停家兔的心肌糖代謝程度[25]。亦有報(bào)道顯示在對(duì)未經(jīng)治療的窒息性心臟驟停大鼠模型成功復(fù)蘇后，在常溫下吸入氫氧混合氣體(H2/O2∶2%/98%)，評(píng)價(jià)吸入氫對(duì)心肺復(fù)蘇后心臟和神經(jīng)功能的影響，結(jié)果顯示其可明顯降低復(fù)蘇后較早階段血清心肌肌鈣蛋白T 和S100B 蛋白數(shù)值，明顯改善左心室射血分?jǐn)?shù)、心臟做功和神經(jīng)功能缺損評(píng)分，顯著提高復(fù)蘇后96 h生存率[26]。

3.4 增加實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的抗逆能力，預(yù)防應(yīng)激性損傷 分子氫除具有抗氧化和抗炎活性以及神經(jīng)保護(hù)作用外，尚具有預(yù)防應(yīng)激相關(guān)疾病的前景。相關(guān)報(bào)道顯示反復(fù)吸入氫氧混合氣體(H2/O2：67%/33%)，可以顯著降低小鼠的急性和慢性應(yīng)激誘導(dǎo)的抑郁和焦慮樣行為，阻止慢性輕度應(yīng)激小鼠血清中皮質(zhì)酮、促腎上腺皮質(zhì)激素、白介素6和腫瘤壞死因子的水平升高；青春期小鼠吸入氫氣可能通過(guò)抑制下丘腦-垂體-腎上腺軸和對(duì)壓力的炎癥反應(yīng)，明顯增加了成年初期對(duì)急性應(yīng)激的抵抗力，表明氫氣對(duì)小鼠的應(yīng)激抵抗力具有持久的作用[27]。在包括呼吸衰竭、ARDS等危重病的病理生理變化過(guò)程中，可伴隨嚴(yán)重的應(yīng)激性損傷，氫干預(yù)是否可在臨床危重病的治療中具有預(yù)防效應(yīng)，尚值得進(jìn)一步期待。

4 總結(jié)

總之，目前氫氧混合吸入應(yīng)用于疾病治療僅為起步階段，其中針對(duì)動(dòng)物模型的基礎(chǔ)研究占據(jù)絕大多數(shù)，且其作用機(jī)制闡述仍不具體，是否存在不同濃度、不同比例的氫氧混合氣的細(xì)胞學(xué)作用差異等等尚不清楚，同時(shí)受筆者科研能力所限，對(duì)于其詳細(xì)的細(xì)胞學(xué)機(jī)制分析欠深入，有待于進(jìn)一步的基礎(chǔ)與臨床研究闡釋。