分子氫與自噬和氧化應激

張坷平 谷競龍飛 焦劍橋 劉欣然 苑方碩 張 麗 李金國 張昭強

1.山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）基礎醫(yī)學院，山東泰安 271000；2.泰安市中醫(yī)醫(yī)院，山東泰安 271000

分子氫作為一種便于制備的抗氧化物質(zhì)，被看作是天然的抗氧化劑，而氧化應激又與自噬相關過程存在密切關聯(lián)，自噬功能異常與多種疾病的發(fā)生有關。一直以來，分子氫對氧化應激的作用多有報道，近年分子氫對自噬的影響相關研究又成為新的熱點。本文擬對相關研究進行綜述，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 分子氫的應用現(xiàn)狀

研究表明分子氫對多種疾病具有明確的預防和治療作用。富氫水可以改善創(chuàng)傷及電離輻射所導致的腦損傷，研究表明富氫水可能通過抑制核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3（nucleotidebinding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小體，減少細胞凋亡，進而促進CD34 內(nèi)皮祖細胞動員、歸巢到創(chuàng)傷區(qū)域，參與新生血管生成等相關機制，最終改善神經(jīng)功能［1-3］。通過建立敗血癥小鼠模型，發(fā)現(xiàn)氫氣可通過降低血清和組織中早期及晚期促炎細胞因子的水平來提高敗血癥小鼠的存活率，并能減輕其器官的損傷程度［4］。Fujita［5］發(fā)現(xiàn)飲用含氫氣的水能顯著減少急性和慢性給予 1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶的帕金森病模型小鼠多巴胺能神經(jīng)元的丟失。此外，分子氫對輻射引起的腸和細胞損傷也有明顯的保護作用，這種保護作用可能通過阻斷線粒體凋亡途徑實現(xiàn)［6］。富氫水對黃曲霉毒素B1所導致的大鼠急性肝損傷有緩解作用，主要與減輕氧化應激、抑制絲裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）信號轉(zhuǎn)導通路的激活有 關［7］。核因 子 κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）是免疫系統(tǒng)的關鍵調(diào)節(jié)物質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，在血管阻塞的大鼠全腦缺血再灌注模型中，分子氫可通過下調(diào)腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的表達抑制NF-κB 的轉(zhuǎn)導，能夠有效地緩解其腦組織在缺血再灌注中的炎性反應，其機制還可能與通過上調(diào)B 淋巴細胞瘤-2 基因（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）的表達，降低促凋亡Caspase-3 蛋白、白細胞介素 1β 的表達水平有關［8-10］。Ishibashi 等人［11］通過對飲用富氫水的類風濕性關節(jié)炎患者的研究發(fā)現(xiàn)，分子氫可降低類風濕性關節(jié)炎患者的氧化應激和疾病活動。富氫水也可改善多種炎性狀態(tài)，如胰腺炎、結(jié)腸炎、肝炎等，減輕損傷后炎癥反應，這一作用是通過降低活性氧物質(zhì)（reactive oxygen species，ROS）含量，從而抑制 TNF-α 的合成實現(xiàn)的［12］。有研究表明，分子氫可以促進自噬相關蛋白的表達，抑制炎癥體NLRP3 通路的激活，減輕神經(jīng)病理性疼痛引起的過度病變［13］。由于分子氫能清除羥自由基以及過氧硝酸根離子，具有選擇性抗氧化作用，對心血管系統(tǒng)相關疾病具有一定的治療作用［14］。通過建立大鼠心肌缺血再灌注損傷的模型，發(fā)現(xiàn)富氫鹽水也可以通過PINK1（PTEN induced putative kinase 1）/Parkin 介導的自噬改善大鼠心肌炎癥反應和細胞凋亡［15］。相比之下，氫分子在癌癥治療中的作用關注較少，盡管有研究表明，氫分子對癌癥發(fā)展具有抑制作用，但對腫瘤的生長和侵襲的影響卻很?。?6］。

2 分子氫對自噬的影響

自噬是促進代謝與某些細胞器更新的常見方式，一方面具有清除變性或錯誤折疊的蛋白質(zhì)、衰老或損傷的細胞器等功能，有利于細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持，另一方面還可以提供營養(yǎng)以維持正常的細胞功能。近期的研究發(fā)現(xiàn)，分子氫通過不同的作用機制，對自噬有一定的干預作用。通過對光老化模型人成纖維細胞損傷的研究發(fā)現(xiàn)，分子氫可以通過促進自噬過程，下調(diào)中波紫外線（UVB）誘導的HaCaT 細胞炎性因子的表達，從而發(fā)揮對人成纖維細胞損傷的保護作用［17］。Du 等人［18］發(fā)現(xiàn)，富氫水可以激活p53 介導的自噬，達到減輕肝移植后急性腎損傷的目的。富氫鹽水也可通過減少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和增加自噬機制對缺氧缺血性腦損傷的新生小鼠提供神經(jīng)保護作用［19］。分子氫可以通過調(diào)節(jié)由mTOR（mammalian rapamycin target protein）-自噬信號通路介導的小膠質(zhì)細胞極化來減輕膿毒癥誘導的神經(jīng)炎癥［20］。富氫水也可以通過降低Beclin1（B-cell lymphoma-2 interacting protein 1）、Atg7（autophagy related protein 7） 和 LC3β Ⅱ （microtubule-associated protein 1 light chain 3β Ⅱ）的表達，限制ROS 的積累，顯著阻斷心臟肥大的小鼠體內(nèi)β-腎上腺素受體激動劑介導的過度自噬［21］，此外，富氫水還可通過ROS/單磷酸腺苷活化蛋白激酶/線粒體途徑來抑制小鼠自噬，從而改善脂多糖誘導的急性肺損傷［22］。有研究發(fā)現(xiàn)，氫分子可以通過下調(diào)磷脂酰肌醇3-羥基激酶/蛋白激酶B/糖原合酶激酶3β（PI3K/Akt/Gsk3β）途徑，防止腦微血管內(nèi)皮細胞的凋亡，從而導致繼發(fā)性腦損傷程度的降低［23］。叉頭框蛋白O1（Forkhead box O1，F(xiàn)oxO1）可能是一個調(diào)節(jié)自噬的關鍵靶點，富氫水部分地通過抑制FoxO1 介導的自噬來達到神經(jīng)保護作用［24］。多項研究證據(jù)表明，分子氫對自噬的相關水平存在著雙向調(diào)控，但客觀上都對機體產(chǎn)生了正面影響，其保護作用可能因使用劑量或作用受體的不同而產(chǎn)生變化［23］。這一現(xiàn)象的具體機制尚不十分明確，但均表明分子氫可能通過調(diào)節(jié)自噬水平實現(xiàn)對各種疾病的干預。

3 分子氫對氧化應激的影響

氧化應激是機體內(nèi)氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)之間的穩(wěn)態(tài)被破壞而形成的一種應激狀態(tài)。機體處于應激狀態(tài)的原因有很多，其中交感神經(jīng)興奮，兒茶酚胺釋放增加，產(chǎn)生大量的ROS，激活補體系統(tǒng)，可產(chǎn)生多種促炎介質(zhì)（如白三烯、血栓素A2等），并通過上調(diào)NF-κB 信號通路促進炎性因子TNF-α 的合成，進而引發(fā)炎癥反應［25］。核因子NF-E2 相關因子（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）被認為是氧自由基穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子，并支持細胞的功能完整性，而分子氫可能通過激活Nrf2 途徑，促進天然抗氧化劑和減少細胞凋亡以及炎癥［26］。氧化物產(chǎn)生過度或內(nèi)源性抗氧化能力的減弱，都會對機體造成不可逆的損害，而分子氫可以高選擇性地與氧自由基結(jié)合，從而減少機體的代謝紊亂。目前，分子氫作用的主要機制被認為是其信號轉(zhuǎn)導的調(diào)節(jié)、基因表達的改變，以及其選擇性清除自由基的結(jié)果［27］。Oharazawa 等人［28］研究發(fā)現(xiàn)，采用含氫滴眼液可以減少由視網(wǎng)膜缺血而產(chǎn)生的羥自由基，另有研究發(fā)現(xiàn)硅基制劑可以在胰液的作用下與水反應產(chǎn)生大量氫氣，可以有選擇性地清除羥基和過氧亞硝基陰離子，有效降低氧化應激水平，而不影響其他具有生理功能的活性氧類物質(zhì)［29］。

4 分子氫調(diào)節(jié)氧化應激與自噬

氧化應激過程中產(chǎn)生的ROS 被認為是自噬的激活物，能夠參與誘導自噬的啟動，另一方面自噬可作為緩沖系統(tǒng)來控制ROS 的水平，自噬缺陷也會導致氧化應激［30］。在某種程度下，氧化應激與細胞自噬可以看作是一種動態(tài)平衡，自噬受損后會產(chǎn)生過量的ROS，當ROS 不斷積累，細胞啟動過度的自噬，二者間的平衡就會被打破，誘發(fā)一系列的臨床癥狀［31］。諸多的影響因素，包括毒物和促氧化物等，除了可以直接導致線粒體的損傷外，還可以影響自噬體和線粒體的清除，這可能與自噬過程中不同的時間點有關。如果我們使用適當?shù)母深A手段，調(diào)控自噬與氧化應激之間的平衡，可以對組織起到較好的保護和治療作用。而分子氫在二者的平衡系統(tǒng)中具有明顯的調(diào)節(jié)作用，其還原性可以為活性氧補充電子，從而降低ROS 的含量，緩解氧化應激反應，細胞自噬水平也會隨之下降。大量的研究結(jié)果表明，分子氫也可以直接或間接地影響自噬水平，且具有雙向性，當細胞啟動過度且非必要的自噬時，分子氫可以通過抑制各種促凋亡因子的活性，減少不必要的細胞凋亡以及線粒體損傷，達到減少ROS 的目的。而當細胞的自噬水平過低時，分子氫可以誘導自噬的激活，同時自噬又可以作為調(diào)控系統(tǒng)消耗ROS。

5 展 望

分子氫作為一種治療性的氣體，由于其在人體內(nèi)擴散的自由性與高效性，及其具有便于制備，給藥方式多樣的特點，成為了在預防醫(yī)學、治療醫(yī)學、康復醫(yī)學等多個領域的研究熱點。同時，分子氫在人體內(nèi)特殊的代謝產(chǎn)物使其與一般藥物相比優(yōu)勢顯著，有著廣闊的發(fā)展前景。分子氫對于多種疾病的治療效果已得到證實，但在富氫水的治療過程中，是否存在著某些特殊機制尚不明確。此外，由于自噬與氧化應激或者其他的炎癥反應受到多種因素的影響，因此對于分子氫多項研究的差異性仍客觀存在，其在生命體活動中的正負調(diào)控作用需要大量的研究予以支持。我們有理由相信，分子氫未來會作為安全、高效的抗氧化劑，為各種醫(yī)學難題的攻破帶來新的曙光。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突