氫分子在心血管病及其風(fēng)險(xiǎn)因素防控中的作用和分子機(jī)制*

謝云博， 陳 軍， 劉伯言， 王義圍△， 秦樹存△

［1山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）泰山氫生物醫(yī)學(xué)研究院，山東泰安271000；2承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，河北承德067000］

伴隨全球老齡化進(jìn)程的加快，心血管疾病成為威脅包括我國在內(nèi)的全人類健康的首要問題。到2030年，中國的心血管疾病發(fā)生率和死亡率將急劇上升，五分之二的死因與心血管疾病有關(guān)［1］。為實(shí)現(xiàn)我國2030 大健康目標(biāo)和健康老齡化這一國家戰(zhàn)略，必須探索防治心腦血管疾病發(fā)生發(fā)展的新思路和新方法。

氫分子（hydrogen molecule，H2）是無色、無味、分子量最小的氣體分子，具有抗氧化等生物學(xué)效應(yīng)，日益得到廣泛關(guān)注，被譽(yù)為新型醫(yī)學(xué)氣體分子［2］。早在1975 年，Dole 等［3］首次提出 H2可用于治療疾病的概念。他們給患有皮膚鱗狀細(xì)胞癌小鼠使用8 個(gè)大氣壓下含97.5%H2的高壓氫倉進(jìn)行治療，結(jié)果顯示，小鼠腫瘤可明顯消退。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《Science》雜志上。2007 年，Ohsawa 等［4］證明，給小鼠吸入不會(huì)爆炸的安全劑量的2%～4%低濃度的H2也能通過抗氧化作用顯著減少腦缺血再灌注損傷導(dǎo)致的腦梗死。該研究發(fā)表于《Nature Medicine》，引起學(xué)界廣泛關(guān)注。氫生物醫(yī)學(xué)從此進(jìn)入快車道。2020 年，H2應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域取得重要突破，氫氧霧化機(jī)作為三類醫(yī)療器械獲國家藥監(jiān)局批準(zhǔn)上市；同年，國家衛(wèi)生健康委員會(huì)在《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第七版）》和《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第八版）》中均推薦吸入氫氧混合氣（66.6%H2和33.3%O2）作為輔助治療措施。氫生物醫(yī)學(xué)終于走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入臨床應(yīng)用。由于H2在生物學(xué)上比其他氣體分子具有高安全性的優(yōu)勢(shì)，使得H2用于疾病預(yù)防和治療的前景更加廣闊。而且，各種H2供體易于被人體吸收，攝入途徑多種多樣，比如吸入氫氣、飲用富氫水、注射或表面直接使用富氫生理鹽水、進(jìn)行氫水沐浴等［5］。

近百個(gè)人群試驗(yàn)報(bào)告已證明H2對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)［6］、肺［7］、腎［6］、肝［8］、胰腺［9］、腸道［10］等的病理狀態(tài)有一定療效。其中，多項(xiàng)臨床研究和一些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明H2對(duì)心血管疾病及其各種危險(xiǎn)因素具有改善作用，也提出H2在分子水平上的多個(gè)作用機(jī)制假說。

1 H2在心血管病及其危險(xiǎn)因素防治中的作用

1.1 H2對(duì)冠心病的作用 冠心病主要表現(xiàn)為心絞痛、心肌梗死、猝死和慢性心力衰竭。2017年，Katsumata 等［11］在一項(xiàng)前瞻性臨床試驗(yàn)中，對(duì)診斷為 ST 段抬高性心肌梗死的20 名患者給予1.3%H2治療6 個(gè)月。結(jié)果證明，心肌梗死后6 個(gè)月的低濃度H2治療可以促進(jìn)左心室逆向重塑，而且經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療期間的低濃度H2吸入未發(fā)現(xiàn)毒副作用。最新一項(xiàng)臨床試驗(yàn)表明，每天飲用富氫水1～1.2 L，連續(xù)3個(gè)月，可緩解不穩(wěn)定型心絞痛患者的心絞痛癥狀，并可降低血漿總膽固醇（total cholesterol，TC）、低密度脂蛋白膽固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDLC）和載脂蛋白 B（apolipoprotein-B，Apo-B）水平［12］。上述這些人群試驗(yàn)的治療效果皆與H2的抗氧化、抗炎癥和抗凋亡作用有關(guān)。Ohsawa等［13］在膿毒癥小鼠動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，每天給予2%H2吸入2 h，能減輕膿毒癥小鼠的肺損傷?？赡苡捎跍p輕了氧化應(yīng)激和炎癥，同時(shí)減少缺血引起的超氧化物的形成［14］，這一結(jié)論同樣在SMP30/GNL基因敲除小鼠中得到部分證實(shí)［15］。另外一項(xiàng)大鼠實(shí)驗(yàn)表明，飲用富氫水還可顯著改善缺血再灌注后24 h 的心功能參數(shù)，包括左室收縮壓和舒張壓等；該實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明飲用富氫水可以降低心肌缺血/再灌注所致大鼠心臟危險(xiǎn)區(qū)炎癥指標(biāo)，如中性粒細(xì)胞浸潤、3-硝基酪氨酸水平、細(xì)胞間粘附分子1 表達(dá)和髓過氧化物酶活性，同時(shí)降低了心肌缺血/再灌注危險(xiǎn)區(qū)中促炎細(xì)胞因子［腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白細(xì)胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）］水平［16］。另外，飲用富氫水還抑制再灌注誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡［17-18］，并且這些作用主要與激活大鼠心肌組織PI3K/AKT 信號(hào)通路，抑制Bim和caspase-3活性有關(guān)。

1.2 H2對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）的作用 AS 是缺血性心臟病的病理基礎(chǔ)，其發(fā)生和發(fā)展同時(shí)受炎性疾病以及更普遍的慢性病（例如肥胖癥、糖尿病等）的共同影響［19-21］。Ohta 等［22］發(fā)現(xiàn)，給予載脂蛋白 E 基因敲除（apolipoprotein-E gene knockout，apoE-/-）小鼠飲用飽和氫水6 個(gè)月，可以顯著減少其主動(dòng)脈斑塊面積，降低主動(dòng)脈氧化應(yīng)激水平，并減少AS 病變中巨噬細(xì)胞的積累。秦樹存團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，腹腔注射富氫鹽水8 周可顯著抑制正常飲食或高脂食物飼喂的apoE-/-小鼠斑塊發(fā)生發(fā)展，并降低動(dòng)脈壁內(nèi)膜慢性炎癥水平［23］。進(jìn)一步使用低密度脂蛋白受體基因敲除（low-density lipoprotein receptor gene knockout，LDLR-/-）小鼠模型證明，H2通過提高膠原蛋白水平及降低斑塊中巨噬細(xì)胞和脂質(zhì)含量，顯著增強(qiáng)斑塊穩(wěn)定性［24］。Iketani 等［25］向LDLR-/-小鼠喂飼高脂食物13周后導(dǎo)致顯著的AS，他們也發(fā)現(xiàn)這些小鼠持續(xù)飲用富氫水后AS 面積顯著縮小。上述動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，H2可能會(huì)減少AS 性心腦血管事件的發(fā)生率，這一結(jié)論值得在人類臨床試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 H2對(duì)血壓、血脂和血糖的調(diào)節(jié)作用 增高的血壓、血脂和血糖是心血管疾病的主要危險(xiǎn)因素，與肥胖等一起成為代謝綜合征的主要表現(xiàn)。我國有20%～30%的成年人患有代謝綜合征［26］。預(yù)防和控制AS發(fā)生發(fā)展的主要手段是降低血脂、血糖和血壓水平［27-28］。H2已被證明對(duì)血壓、血脂和血糖具有調(diào)節(jié)作用。

1.3.1 H2對(duì)血糖的調(diào)節(jié)作用 糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）與心血管疾病特別是AS 的加重有關(guān)［19］。DM 以高血糖為特征，通常伴有血脂異常；高血糖可導(dǎo)致高血壓、血管炎癥和血栓形成，是AS 的危險(xiǎn)因素［27］。2008年Kajiyama 等［29］在一項(xiàng)隨機(jī)雙盲試驗(yàn)中證實(shí)，DM 患者每天飲用0.9 L 富氫水8 周，可降低血漿LDL-C、尿8-異前列腺素、血漿氧化LDL（oxidized LDL，ox-LDL）和游離脂肪酸的含量，升高血漿脂聯(lián)素和細(xì)胞外超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）水平。這些結(jié)果說明，補(bǔ)充富氫水可能對(duì)2 型DM 和胰島素抵抗有治療作用。值得一提的是，DM經(jīng)典用藥阿卡波糖通過誘導(dǎo)H2來降低外周血白細(xì)胞氧化應(yīng)激和炎癥細(xì)胞因子表達(dá)水平，從而阻止DM并發(fā)癥的發(fā)生［30］。

1.3.2 H2對(duì)血脂的調(diào)節(jié)作用 血漿脂蛋白水平與AS關(guān)系密切。LDL-C和Apo-B-100水平升高與AS心血管事件的風(fēng)險(xiǎn)直接相關(guān)。高密度脂蛋白（highdensity lipoprotein，HDL）水平與AS 心血管事件呈負(fù)相關(guān)［31］。炎癥會(huì)導(dǎo)致血脂和脂蛋白水平的各種變化，最嚴(yán)重的變化是HDL 和Apo-A1水平降低［32］。在一項(xiàng)68 名未經(jīng)治療的單純性高膽固醇血癥患者的雙盲隨機(jī)安慰劑試驗(yàn)中，每天飲用富氫水0.9 L可降低促炎因子和ox-LDL 水平，降低血漿膽固醇水平、氧化應(yīng)激和炎癥狀態(tài)，并可能抑制AS 的發(fā)展［21-22］。2018 年，一項(xiàng)46 人的隨機(jī)安慰劑試驗(yàn)證明，富氫水可降低頸 AS 患者血漿 TC、LDL-C 和 ox-LDL 水平［33］；同時(shí)還可以提升患者的內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量，改善患者的頸動(dòng)脈內(nèi)-中膜厚度［33-34］。2017 年，Ostojic 等［35］對(duì) 10名超重的女性志愿者進(jìn)行了一項(xiàng)雙盲安慰劑對(duì)照試驗(yàn)：志愿者每天服用含有6 ppm H2的膠囊，連續(xù)4周；與安慰劑組比較的結(jié)果顯示，富氫膠囊組體內(nèi)脂肪、血漿甘油三酯和胰島素水平均顯著下降。還有臨床研究證明，飲用富氫水組的血漿TC、LDL-C、Apo-B和Apo-E 水平降低，而血漿 Apo-M 和 SOD 水平及 LDL顆粒中的硫代巴比妥酸活性物質(zhì)含量升高［33，36］，同樣的結(jié)論在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也得到驗(yàn)證［34，37］。2010 年Nakao等［36］在代謝綜合征的人群試驗(yàn)研究同樣發(fā)現(xiàn)，H2可提升血漿 HDL-C 水平，降低 TC/HDL-C 比值。以上結(jié)果表明補(bǔ)充富氫水可改善血脂異常，同時(shí)H2還可緩解代謝綜合征和DM中的脂質(zhì)代謝紊亂［38］。

1.3.3 H2對(duì)血壓的調(diào)節(jié)作用 高血壓可以增加冠心病的患病率［39］，同時(shí)也會(huì)增加人類［39-40］和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物［41-43］AS 的嚴(yán)重程度。有研究證明，氧化應(yīng)激可導(dǎo)致肺動(dòng)脈高壓（pulmonary hypertension，PH）的發(fā)生和發(fā)展［44］，而富氫水因其具有保護(hù)生物大分子免受氧化損傷的能力［45］而改善了PH 的血流動(dòng)力學(xué)，并逆轉(zhuǎn)了右心室肥厚。多項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，腹腔注射富氫生理鹽水對(duì)高血壓疾病有積極的作用［46-49］?？诜粴渌透骨蛔⑸涓粴渖睇}水均可抑制巨噬細(xì)胞聚集、減少氧化應(yīng)激和調(diào)節(jié)STAT3/NFAT 信號(hào)軸，從而減輕大鼠PH 和右心室肥厚，并且改善鹽敏感性高血壓大鼠的左心室功能［50］。

表1 總結(jié)了H2防治心血管疾病及其危險(xiǎn)因素的臨床試驗(yàn)。

2 H2防治心血管病及其危險(xiǎn)因素的作用機(jī)制

H2的細(xì)胞和分子作用機(jī)制是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。H2可能通過以下5 種機(jī)制對(duì)心血管疾病起到防治作用（圖1）。

Figure 1. The possible molecular mechanisms of hydrogen against cardiovascular diseases. FGF-21：fibroblast growth factor-21；FFA：free fatty acids；UCP-1：uncoupling protein-1； VEGF： vascular endothelial growth factor；p-eNOS（Ser1177）：phosphorylated endothelial nitric oxide synthase at serine 1177；LDL：low-density lipoprotein；Apo：apolipoprotein；PON-1： paraoxonase-1； ox-LDL： oxidized LDL；TNF-α：tumor necrosis factor-α；IL：interleukin；IFN-γ：interferon-γ；ICAM-1：intercelluar adhesion molecule-1；PGE2：prostaglandin E2.圖1 氫分子防治心血管疾病可能的分子機(jī)制

2.1 選擇性清除自由基 氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡可能源于并導(dǎo)致細(xì)胞損傷和組織病變。羥自由基幾乎立即與生物分子發(fā)生反應(yīng)，并且是自由基鏈反應(yīng)的主要觸發(fā)因素［51］。一旦鏈反應(yīng)發(fā)生在生物膜上，就會(huì)對(duì)細(xì)胞造成嚴(yán)重?fù)p害，誘發(fā)或加重心血管慢性炎癥病變過程［52］。Ohsawa 等［4］指出，H2具有選擇性抗氧化特性，可特異性中和羥基自由基和直接清除過氧亞硝酸鹽。值得關(guān)注的是H2只清除有害的毒性自由基，而不會(huì)清除具有生理作用的有益自由基。H2的積累可能在脂質(zhì)相中比在水相中更多，特別是在不飽和脂質(zhì)區(qū)域中，這是初始鏈反應(yīng)的主要目標(biāo)［53］。因此，H2可能具有抑制鏈反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，該鏈反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物，并導(dǎo)致產(chǎn)生氧化應(yīng)激標(biāo)志物，如4-羥基-2-烯醛和丙二醛［54］。在動(dòng)物和人群樣本檢測(cè)中均發(fā)現(xiàn)H2干預(yù)可降低8-羥基脫氧鳥苷水平［55-56］。

2.2 抗炎和抗凋亡 大量研究表明H2可以降低促炎癥因素［57］（包括核因子 κB［58］、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-10、IL-12、干擾素 γ、細(xì)胞間黏附分子 1［59］、前列腺素 E2［60］、高遷移率族蛋白B1［61］等）的表達(dá)。凋亡是程序性細(xì)胞死亡的一種形式，H2通過抑制促凋亡因子Bcl-2 相關(guān) X 蛋白（Bcl-2-associated X protein，Bax）、caspase-3、caspase-8 和 caspase-12 的表達(dá)，并上調(diào)抗凋亡因子Bcl-2 來實(shí)現(xiàn)抗凋亡作用［62］。也有研究表明H2可通過未知機(jī)制下調(diào)凋亡細(xì)胞Bax 表達(dá)，并抑制其向線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)［63］。H2還可通過下調(diào)CHOP 表達(dá)抑制ox-LDL 誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞凋亡，其上游機(jī)制可能是通過激活自噬實(shí)現(xiàn)的［64］。

2.3 調(diào)節(jié)糖脂代謝相關(guān)通路 富氫水對(duì)代謝綜合征有顯著的改善作用，主要通過上調(diào)肝細(xì)胞分泌成纖維細(xì)胞生長因子21（fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF-21）并增強(qiáng)脂肪酸和葡萄糖消耗，因?yàn)镠2可激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ）輔激活因子1α（PPARγ coactivator-1α，PGC-1α），隨 后 觸 發(fā)PPARα 通路，導(dǎo)致 FGF-21 上調(diào)，PGC-1α/PPARα/FGF-21 介導(dǎo)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)增強(qiáng)了能量代謝，從而改善脂肪酸代謝和葡萄糖耐受不良［65］。H2利用其抗氧化特性，減輕了活性氧誘導(dǎo)的肥胖小鼠白色脂肪中生物大分子損傷；同時(shí)富氫水在體外抑制Wistar 大鼠腎勻漿中葡萄糖和α，β-二羰基化合物誘導(dǎo)的活性氧產(chǎn)生，從而減少氧化應(yīng)激［66］。H2還可上調(diào)生熱基因解偶聯(lián)蛋白1 和血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)，促進(jìn)肥胖小鼠白色脂肪褐變和棕色脂肪激活，從而延緩心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。另外，飲用富氫水的肥胖小鼠心肌細(xì)胞內(nèi)內(nèi)皮型一氧化氮合酶活化（Ser1177 磷酸化），進(jìn)一步增強(qiáng)了一氧化氮的生物學(xué)活性，導(dǎo)致毛細(xì)血管和小動(dòng)脈顯著擴(kuò)張，進(jìn)而起到保護(hù)心臟、改善心功能的作用。

2.4 改善脂蛋白結(jié)構(gòu)和功能 脂蛋白是血液循環(huán)中大小不等的脂滴，由多種脂質(zhì)和蛋白成分組成。脂蛋白根據(jù)密度大小可分為乳糜微粒、極低密度脂蛋白、LDL 和HDL。HDL 具有許多重要功能，如促進(jìn)膽固醇的逆向運(yùn)輸、降低發(fā)生心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)、減少ox-LDL、抗炎、抗血栓、增加一氧化氮產(chǎn)生、保護(hù)血管等作用［67］。炎性疾病可能會(huì)增加患AS性心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)炎癥會(huì)導(dǎo)致HDL 水平降低和HDL 結(jié)構(gòu)改變。H2可改善 HDL 功能［33］，提高 LDL 抗氧化應(yīng)激及巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的抗炎能力，抑制單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)TNF 的黏附，加強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞的保護(hù)作用，刺激巨噬細(xì)胞膽固醇外流，減少凋亡［34，36］。HDL顆粒成分構(gòu)成相關(guān)蛋白的顯著變化包括血清淀粉樣蛋白A 的增加，以及Apo-AI、卵磷脂膽固醇?；D(zhuǎn)移酶和膽固醇脂轉(zhuǎn)移蛋白的減少。秦樹存團(tuán)隊(duì)通過分離HDL進(jìn)行蛋白組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)H2干預(yù)可影響高脂飲食引起的大鼠HDL 蛋白組成變化，并提高HDL 相關(guān)的對(duì)氧磷酶 1 和脂蛋白磷脂酶 A2 活性［68］，提示 H2可能通過改善HDL 結(jié)構(gòu)成分而保護(hù)HDL 功能。另外，H2還可減少脂蛋白和脂蛋白靶生物膜的氧化修飾：H2作為穿透性極強(qiáng)的小分子抗氧化劑，可以深入病灶，抑制脂蛋白氧化修飾，從而保護(hù)血管動(dòng)態(tài)平衡。

2.5 H2直接調(diào)節(jié)生物酶活性 馬雪梅團(tuán)隊(duì)通過H2減輕農(nóng)藥造成的腦損傷的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，H2對(duì)線粒體有保護(hù)作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)H2對(duì)乙酰膽堿酯酶（acetylcholinesterase，AChE）活性有影響。2014 年，馬雪梅團(tuán)隊(duì)通過研究AChE 與H2的關(guān)系，首次直接證明H2與生物酶的直接作用［69］。而后呂均鴻團(tuán)隊(duì)以胃蛋白酶為研究對(duì)象，采用酶法、原子力顯微鏡和太赫茲時(shí)域光譜進(jìn)一步證明了H2可吸附在疏水活性中心附近，并改變胃蛋白酶的氫鍵，使酶活性中心發(fā)生改變［70］。這是繼Ohta 團(tuán)隊(duì)提出H2與羥自由基和過氧亞硝酸根等毒性自由基直接反應(yīng)的選擇性抗氧化理論［71］后，學(xué)者提出的新的H2直接作用靶點(diǎn)。

3 小結(jié)

H2具有分子量小、穿透性強(qiáng)、無生物毒性等理化生物特性，借助其抗氧化和調(diào)節(jié)生物酶的分子機(jī)制，在心腦血管疾病預(yù)防和治療方面已經(jīng)獲得大量數(shù)據(jù)。但是，H2作為新的健康手段和治療方法仍然存在一些問題，特別是缺乏大規(guī)模隨機(jī)對(duì)照人群試驗(yàn)和不同H2供體、不同使用途徑的量效數(shù)據(jù)。相信隨著氫醫(yī)學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，H2作用機(jī)制的研究將更加深入，從實(shí)驗(yàn)室到臨床的轉(zhuǎn)化將進(jìn)一步加快，更多種類的H2供體也將應(yīng)運(yùn)而生。H2作為心腦血管疾病預(yù)防和治療的新手段新方法具有愈益廣闊的應(yīng)用前景。