氫氣對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療作用的研究進(jìn)展*

肖琦凡，康曼德 綜述，唐 彬，朱宇清 審校

(中日友好醫(yī)院國(guó)際部全科醫(yī)學(xué)科，北京 100191)

氫氣是自然界最簡(jiǎn)單的元素，曾經(jīng)一直被視為惰性氣體。自2007年發(fā)現(xiàn)氫氣可改善腦缺血再灌注損傷以來(lái)，大量的研究開(kāi)始探尋氫氣的治療和保護(hù)作用[1]。至目前已有大量關(guān)于氫氣用于疾病治療的報(bào)道，其療效已在多種疾病模型中得到驗(yàn)證， 包括組織的缺血再灌注[2]、神經(jīng)退行性疾病[3]、動(dòng)脈粥樣硬化、視網(wǎng)膜病變、內(nèi)耳毛細(xì)胞[4]、突觸、半月板損傷等。 氫氣作為一種新型的醫(yī)學(xué)氣體分子，攝入方式包括吸入、口服、靜脈注射等，其安全性亦得到驗(yàn)證。本文就氫氣作為藥物在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮作用的機(jī)制及應(yīng)用前景進(jìn)行闡述，為臨床應(yīng)用提供依據(jù)支持。

1 氧化應(yīng)激在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

大腦本身相對(duì)于其他器官而言，有著高水平的氧氣消耗，卻有著較低的抗氧化水平，因此，特別容易受到氧化應(yīng)激的影響。氧化應(yīng)激會(huì)使海馬神經(jīng)元損傷，從而影響認(rèn)知功能和學(xué)習(xí)能力[5]。保持氧化還原的穩(wěn)態(tài)是維持大腦正常功能的關(guān)鍵[6]。氧化應(yīng)激-炎性因子中一個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄因子就是細(xì)胞核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2,Nrf2)[7]。Nrf2是細(xì)胞抗氧化防御機(jī)制的主要調(diào)控因子，它通過(guò)與抗氧化應(yīng)答元件(antioxidant response element,ARE)結(jié)合，調(diào)節(jié)多種抗氧化或解毒酶的表達(dá)?？寡趸瘧?yīng)激信號(hào)通路的失調(diào)可引起炎性反應(yīng)，Nrf2的激活將刺激Ⅱ相解毒酶基因和抗氧化酶基因的表達(dá)上調(diào)，誘導(dǎo)Ⅱ相解毒酶的表達(dá)增加，其中包括血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、NADPH氧化還原酶1(NADH oxidoreductase 1,NQO1)、谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase,GST)等。而Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein 1,Keap1)對(duì)Nrf2進(jìn)行負(fù)調(diào)控，也參與到這個(gè)信號(hào)通路中。

Nrf2的下游產(chǎn)物如HO-1、SOD具有免疫調(diào)節(jié)和抗炎作用，其免疫調(diào)節(jié)功能的發(fā)揮主要是通過(guò)抑制巨噬細(xì)胞活性、膽綠素還原酶和一氧化碳的產(chǎn)生，以及促炎膽紅素的降解。Nrf2可通過(guò)HO-1選擇性抑制細(xì)胞因子，如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-10的上調(diào)，調(diào)控趨化因子、環(huán)氧化酵素2型、一氧化氮合成酶等的表達(dá)，從而介導(dǎo)炎癥的發(fā)展。炎性因子可破壞血腦屏障進(jìn)入中樞，進(jìn)一步導(dǎo)致中樞神經(jīng)炎癥。IL-1β和IL-6是啟動(dòng)機(jī)體炎性反應(yīng)的細(xì)胞因子，可觸發(fā)下游炎性瀑布反應(yīng)。IL-1β激活淋巴細(xì)胞后，誘導(dǎo)其他炎性因子的釋放[8],最終導(dǎo)致神經(jīng)元的炎性損傷。因此，Keap1/Nrf2/ARE通路是細(xì)胞抗氧化防御系統(tǒng)的核心參與者，介導(dǎo)200多種抗氧化、解毒和藥物運(yùn)輸相關(guān)蛋白的轉(zhuǎn)錄激活，維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)[9]。Nrf2的抗氧化應(yīng)激在大腦發(fā)揮著積極的作用。

2 氫氣的選擇性抗氧化作用

選擇性抗氧化作用是氫氣最根本的作用，當(dāng)前氫氣的臨床應(yīng)用也主要基于此特性。氫氣可中和機(jī)體氧化應(yīng)激反應(yīng)中產(chǎn)生的氧自由基，并選擇性中和過(guò)氧亞硝基陰離子、羥自由基等高活躍性自由基，從而發(fā)揮有效的抗氧化作用。氧化應(yīng)激損傷主要由活性氧(reactive oxygen species，ROS)引起，游離自由基-OH和ON是具有細(xì)胞毒性的ROS[10]，而氫氣可針對(duì)性降低此二種細(xì)胞毒性ROS的水平[11]。炎性反應(yīng)貫穿于多種神經(jīng)疾病發(fā)生、發(fā)展的始終，其瀑布級(jí)聯(lián)反應(yīng)涉及免疫細(xì)胞的激活和炎性因子的釋放。多項(xiàng)臨床研究證實(shí)氫氣可通過(guò)下調(diào)促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-6和高速率族蛋白-1的水平[12]，上調(diào)抗炎細(xì)胞因子IL-10的表達(dá)，以及降低趨化因子角質(zhì)形成細(xì)胞、巨噬細(xì)胞炎性因子-1α、巨噬細(xì)胞炎性因子-2和單核細(xì)胞趨化蛋白-1的水平，從而發(fā)揮抗炎作用[13]。氫氣能夠有效地穿過(guò)生物膜，到達(dá)線粒體及細(xì)胞核層面[14]，并易穿透血腦屏障。滕娜等[14]采用兔溺水模型造成急性肺損傷，發(fā)現(xiàn)氫氣吸入可激活Nrf2信號(hào)通路，增加血清中miRNA、OH-1蛋白、Nrf2下游抗氧化蛋白產(chǎn)物的表達(dá)水平，從而減輕肺損傷，提示氫氣的抗氧化機(jī)制可能與激活Nrf2通路關(guān)系密切[15-16]。綜合以上研究結(jié)論，氫氣發(fā)揮抗炎作用可能是通過(guò)激活氧化應(yīng)激通路，增加抗炎因子表達(dá)，并抑制促炎因子釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前發(fā)現(xiàn)與氫氣發(fā)揮抗氧化作用有關(guān)的包括Nrf2/HO-1、核因子-κB、Rho[17]等在內(nèi)的多條信號(hào)通路，但其中涉及的具體靶向分子尚未完全明確，亦可能存在未知的基因和信號(hào)通路，因此尚需深入研究。

3 氫氣對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療作用

3.1 氫氣對(duì)神經(jīng)退行性病變的改善作用

氫氣以其小分子、易通過(guò)血腦屏障、選擇性抗氧化的特點(diǎn)，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。氧化應(yīng)激被廣泛認(rèn)為是導(dǎo)致神經(jīng)退行性變(nurodegenerative diseases，NDD)的原因之一，包括癡呆和帕金森病。應(yīng)激反應(yīng)可引起機(jī)體氧化損傷，抑制海馬神經(jīng)元的再生，從而進(jìn)一步破壞學(xué)習(xí)和認(rèn)知功能。具有抗氧化應(yīng)激作用的信號(hào)通路是機(jī)體防御神經(jīng)退行性疾病的主要保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)為治療神經(jīng)退行性疾病提供了干預(yù)靶點(diǎn)。TAN等[18]發(fā)現(xiàn)氫氣改善阿爾茨海默病的機(jī)制主要是通過(guò)抗炎、抗氧化應(yīng)激、抗凋亡、調(diào)節(jié)自噬及激活激素信號(hào)通路等途徑。氫氣通過(guò)減輕神經(jīng)元的炎性損傷來(lái)減慢阿爾茨海默病的病情發(fā)展并改善預(yù)后。

3.2 氫氣對(duì)急性認(rèn)知功能障礙的改善作用

術(shù)后譫妄是手術(shù)患者常見(jiàn)的急性認(rèn)知功能障礙，可導(dǎo)致圍術(shù)期死亡率的上升、住院時(shí)間延長(zhǎng)及醫(yī)療費(fèi)用的增加[19]。比較譫妄和未發(fā)生譫妄的手術(shù)患者發(fā)現(xiàn),兩者的抗氧化基因表達(dá)譜并不相同，因此，血清中多個(gè)免疫因子水平也存在差異[9]。有研究發(fā)現(xiàn)，譫妄患者腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞活性增高，IL-6水平增加[20]，進(jìn)一步證明了譫妄的炎癥機(jī)制。該學(xué)者還發(fā)現(xiàn)與非譫妄患者相比，譫妄患者IL-6和IL-8水平的變化有差異，兩者具有不同的時(shí)相表現(xiàn)，IL-6水平在譫妄發(fā)生時(shí)增高，而IL-8水平增高發(fā)生在譫妄前；與低活動(dòng)型譫妄患者相比，高活動(dòng)型或混合型譫妄患者具有較高的IL-6水平。提示炎性細(xì)胞因子可能參與促進(jìn)神經(jīng)元損傷，促使譫妄的發(fā)生。XIN等[21]研究揭示吸入高濃度氫氣可抑制大鼠術(shù)后炎性反應(yīng)，減輕神經(jīng)元凋亡，從而改善術(shù)后急性認(rèn)知功能障礙。KIYOMI等[3]研究發(fā)現(xiàn)向肝切除術(shù)后少量腹腔內(nèi)注射富氫生理鹽水可減輕術(shù)后急性認(rèn)知功能障礙。劉剛等[22]研究證實(shí)，氫氧2∶1吸入可降低老年患者骨折術(shù)后譫妄的發(fā)生率。氫氣改善急性認(rèn)知功能障礙的機(jī)制可能與調(diào)控炎性反應(yīng)和改善氧化應(yīng)激狀態(tài)有關(guān)[6]。

3.3 氫氣對(duì)腦動(dòng)脈粥樣硬化的干預(yù)作用

氧化應(yīng)激與動(dòng)脈粥樣硬化的形成和發(fā)展密切相關(guān)。被氧化的低密度脂蛋白在動(dòng)脈粥樣硬化中起推動(dòng)作用，可能通過(guò)結(jié)合細(xì)胞表面的低密度脂蛋白受體(lectin-like oxidized LDL receptor-1,LOX-1)來(lái)促使內(nèi)皮功能障礙。炎性細(xì)胞因子TNF-α可上調(diào)LOX-1的表達(dá)。氫氣治療降低斑塊血清被氧化的低密度脂蛋白膽固醇水平，同時(shí)抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，減少主動(dòng)脈ROS積累[23]，其機(jī)制可能與Nrf2的激活相關(guān)。氫氣亦被發(fā)現(xiàn)有調(diào)節(jié)血脂水平的作用。已有研究發(fā)現(xiàn)，氫氣吸入可能通過(guò)影響代謝綜合征大鼠模型的一般狀態(tài)、脂質(zhì)代謝參數(shù)來(lái)發(fā)揮保護(hù)作用[24]。

3.4 氫氣對(duì)缺血再灌注損傷的保護(hù)作用

氧化應(yīng)激是腦缺血再灌注所致神經(jīng)元損傷的主要原因。氧化應(yīng)激反應(yīng)中產(chǎn)生的ROS在缺血再灌注損傷的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中起到關(guān)鍵作用[25]。高活躍自由基可通過(guò)誘導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化、細(xì)胞核內(nèi)DNA修飾和蛋白質(zhì)變性等多種途徑導(dǎo)致神經(jīng)元壞死，也可通過(guò)損傷線粒體途徑致細(xì)胞色素C(cytochrome C，CytC)釋放，激活下游通路中多種蛋白導(dǎo)致細(xì)胞核內(nèi)DNA損傷[26]。氫氣可選擇性中和游離的羥自由基、過(guò)氧亞硝基陰離子等毒性自由基，從而減輕腦缺血再灌注損傷[27]。譚永星等[28]對(duì)全腦缺血再灌注后的大鼠吸入高濃度氫氣進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)其水迷宮試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于對(duì)照組，海馬CA1區(qū)神經(jīng)元核蛋白(NeuN)陽(yáng)性細(xì)胞計(jì)數(shù)亦有明顯差異，提示氫氣對(duì)缺血再灌注后的海馬體神經(jīng)元具有保護(hù)作用，可改善大鼠的認(rèn)知能力，其機(jī)制可能與氫氣減少再灌注氧化應(yīng)激損傷，進(jìn)而保護(hù)神經(jīng)元的剩余功能等有關(guān)。

3.5 氫氣對(duì)外傷性腦損傷的治療作用

外傷性腦損傷是導(dǎo)致年輕患者功能障礙甚至死亡的重要原因。外傷后的神經(jīng)系統(tǒng)氧化應(yīng)激和免疫炎性反應(yīng)是加重?fù)p傷的主要病理機(jī)制。免疫炎性反應(yīng)啟動(dòng)后，可產(chǎn)生鈣離子內(nèi)流、線粒體障礙等一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，引起損傷加重。王躍振等[29]采用吸入高濃度氫氣的方式對(duì)創(chuàng)傷性腦損傷大鼠進(jìn)行干預(yù)，結(jié)果顯示干預(yù)組神經(jīng)元損傷減輕，促凋亡蛋白bax、半胱氨酸蛋白酶-3及氧化應(yīng)激相關(guān)蛋白髓過(guò)氧化物酶、HO-1水平明顯降低，抗凋亡蛋白bcl-2水平明顯升高。

氫氣對(duì)腦彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury，DAI)亦具有改善作用。DAI與傳統(tǒng)的外傷性腦損傷定義不同，以廣泛性軸索損傷為主要病理變化。DAI的病理機(jī)制目前尚不完全清楚，但免疫炎性反應(yīng)在其中的作用是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)研究者通過(guò)腹腔注射氫水對(duì)DAI大鼠模型進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)干預(yù)組較對(duì)照組的腦組織形態(tài)學(xué)有明顯改善，膠質(zhì)纖維酸性蛋白陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)目減少，IL-6、IL-1β和磷酸化的c-Jun氨基末端激酶(p-JNK)表達(dá)水平均較對(duì)照組降低[30]。提示免疫炎性反應(yīng)推動(dòng)了DAI后的病理生理過(guò)程，星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化和炎性因子的大量釋放導(dǎo)致DAI后腦組織損傷的進(jìn)行性加重，而氫氣作為抗氧化劑通過(guò)抑制上述病理生理機(jī)制從而改善DAI急性期腦損傷，亦使對(duì)DAI預(yù)后的改善成為可能。

4 小 結(jié)

氫氣作為一種安全有效的治療氣體，在疾病治療方面有巨大的潛在優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。氫氣以其小分子、易擴(kuò)散的特點(diǎn)，可在神經(jīng)元線粒體、細(xì)胞核及其亞結(jié)構(gòu)水平發(fā)揮作用。基于其選擇性抗氧化應(yīng)激的特性，可改善神經(jīng)退行性疾病、腦缺血再灌注損傷、動(dòng)脈粥樣硬化及外傷后的免疫炎性反應(yīng)等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的進(jìn)展。但仍有潛在機(jī)制及應(yīng)用范疇未能揭曉，因此，需要進(jìn)一步的臨床和基礎(chǔ)研究，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供新的方式。