氫氣在眼科疾病中的應(yīng)用進(jìn)展

姚璐，齊林嵩

(空軍特色醫(yī)學(xué)中心眼科，北京 100142)

眼是最為重要的人類感覺器官，人類大腦中大約80%的記憶和知識信息通過其獲得，但多種眼科疾病，如糖尿病視網(wǎng)膜病變、白內(nèi)障、化學(xué)燒傷、視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury，IRI)及光損傷會影響眼部接受外界信息的能力[1]。研究已表明，上述疾病的發(fā)生和發(fā)展均與過度的氧化應(yīng)激密切相關(guān)，抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)和清除過量的活性氧可能會產(chǎn)生預(yù)防和治療效果[2]。目前已有多種物質(zhì)在眼部病理學(xué)中被用作活性氧清除劑，從而增強(qiáng)細(xì)胞和組織對氧化損傷的保護(hù)[3-4]。然而，Ohta[5]指出，盡管抗氧化損傷具有重要的臨床意義，但常用抗氧化劑的治療效果有限。較低的膜通透性和較高的毒副作用等會阻礙這些外源性清除劑的治療效能。2007年，日本學(xué)者首先報道分子狀態(tài)的氫氣具有選擇性自由基清除作用[6]。此后，氫氣參與的動物疾病研究及臨床試驗逐漸增多，特別是在氧化應(yīng)激主要介導(dǎo)的一些疾病方面，包括新生兒腦缺氧、帕金森病、移植誘導(dǎo)的腸移植物損傷、認(rèn)知缺陷、炎性疾病、代謝綜合征、2型糖尿病以及腦、肝、心肌、腸和腎的IRI[7]。氫氣具有許多潛在的抗氧化優(yōu)點，如擴(kuò)散迅速、選擇性清除活性氧等，使其展現(xiàn)出強(qiáng)大的生物學(xué)效應(yīng)。在眼科醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，氫氣被廣泛應(yīng)用于疾病的預(yù)防和治療，在角膜堿燒傷[8]、干眼[9]、白內(nèi)障[10]及超聲乳化手術(shù)[11]、視網(wǎng)膜IRI[12]、視網(wǎng)膜光損傷[13]等方面均有顯著的保護(hù)性作用?，F(xiàn)對氫氣在治療眼科動物模型和臨床疾病方面的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 氫氣的概述

氫是宇宙中最豐富的元素，構(gòu)成近75%的宇宙質(zhì)量。然而，氫在地球上多是以單原子形式存在于水和有機(jī)或無機(jī)化合物中。氫分子是最小的氣體分子，由兩個質(zhì)子和兩個電子組成。氫氣是一種無色、無味、無臭的高度可燃性氣體。當(dāng)濃度達(dá)到4%～75%時，可發(fā)生快速連鎖反應(yīng)而引起爆炸。但在化學(xué)方面，氫氣是一種性質(zhì)穩(wěn)定的氣體，能以很低的反應(yīng)速率與羥自由基(·OH)和過氧亞硝酸陰離子在水中發(fā)生反應(yīng)[6]。氫氣作為一種小分子很容易從體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)逸出，且與其他分子的碰撞率很高，這可有效彌補(bǔ)其反應(yīng)速率低的缺點[14]。氫氣不易溶于水，在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓室溫下，100%飽和的氫水僅含有0.8 mmol/L的氫氣，并且其可迅速穿透玻璃或塑料壁的任何容器，只有鋁容器能夠保留氫氣稍長一段時間。

1995年，氫氣第一次在人體應(yīng)用，用于治療深海潛水導(dǎo)致的高壓神經(jīng)綜合征，此項應(yīng)用是利用氫氣減少深海環(huán)境下氮氣毒性和呼吸阻力[15]。Gharib等[16]利用氫氣自由基清除活性的研究顯示，將血吸蟲病相關(guān)慢性肝炎模型小鼠置于充有70%氫氣的容器中，2周后其肝纖維化程度減弱，血流動力學(xué)狀況改善，一氧化氮合酶Ⅱ和抗氧化酶活性提高，脂質(zhì)過氧化物水平以及循環(huán)血中腫瘤壞死因子-α水平降低。Ohsawa等[6]對腦缺血再灌注大鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，吸入氫氣可以有效抑制缺血再灌注造成的腦損傷，證實溶解在液體中的氫氣可選擇性地中和過氧亞硝酸陰離子和·OH，兩者被認(rèn)為是造成氧化應(yīng)激損傷的重要介質(zhì)，證實氫氣具有抗氧化損傷特性，并通過減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)緩沖由缺血再灌注造成的腦損傷。氫氣的抗炎、抗凋亡、抗變態(tài)反應(yīng)等作用逐漸被國內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用[1,6,17-18]。近年來，氫氣作為一種新型抗氧化劑在臨床疾病和動物模型中廣泛應(yīng)用和研究[2,19-20]。

1.1氫氣可迅速擴(kuò)散到靶器官發(fā)揮作用 線粒體呼吸鏈?zhǔn)腔钚匝醯囊粋€主要來源，并可造成過度的氧化損傷。防治線粒體損傷是目前臨床研究的重點，但許多常用抗氧化劑的療效仍不顯著，這可能與其不能輕易穿透屏障及被線粒體選擇性利用有關(guān)[21]。氫氣可輕易地穿透生物膜并擴(kuò)散到細(xì)胞器內(nèi)，以保證自身在細(xì)胞體內(nèi)的良好分布，其可有效到達(dá)線粒體和細(xì)胞核等靶細(xì)胞器，故在防治與環(huán)境因素相關(guān)的疾病(癌癥)及老化等異常方面有很好的效果[6]。此外，對各種組織內(nèi)氫氣濃度的監(jiān)測證實，氫氣的小分子性使其可以輕易穿透血腦屏障[22]。

1.2氫氣能夠選擇性清除活性氧 一些低濃度活性氧(如超氧陰離子自由基和一氧化氮)在體內(nèi)作為功能信號分子有特殊生物學(xué)效應(yīng)，如調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、增殖和分化[23-24]。然而，很多強(qiáng)抗氧化劑不僅可清除過量的活性氧，還可清除具有信號分子功能的活性氧。如一氧化氮是血管擴(kuò)張必不可少的神經(jīng)遞質(zhì)[25]；較高濃度的過氧化氫可通過髓過氧化物酶轉(zhuǎn)化為次氯酸，以抵御細(xì)菌的入侵[26]。一些強(qiáng)抗氧化劑可能對這些必要的防御機(jī)制產(chǎn)生干擾，而氫氣可選擇性地清除·OH，而不清除具有生物功能的一氧化氮、超氧陰離子自由基和過氧化氫[6]，可見，與其他抗氧化劑相比，氫氣對機(jī)體的影響非常小。

1.3氫氣的無毒性有利于吸入治療 較高濃度的氫氣亦沒有毒性，因此在給藥方式(如采用吸入治療)的選擇方面具有更多優(yōu)勢[18,27]。繼高壓氫氣與氮氣以混合形式用于預(yù)防深潛水造成的減壓病和動脈血栓之后，吸入高濃度氫氣的安全標(biāo)準(zhǔn)開始逐漸確立[28]，其對人體作用的安全性也已逐漸被證明[9]。

2 氫氣在眼科的應(yīng)用

2.1抑制角膜堿燒傷后角膜新生血管(corneal neovascularization，CNV)生成 角膜的透明性是良好視力的必要條件之一，其自身無血管生長，營養(yǎng)來自角膜緣周邊的血管網(wǎng)。然而，多種因素(如化學(xué)燒傷、炎癥、過敏)可導(dǎo)致毛細(xì)血管由角膜緣向中央生長，即CNV[29]。CNV組織較脆弱，易出血及繼發(fā)纖維化，引起角膜透明度降低，進(jìn)而導(dǎo)致視力顯著下降甚至致盲。溫舒和楊煒[8]在氫氧化鈉溶液誘導(dǎo)角膜堿燒傷大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，造模3 d空白組CNV增生，14 d達(dá)角膜中央，富氫水點眼治療組3 d、7 d、14 d的CNV面積明顯小于空白組，且治療14 d時，CNV面積顯著小于妥布霉素地塞米松點眼對照組，說明氫氣對堿燒傷誘導(dǎo)的CNV有顯著抑制作用；該研究還發(fā)現(xiàn)，治療組角膜組織的色素上皮衍生因子信使RNA水平明顯高于對照組和空白組，房水中腫瘤壞死因子-α水平明顯降低，提示氫氣可能通過調(diào)控炎癥因子腫瘤壞死因子-α，繼而提高色素上皮衍生因子表達(dá)水平，從而抑制CNV。Kubota等[30]研究發(fā)現(xiàn)，過量活性氧是小鼠角膜堿燒傷導(dǎo)致CNV的重要原因，應(yīng)用富氫水點眼后可顯著降低組織活性氧含量，下調(diào)核因子κB的活性和血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)，進(jìn)而抑制CNV。Cejka等[31]的研究證實了氫氣在新西蘭白兔角膜堿燒傷治療中的作用，富氫水治療組的角膜透明度較磷酸鹽緩沖液治療組明顯改善，且治療組角膜組織的促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1β及氧化應(yīng)激產(chǎn)物丙二醛水平顯著下降。綜上，氫氣有望成為臨床治療化學(xué)燒傷誘導(dǎo)CNV的一種潛在方法，其抗氧化和抗炎作用可能是其發(fā)揮治療作用的重要機(jī)制。氫氣與傳統(tǒng)治療藥物聯(lián)合使用或合成制劑可能是目前臨床試驗和應(yīng)用的一種新嘗試。

2.2穩(wěn)定淚膜 干眼是常見的眼表疾病，其中淚液分泌量及質(zhì)量對視覺功能的穩(wěn)定起重要作用。過度的氧化應(yīng)激和眼表炎癥反應(yīng)與干眼發(fā)生密切相關(guān)[32-33]。在一項東莨菪堿誘導(dǎo)的大鼠干眼模型研究中，應(yīng)用富氫生理鹽水點眼或腹腔注射均可顯著增加大鼠的淚液分泌量和淚膜破裂時間，降低角膜上皮熒光素鈉染色評分，說明氫氣對干眼后體征的緩解有積極作用[34]。Kawashima等[9]的隨機(jī)雙盲對照研究發(fā)現(xiàn)，飲用促進(jìn)腸道產(chǎn)氫的牛奶3周后，干眼患者呼出氣體中氫氣的濃度較空白組明顯升高，提示該方法能夠提高體內(nèi)氫氣的濃度；此外，該方法可顯著改善使用視頻終端人群的干眼癥狀，且產(chǎn)氫組的淚膜破裂時間顯著長于空白組，同時產(chǎn)氫組中45歲以下女性淚液中8-羥基脫氧鳥苷水平顯著降低，且呼出氣體的氫氣濃度與淚液中8-羥基脫氧鳥苷濃度呈負(fù)相關(guān)，與淚膜破裂時間呈正相關(guān)，提示氫氣可能通過降低過度的氧化應(yīng)激反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定淚膜的作用。以上研究為臨床治療干眼提供了新的策略，也為臨床研究提供了一種新的氫氣應(yīng)用方式。

2.3抑制白內(nèi)障形成 白內(nèi)障是常見的致盲原因，70歲以上人群的患病率達(dá)80%以上，嚴(yán)重影響視覺功能和生活質(zhì)量[35]。過度的氧化應(yīng)激反應(yīng)是白內(nèi)障形成的危險因素之一，活性氧可參與晶狀體蛋白質(zhì)的氧化、交聯(lián)和聚集，膜脂過氧化以及晶狀體上皮細(xì)胞的凋亡等一系列生化反應(yīng)[36]。Yang等[10]在亞硒酸鹽誘導(dǎo)的大鼠白內(nèi)障模型中發(fā)現(xiàn)，腹腔注射富氫生理鹽水可顯著減輕晶狀體混濁程度，并顯著上調(diào)抗氧化酶(超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等)的表達(dá)，提高還原性谷胱甘肽和總巰基含量，減少丙二醛生成，提示氫氣可通過調(diào)控抗氧化相關(guān)分子的表達(dá)抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而抑制晶狀體混濁的進(jìn)程。但在白內(nèi)障相關(guān)的臨床研究和試驗中，開始應(yīng)用氫氣的時間以及最安全且有效的給藥途徑仍值得進(jìn)一步研究和探討。

2.4減輕白內(nèi)障術(shù)后角膜損傷 超聲乳化吸除聯(lián)合人工晶體植入是目前絕大多數(shù)白內(nèi)障人群的手術(shù)方式[37]。然而，成熟期的硬核白內(nèi)障往往需要更高的超聲能量，后者可能引起角膜內(nèi)皮組織的損傷[38]。過度的角膜內(nèi)皮損傷可導(dǎo)致角膜水腫，甚至導(dǎo)致大泡性角膜病。有研究報道，白內(nèi)障術(shù)后內(nèi)皮損傷所導(dǎo)致的大泡性角膜病是穿透性角膜移植手術(shù)的常見原因[39]。高強(qiáng)度的超聲能量在水溶液中可增加·OH的產(chǎn)生，導(dǎo)致角膜內(nèi)皮的氧化損傷[40]。Igarashi等[41]的研究發(fā)現(xiàn)，使用富氫眼內(nèi)灌注液可顯著降低日本白兔眼超聲乳化后角膜水腫的程度；此外，富氫眼內(nèi)灌注液組氧化應(yīng)激標(biāo)志物8-羥基脫氧鳥苷和4-羥基壬烯醛水平顯著降低，提示氫氣通過抑制超聲乳化后過度的氧化應(yīng)激反應(yīng)對角膜內(nèi)皮起到保護(hù)作用。一項單中心前瞻性隨機(jī)雙盲臨床試驗中，32例接受雙眼白內(nèi)障超聲乳化手術(shù)患者均行一眼富氫眼內(nèi)灌注液治療，另一眼傳統(tǒng)灌注液治療，結(jié)果顯示，術(shù)后1 d、1周、3周富氫眼內(nèi)灌注液治療眼的角膜內(nèi)皮細(xì)胞密度減少率顯著低于傳統(tǒng)灌注液治療眼，且兩眼術(shù)后視力、眼壓、前房深度等差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，說明氫氣可減輕超聲乳化術(shù)引起的角膜內(nèi)皮損傷，且對術(shù)后視功能恢復(fù)無明顯副作用[11]?？梢姡瑢τ谛g(shù)中角膜內(nèi)皮損傷高風(fēng)險人群，超聲乳化術(shù)中應(yīng)用富氫灌注液是降低損傷的一種潛在方法，但富氫眼內(nèi)灌注液的制備、儲存和應(yīng)用指南仍需進(jìn)一步探討和規(guī)范。

2.5減輕視網(wǎng)膜IRI IRI涉及多種疾病的發(fā)生發(fā)展，也是器官移植、心胸外科等領(lǐng)域亟待解決的難題[42-43]。視網(wǎng)膜的IRI會導(dǎo)致視網(wǎng)膜細(xì)胞的死亡和凋亡，引起視覺功能障礙[44]。這些改變在一些臨床眼病中，如視網(wǎng)膜動脈阻塞、急性閉角型青光眼等，對視網(wǎng)膜造成的損傷往往難以逆轉(zhuǎn)，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重視力障礙和失明[45]。氧化應(yīng)激損傷在IRI早期階段即出現(xiàn)，·OH的過量產(chǎn)生被認(rèn)為是視網(wǎng)膜損傷的重要原因[46]。Oharazawa等[12]在一過性眼壓升高誘導(dǎo)的大鼠視網(wǎng)膜IRI模型的研究中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用富氫生理鹽水點眼可顯著下調(diào)視網(wǎng)膜·OH的含量，減少8-羥基脫氧鳥苷和4-羥基壬烯醛的生成，抑制視網(wǎng)膜細(xì)胞的凋亡和視網(wǎng)膜厚度的變薄，且這種作用效果隨富氫生理鹽水濃度的升高而增強(qiáng)。Liu等[47]也通過腹腔注射富氫生理鹽水在大鼠視網(wǎng)膜IRI模型中證實了氫氣的神經(jīng)保護(hù)作用，富氫生理鹽水可顯著抑制視網(wǎng)膜IRI導(dǎo)致的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的減少，并可顯著抑制聚ADP核糖聚合酶1的過度活化，提示氫氣可能通過下調(diào)ADP核糖聚合酶1的活性，抑制DNA的氧化應(yīng)激損傷和細(xì)胞凋亡。以上研究均提示，氫氣通過降低IRI引起的氧化應(yīng)激損傷，起到保護(hù)視網(wǎng)膜正常形態(tài)和功能的關(guān)鍵作用。由此可見，在視網(wǎng)膜動脈阻塞、缺血性視神經(jīng)病變的治療期聯(lián)合使用氫氣，可能會改善視力的預(yù)后，進(jìn)而提升患者的視覺功能。并進(jìn)一步探討氫氣的給藥途徑，吸入氫氣理論上可以短時間內(nèi)達(dá)到很高濃度，但如何保證用藥途徑的安全性是目前臨床應(yīng)用的難題。

2.6抑制視網(wǎng)膜光損傷 強(qiáng)光暴露會導(dǎo)致視網(wǎng)膜感光細(xì)胞退變，視網(wǎng)膜光損傷的動物模型在病理上也可在一定程度上模擬年齡相關(guān)性黃斑變性引起的視網(wǎng)膜感光細(xì)胞退變和色素上皮細(xì)胞失功能。氧化應(yīng)激損傷與年齡相關(guān)性黃斑變性及光誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜損傷密切相關(guān)，抗氧化劑的應(yīng)用具有明顯的治療作用[48]。Tian等[49]在白光誘導(dǎo)的大鼠視網(wǎng)膜光損傷模型中發(fā)現(xiàn)，腹腔注射富氫生理鹽水能夠顯著抑制光誘導(dǎo)所致的視網(wǎng)膜外核層細(xì)胞數(shù)的減少。Feng等[50]在藍(lán)光誘導(dǎo)的大鼠視網(wǎng)膜光損傷模型中同樣證實了氫氣的上述作用，并發(fā)現(xiàn)氫氣可明顯降低視網(wǎng)膜丙二醛水平。另有研究證實，腹腔注射富氫生理鹽水對白光誘導(dǎo)的大鼠視網(wǎng)膜光損傷模型視網(wǎng)膜細(xì)胞有保護(hù)作用，同時視網(wǎng)膜光損傷可下調(diào)視網(wǎng)膜沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1，SIRT1)信使RNA及蛋白的表達(dá)，而富氫生理鹽水的干預(yù)能夠顯著抑制光誘導(dǎo)的SIRT1下調(diào)，并可通過上調(diào)抗氧化酶(如超氧化物歧化酶和過氧化氫酶)及清除過多的氧化應(yīng)激產(chǎn)物(丙二醛)減輕光損傷誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)；此外，富氫生理鹽水還可通過抑制B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2/B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2相關(guān)X蛋白-胱天蛋白酶3介導(dǎo)的凋亡途徑，減輕視網(wǎng)膜感光細(xì)胞退變并維持視網(wǎng)膜外核層的厚度；應(yīng)用抑制劑和干擾小RNA下調(diào)SIRT1表達(dá)阻斷了富氫生理鹽水的視網(wǎng)膜保護(hù)作用，提示氫氣可能通過SIRT1介導(dǎo)其抗氧化應(yīng)激反應(yīng)并抑制細(xì)胞凋亡，從而達(dá)到抑制視網(wǎng)膜急性光損傷的目的[13]。另有研究表明，氫氣能夠通過抗氧化和抗凋亡減輕光誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜損傷，SIRT1可能是其體內(nèi)作用的一個靶點[51-52]。這也為一些與色素上皮細(xì)胞異常相關(guān)的臨床病變(如年齡相關(guān)性黃斑變性、急性區(qū)域性隱匿性外層視網(wǎng)膜病變)的預(yù)防和治療提供了新的嘗試。

2.7其他保護(hù)作用 在大鼠視神經(jīng)鉗夾傷模型中，腹腔注射富氫生理鹽水可顯著抑制視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的減少[53]，也可改善損傷后閃光視覺誘發(fā)電位P1波的潛伏期和振幅[54]。在谷氨酸興奮毒性誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜損傷豚鼠模型中應(yīng)用富氫生理鹽水發(fā)現(xiàn)，其可顯著抑制視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的減少，增加視網(wǎng)膜厚度[55]。腹腔注射富氫生理鹽水可顯著抑制鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病大鼠視網(wǎng)膜電圖振幅值的降低，上調(diào)突觸小泡蛋白和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子表達(dá)，保護(hù)與糖尿病相關(guān)的血-視網(wǎng)膜屏障功能[56]。在高氧誘導(dǎo)視網(wǎng)膜新生血管小鼠模型中，富氫生理鹽水可顯著縮小視網(wǎng)膜血管無灌注區(qū)，下調(diào)血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)，從而抑制視網(wǎng)膜新生血管產(chǎn)生[57]。

3 小 結(jié)

過量活性氧的產(chǎn)生與眼部疾病和損傷關(guān)系密切，清除活性氧具有減輕或治療疾病的作用[58]。氫氣是一種潛在的抗氧化劑，可以選擇性地清除·OH和過氧亞硝酸陰離子，從而在病變或損傷過程中發(fā)揮治療作用[59-60]。氫氣在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用有多種方式，如吸入氫氣、飲用富氫水、富氫生理鹽水點眼等，且不良反應(yīng)罕見[61-62]。氫氣改善眼部疾病和損傷的有效性和安全性已得到一系列實驗證實，但其臨床應(yīng)用仍需要進(jìn)一步驗證。未來應(yīng)積極努力建立明確的氫氣療法用藥指南，并確定其臨床適應(yīng)證。