治療性氣體氫氣作用機制的研究進展

焦曉翠(綜述)，李 英(審校)

(河北醫科大學第三醫院腎內科，河北 石家莊 050051)

·綜 述·

治療性氣體氫氣作用機制的研究進展

焦曉翠(綜述)，李 英*(審校)

(河北醫科大學第三醫院腎內科，河北 石家莊 050051)

氫；治療；作用機制

氫是自然界最簡單也是分布最廣泛的元素，是人體中含量最為豐富的元素之一。當氫氣的濃度達到4%～75%時，極易發生爆炸，但是低濃度的氫氣其實是一種非常穩定的氣體，它只能以非常低的反應速率與氧自由基離子和羥自由基發生反應。由于氫氣是一種分子量極小的氣體，它可以自由并快速地在組織間穿梭，從而加快氫分子與細胞內分子的碰撞，彌補了氫分子低反應速率的缺點。哺乳動物體內的氫氣主要來源于腸道中細菌的分解代謝反應，氫氣可以通過消化系統和呼吸系統排出。氫氣是無色無味的氣體，以前人們認為氫氣不參與體內的生理反應，是一種“惰性”氣體[1]。發表在《Science》上的一篇文章指出，高壓氫氣可通過發揮其抗氧化作用，抑制白化病小鼠皮膚腫瘤的發生[2]。有學者對缺血再灌注導致腦損傷大鼠采用氫氣治療，可以有效地降低大鼠腦組織的氧化應激水平并減輕腦損傷[3]。這一發現引起了全世界的廣泛關注，到目前為止已有400余篇關于氫氣治療的報道，涉及的器官和疾病有十余種，包括各種組織和器官的缺血再灌注、動脈粥樣硬化、神經退行性疾病、視網膜病變等[4-5]。如今，氫氣的生物學作用已經得到了廣泛的關注，關于其發揮作用的具體機制也不再僅僅局限于對毒性氧自由基的清除，其抗氧化、抗炎、抗凋亡以及調節激素活性和miRNA表達的作用也日益受到重視。

1 氫氣的抗氧化作用

氧化應激的發生是因為機體內自由基的產生與清除失衡，從而引起自由基在體內積聚并引起氧化損傷。機體在正常情況下，自由基的產生與清除處于平衡狀態，不會對機體造成損傷，但在炎癥、缺血、器官移植、缺血再灌注、糖尿病等病理情況下，自由基過量產生或者內源性抗氧化能力下降，致使自由基在體內大量聚集，從而對機體造成損傷[6-7]。存在于機體內的自由基包括氧自由基和氮自由基：超氧陰離子、羥自由基和過氧化氫等屬于氧自由基；一氧化氮、二氧化氮和過氧化亞硝酸鹽等屬于氮自由基。并不是所有的自由基都具有非常強的毒性作用，有一部分自由基毒性很弱并具有生物學作用，它們是機體重要的信號分子，如過氧化氫和一氧化氮等。能夠導致機體氧化損傷的自由基一般都具有很強的毒性，如羥自由基和過氧亞硝基陰離子等[8]。 氫氣抗氧化作用的一大優點是氫氣的自由基中和反應具有選擇性，即氫氣可選擇性的中和具有強毒性的自由基，如羥自由基和過氧亞硝基陰離子等，而對具有生理活性作用的自由基并無中和作用。氫氣是一種性質溫和的抗氧化劑，因此在發揮抗氧化作用的同時對機體內部正常的生理反應過程影響極小。而其他強抗氧化物質在清除氧自由基的同時還破壞了機體的內源性氧化還原平衡狀態，從而對機體造成更大的損傷[4]。

繼發現氫氣可以中和急性氧化應激條件下的羥自由基后[3]，又有研究發現含有飽和氫氣的滴眼液可以直接減少視網膜缺血再灌注產生的羥自由基[9]。氫氣可以通過降低氧化應激水平，減少大鼠腦缺血再灌注引起的損傷[10]。這些研究都證明氫氣可以有效地減輕羥自由基產生的氧化損傷。氫氣除了與羥自由基等強氧自由基直接作用發揮抗氧化作用外，還可以通過清除過氧亞硝酸鹽等氮自由基來發揮其抗氧化作用。過氧亞硝酸鹽可以修飾蛋白酪氨酸，從而產生硝基酪氨酸[10]，研究發現氫氣可以通過降低硝基酪氨酸的產生減輕氮自由基對機體的氧化損傷[11-12]。

氫氣除了直接與自由基發生中和反應外，還可以間接地作用于抗氧化系統保護機體免遭氧化應激帶來的損傷。越來越多的研究表明，氫氣可以通過增加抗氧化酶的活性發揮抗氧化作用，這些抗氧化酶包括血紅素氧化酶1(hemeoxygenase-1，HO-1)[13]、超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, SOD)[14]、過氧化氫酶[15]和髓過氧化物酶[16]。研究發現，氫氣可能是通過轉錄因子核因子E2相關因子(muclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)信號通路調控抗氧化酶的活性與表達水平的。Nrf2是體內非常重要的抗氧化應激轉錄因子，其可調控抗氧化酶的表達并影響著機體的氧化應激水平[17]。Kawamura等[18]發現在Nrf2敲低小鼠上，氫氣減緩高氧導致肺損傷的作用是降低的，同時也伴隨著HO-1表達下降。Zhai等[14]發現氫氣可以通過Nrf2的激活增加SOD的活性，從而減輕大鼠大腦的缺血再灌注損傷。吸入氫氣可以減輕溺水造成的兔急性肺損傷，其發生的可能機制為氫氣激活了Nrf2通路，使得抗氧化蛋白Nrf2、HO-1的蛋白和mRNA表達明顯增多[16]。近來的一項研究還表明，2%氫氣可以顯著增加重度膿毒血癥大鼠的生存率，減輕氧化應激和炎癥造成的損傷，增加抗氧化蛋白HO-1和高遷移率族蛋白(high mobility group box-1 protein，HMGB1)的釋放，氫氣發揮保護作用的機制與Nrf2的激活存在著緊密的聯系[15]。

2 氫氣的抗炎作用

炎癥是多種疾病的共同病理過程，炎癥造成機體損傷的機制包括促進免疫系統的過度激活以及炎癥因子的釋放等。近年的多項研究發現，氫分子作為一種無毒且高效的抗氧化劑，還可以減少炎癥因子的生成并增加抗炎因子的釋放，故氫氣可用于治療多種炎癥相關的疾病，如膿毒血癥、缺血再灌注引起的腎損傷、肺損傷等。

Xie等[19]發現氫氣干預可以降低膿毒血癥大鼠病死率及相關器官的炎癥損傷，氫氣可通過核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和Nrf2/HO-1信號通路發揮其抗氧化應激、抗凋亡和抗炎作用。Ishibashi等[20]報道，給予20例類風濕關節炎患者每日飲用富氫水治療4周后，與安慰劑對照組相比，飲用富氫水患者尿8-OHdG水平顯著下降，同時疾病活動性也明顯降低。另外，有研究發現，富氫生理鹽水可以明顯增加SD大鼠腹部缺血再灌注皮瓣的存活率和血流灌注，并證明該治療作用可能與減輕缺血再灌注導致的炎癥反應有關。膿毒血癥和多器官功能衰竭是危重患者死亡的首要原因，吸入氫氣可以顯著改善膿毒癥小鼠的器官損傷并且提高其生存率[21]。研究表明將氫氣溶于血液透析液中可以較好地控制腎衰竭患者的血壓并且顯著降低患者血液中硫酸吲哚酚和單核細胞趨化蛋白1的含量以及髓過氧化物酶的活性[22]。

以上臨床和動物實驗均表明氫氣具有抗炎的藥理作用。在眾多的炎癥動物模型中，氫氣可以通過作用于細胞信號轉導通路和調控基因的表達減少致炎因子的產生，從而發揮抗炎作用[4]。有研究稱在肝移植手術前1 h，吸入2%氫氣可以顯著降低缺血再灌注引起的肝損傷，其可能的機制是激活了核因子NF-κB信號通路，從而降低了促炎因子腫瘤壞死因子α和白細胞介素6的產生[23]。氫分子對呼吸道炎癥的治療作用非常顯著，最近的一項研究發現，氫氣水對豚鼠的過敏性鼻炎病理模型有很好的治療作用，氫分子可以顯著的降低豚鼠體內的炎癥因子白細胞介素4、白細胞介素13的蛋白和mRNA水平[24]。同時，Shi等[25]發現氫氣可以通過減弱c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)的磷酸化以及NF-κB的激活緩解急性壞死性胰腺炎導致的急性肝損傷。富氫水可以有效地降低慢性腎移植動物模型體內的致炎因子水平，并且還可以抑制有絲分裂原激活蛋白激酶信號通路，從而發揮其腎保護作用[12]。有學者研究發現給予膿毒血癥大鼠模型2%的氫氣吸入治療，可以明顯緩解膿毒血癥造成的大鼠肺損傷，同時，氫氣治療還可以降低模型動物體內炎癥因子HMGB1的水平。氫氣發揮這一治療作用的機制可能與Nrf2及其下游分子HO-1的激活相關[26]。綜上所述，氫分子可能是通過激活NF-κB、p38、JNK、AKT等信號通路，減少促炎因子的釋放，增加抗炎因子的生成，從而發揮其抗炎作用的。

3 氫氣的抗凋亡作用

凋亡的發生可以通過線粒體信號通路引起內源性刺激而發生，也可以通過外源性刺激細胞膜表面的死亡受體而發生。但是，無論通過哪條通路均需激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)，故認為凋亡與caspase的激活密切相關。另外，氫氣作為一種小分子氣體，易通過細胞膜等膜性結構，在細胞內發生簡單的化學反應，特異性中和細胞內的氧自由基，保護 DNA、蛋白質等不被自由基破壞，維持正常的線粒體功能，阻止細胞凋亡。有研究報道，長期飲用富氫溶液具有防輻射作用，在人臍靜脈內皮細胞、人小腸上皮細胞、小鼠小腸、心臟內，氫分子不僅可以有效清除輻射產生的毒性自由基還可以調控凋亡相關蛋白的表達，從而降低輻射對這些細胞的傷害[27]。另外，氫氣對神經系統的保護和治療作用與其抗凋亡的特性密切相關。低劑量吸入氫氣能阻斷新生鼠腦缺血和缺氧引起的海馬和皮層神經元細胞的凋亡的數量，降低caspase-3以及caspase-12的活性。富氫水還可以發揮抗凋亡作用從而促進外周神經損傷的修復，低劑量氫水治療有促進軸突再生和神經功能恢復的作用[28]。給予脊髓損傷大鼠模型飽和氫氣生理鹽水腹腔注射，與生理鹽水對照組相比，飽和氫氣生理鹽水可顯著降低脊髓細胞的凋亡，以及caspase-3和caspase-12的表達和活性，同時，富氫生理鹽水還可明顯地促進損傷脊髓的恢復[29]。氫分子可以通過減輕氧化應激、血管損傷、細胞凋亡延緩類固醇引起的骨壞死[30]。氫分子可以減少缺血再灌注后腎臟組織Bax、caspase-3、caspase-9、caspase-8等凋亡相關蛋白的表達，同時也減輕了腎臟組織的凋亡水平[10]。越來越多的研究證明氫氣具有抗凋亡作用，可以顯著減少凋亡相關蛋白的表達如Bax、caspase-3、caspase-9等。但是氫氣是通過激活哪些信號通路實現對這些蛋白表達的調控呢？氫氣是否能夠影響線粒體的結構功能從而干擾細胞的凋亡過程呢？這些問題目前均不是特別清楚，還需要進一步的研究。

4 氫氣的其他作用

氫氣除了具有上述的抗氧化、抗炎以及抗凋亡作用外，還可對機體的激素水平和活性產生影響，從而對一些代謝性疾病發揮治療性作用。氫氣可增加體內脂肪酸和葡萄糖的消耗，降低db/db小鼠肝臟的氧化應激水平及脂肪肝的發生，長期飲用富氫水還可以降低db/db小鼠的血糖、胰島素及三酰甘油水平，提示氫氣可對肥胖、糖尿病、代謝綜合征等代謝相關疾病發揮一定的保護作用[31]。Matsumoto等[32]報道，氫氣可以增加胃腸中生長激素促泌素——gerelin的分泌，發揮神經保護作用，這可能是氫氣治療帕金森病的分子機制之一。雖然，關于氫氣通過影響激素的分泌發揮治療性作用的研究報道相對不多，但是僅有的一些研究也為了解氫氣的治療作用提供了新的思路。

隨著氫氣治療作用研究的逐步深入，學者們開始從基因水平來研究氫氣的作用機制。近年來，氫氣對miRNA表達的調控作用引起了大家的關注。在脂多糖激活的小膠質細胞中，氫氣治療可以上調miR-9、miR-21的mRNA表達，下調 miR-199的mRNA表達。同時，氫氣的應用降低了髓樣分化因子(myeloiddifferentiationfactor88，MyD88)和NF-κB激酶抑制因子(inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase，IKK-β)的蛋白表達，增加了程序性細胞凋亡因子4(programmed cell death 4，PDCD4)的蛋白表達，從而降低了炎癥反應，氫氣的這一特性也解釋了其抗炎作用的可能發生機制[33]。有研究通過對缺血再灌注病理狀態下海馬神經元miRNA表達的分析發現，氫氣可以通過降低與細胞凋亡密切相關的miR-200家族的表達而發揮其對缺血再灌注狀態下機體的保護作用[34]。雖然miRNA能從基因水平改變多種生物學作用相關蛋白的表達，但氫氣的治療作用并不能全部由其對miRNA的調控作用來解釋，氫氣對miRNA調控作用的具體機制還不是特別清楚，仍需要進一步的研究。

5 氫氣治療的前景

與傳統的抗氧化劑相比，氫氣治療具有自身獨特的優點。首先，氫氣體積比較小，具有良好的組織穿透性，可以快速地透過膜屏障而到達作用部位。氫氣的這一特性還決定了它可以到達一些大分子抗氧化劑不能進入的亞細胞器，如線粒體等。線粒體對于氧化磷酸化和眾多代謝反應非常重要，線粒體的呼吸鏈是活性氧的主要來源，故線粒體的功能失調與許多疾病的發病機制密切相關。盡管線粒體的氧化損傷對疾病的發生有著如此重要的作用，但現有的抗氧化物質卻很難到達線粒體發揮其抗氧化的作用。而氫氣可以非常容易地進入線粒體和細胞核來發揮抗氧化作用，這是氫氣這種抗氧化劑具有的獨特優點。其次，氫氣是一種性質溫和且具有生物選擇性的抗氧化物質。這些特性決定了氫氣是一種新型、易取、低毒、有效的抗氧化劑，并具有潛在的臨床應用價值。

6 結 論

氫氣的抗氧化、抗凋亡、抗炎作用已經得到越來越多學者的證明和認可。不僅如此，氫氣的其他作用機制，如對激素的影響以及對miRNA的調控也通過實驗得到了驗證，這為進一步認識氫氣提供了新的可能。將來還需對氫氣發揮作用的具體分子機制進入深入研究，從而為其臨床應用提供更有力的理論依據。由于氫氣取材易、毒性小、成本低，并且治療作用獨特而顯著，使得氫氣有望成為今后治療多種疾病的新手段。

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(本文編輯：趙麗潔)

2017-04-07；

2017-04-20

焦曉翠(1988-)，女，河北石家莊人，河北醫科大學第三醫院醫學博士研究生，從事糖尿病腎病及其發病機制研究。

R916.3

A

1007-3205(2017)08-0979-05

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.08.029

*通訊作者