韓煥芝，陳紅光，謝克亮，于泳浩

氫氣治療疾病的相關(guān)機(jī)制

韓煥芝，陳紅光，謝克亮，于泳浩

氫氣一直被認(rèn)為是生理惰性氣體，但最近發(fā)現(xiàn)氫氣具有治療多種疾病的作用，如缺血再灌注引起的腦、心、肝、肺和腎損傷，神經(jīng)退行性疾病，膿毒癥，糖尿病等。其機(jī)制仍不十分清楚，已知的包括抗氧化、抗炎、抗凋亡和信號(hào)通路調(diào)節(jié)作用。本文將氫氣治療疾病的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行綜述。

氫氣；抗炎；抗氧化；抗凋亡；信號(hào)通路

氫氣在自然界中廣泛分布，是宇宙中最豐富的元素。常溫常壓下，氫氣的溶解度比較低，且不能被機(jī)體大量吸收，因此，人們一直沒(méi)有重視氫在高等生物體內(nèi)的作用。2007年，Ohsawa等[1]報(bào)道，動(dòng)物吸入2%的氫氣可顯著改善腦缺血再灌注損傷，并認(rèn)為其機(jī)制是選擇性清除羥自由基和過(guò)氧亞硝基陰離子。該研究引起廣泛關(guān)注，并引發(fā)氫氣治療疾病的研究熱潮。隨后發(fā)現(xiàn)，氫氣能夠有效治療缺血再灌注引起的心、肝、肺和腎損傷，神經(jīng)退行性疾病，膿毒癥，急性胰腺炎，糖尿病及氧中毒等，并發(fā)現(xiàn)除了抗氧化作用外，氫氣還具有抗炎、抗凋亡及信號(hào)通路調(diào)節(jié)功能，共同介導(dǎo)了氫氣的保護(hù)效應(yīng)。

1 抗氧化作用

1.1 選擇性抗氧化 自由基是含有未成對(duì)電子的原子、原子團(tuán)或分子。生物體內(nèi)自由基類型很多，例如半醌類、氧、碳和氮自由基等，其中研究比較多的是氧自由基和氮自由基。氧自由基包括超氧陰離子、單線態(tài)氧和羥自由基，因過(guò)氧化氫等在生物學(xué)作用上與氧自由基類似，常把氧自由基和過(guò)氧化氫等共稱為活性氧（reactive oxygen species，ROS）。比較重要的氮自由基有一氧化氮和過(guò)氧亞硝基陰離子。通常在病理?xiàng)l件下，如膿毒癥、休克、慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）和缺血再灌注損傷等[2]，免疫細(xì)胞呼吸爆發(fā)釋放大量ROS，在各類氧自由基中，過(guò)氧化氫和一氧化氮等具有非常重要的信號(hào)作用，體內(nèi)存在特異性的清除系統(tǒng)。羥自由基和過(guò)氧亞硝基陰離子在體內(nèi)無(wú)有效的清除系統(tǒng)，毒性作用非常強(qiáng)，是導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷的主要介質(zhì)[1]。因此，尋找具有選擇性清除羥自由基和過(guò)氧亞硝基陰離子的物質(zhì)，是治療各類氧化損傷的有效方法，也是抗氧化治療應(yīng)該選擇的正確思路之一。

Ohsawa等[1]報(bào)道，動(dòng)物呼吸2%的氫氣可有效清除自由基，顯著改善腦缺血再灌注損傷。他們采用化學(xué)方法，在細(xì)胞水平證明，氫氣可選擇性中和羥自由基（hydroxyl free radical，·OH）和過(guò)氧亞硝酸陰離子（peroxynitrite anion，ONOO-）。因此認(rèn)為，氫氣治療腦缺血再灌注損傷的基礎(chǔ)可能是“選擇性抗氧化作用”。但是由于缺乏在體的直接證據(jù)，有關(guān)氫氣的選擇性抗氧化機(jī)制還需進(jìn)一步的研究證實(shí)。

1.2 提高內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)的活性 機(jī)體自身存在著兩類抗氧化系統(tǒng)，一類是酶抗氧化系統(tǒng)，包括超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和過(guò)氧化氫酶（catalase，CAT）等，SOD歧化超氧陰離子生成過(guò)氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2）；CAT催化H2O2分解成氧和水，避免高毒性羥自由基的產(chǎn)生。另一類是非酶抗氧化系統(tǒng)，包括維生素C、維生素E和谷胱甘肽（glutathione，GSH）等，維生素C與維生素E還原超氧陰離子和脂自由基；GSH與NADPH在抗氧化酶的協(xié)同作用下還原H2O2和過(guò)氧化脂質(zhì)等。多種動(dòng)物實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了氫氣可提高抗氧化系統(tǒng)的活性，從而降低氧化應(yīng)激所致的組織損傷。

QIAN等[3]研究氫氣對(duì)小鼠輻射損傷的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)輻射前20 min腹腔注射含飽和氫氣的生理鹽水，可顯著降低動(dòng)物血漿中的丙二醛（Malondialdehyde，MDA）水平和腸組織8-羥基脫氧鳥苷（8-hydroxy-deoxyguanosine，8-OHdG）水平，并提高血漿SOD和GSH的水平。XIE等[4]報(bào)道，于造模后1 h和6 h分別吸入2%的氫氣，可明顯提高中度和重度膿毒癥小鼠的存活率，改善心、肝、肺和腎等損傷。其機(jī)制與提高血清、肝、肺以及腎組織中SOD和CAT活性有關(guān)。因此，推測(cè)氫氣對(duì)膿毒癥和膿毒癥相關(guān)器官損傷的保護(hù)作用與提高抗氧化酶活性有關(guān)。有研究表明，在大鼠深低溫循環(huán)驟停模型再灌注前10min，腹腔注射含飽和氫氣的生理鹽水5mL/kg，對(duì)腦損傷有明顯的保護(hù)效應(yīng)，并顯著提高血清和腦組織中SOD活性[5]。

2 抗炎作用

炎癥反應(yīng)是許多疾病共同的病理過(guò)程，其涉及血管內(nèi)皮細(xì)胞和多種免疫細(xì)胞的激活及大量炎癥因子的釋放，包括白介素-1β（interleukin 1 beta，IL-1β）、白介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-alpha，TNF-α）、單核細(xì)胞趨化因子-1（monocyte chemoattractant protein 1，MCP-1）、高遷移率族蛋白B1（highmobility group box 1，HMGB1)及細(xì)胞間黏附分子-1（intercellular adhesion molecule 1，ICAM-1）等。其中IL-1β、IL-6和TNF-α是介導(dǎo)急性期炎癥反應(yīng)最重要的細(xì)胞因子。HMGB1作為一種晚期炎癥因子，又可進(jìn)一步促進(jìn)炎細(xì)胞的活化和聚集，以及其他炎癥介質(zhì)的生成和釋放，從而引起瀑布式炎癥反應(yīng)。

動(dòng)物吸入2%氫氣，可減輕腸移植物損傷，顯著改善小腸移植術(shù)后胃腸活動(dòng)的延遲，減少移植物肌層和肺組織IL-1 β、IL-6、趨化因子（chemokine ligand 2，CCL2）的mRNA水平，并可減少肺組織中性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)[6]。XIE等[4]的研究也表明，氫氣可降低膿毒癥小鼠血清、肺、肝和腎中HMGB1的水平，減輕炎癥損傷。腹腔注射含飽和氫生理鹽水10mL/kg，可顯著減少心臟局部缺血再灌注所致的心臟梗死面積，降低心臟組織ICAM-1、TNF-α、IL-1β、髓過(guò)氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）水平及中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)[7]。有研究證實(shí)，吸入2%和3%的氫氣均可顯著降低大鼠心臟冷缺血再灌注所致的循環(huán)HMGB1的水平，并可明顯減少肺部中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)[8]。最新的研究還表明，腹腔注射含飽和氫氣的生理鹽水，可降低血清中IL-6，TNF-α水平，對(duì)野百合堿所致的大鼠肺動(dòng)脈高壓具有改善作用[9]。

3 抗凋亡作用

細(xì)胞凋亡主要有兩條凋亡通路，其一為受體介導(dǎo)的死亡信號(hào)通路，主要由外源信號(hào)引起，如Fas/Fasl，TNF-α/相應(yīng)受體等，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)凋亡級(jí)聯(lián)相繼激活，包括半胱氨酸天冬氨酰蛋白酶。另一條通路由線粒體介導(dǎo)，主要由內(nèi)源信號(hào)引起，通過(guò)細(xì)胞色素C的釋放激活caspase-9，引起caspases級(jí)聯(lián)反應(yīng)。細(xì)胞凋亡是許多疾病共同的病理基礎(chǔ)，在疾病的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。有研究表明，吸入氫氣可抑制腦缺血-缺氧所致新生鼠神經(jīng)元的凋亡，減少海馬和皮層TUNEL染色陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)、caspase-3和caspase-12活性，因此，氫氣對(duì)新生鼠腦缺血-缺氧損傷的保護(hù)與抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡相關(guān)[10]。脊髓損傷后即刻、24 h、48 h，腹腔給予含飽和氫氣的生理鹽5 mL/kg，可明顯減少脊髓TUNEL陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)和caspase-3，caspase-12的活性[11]。此外，Shen等[5]通過(guò)大鼠深低溫循環(huán)驟停模型，也證實(shí)了含飽和氫氣的生理鹽水使腦組織凋亡指數(shù)和caspase-3表達(dá)明顯降低。

4 信號(hào)通路調(diào)節(jié)作用

4.1 氫氣與NF-κB 核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）是普遍存在于細(xì)胞漿中的一種快反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子，激活的NF-κB轉(zhuǎn)位入核與靶基因啟動(dòng)子/增強(qiáng)子上的κB位點(diǎn)結(jié)合，調(diào)節(jié)許多靶基因的表達(dá)包括細(xì)胞因子、趨化因子、黏附分子、氧化應(yīng)激相關(guān)酶等。NF-κB信號(hào)通路參與感染、炎癥、細(xì)胞凋亡和腫瘤等病理過(guò)程。有研究表明，在靜脈注射Aβ1-42所致的大鼠阿爾茨海默病(alzheimer disease，AD)模型，連續(xù)腹腔注射含飽和氫氣的生理鹽水富氫鹽水10 d，可顯著降低其腦組織c-Jun氨基末端激酶（C-Jun N-terminal kinase，JNK）和NF-kB水平。并推測(cè)，含飽和氫氣的生理鹽水富氫鹽水減輕大鼠Aβ1-42誘發(fā)的神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激，是通過(guò)降低JNK和NF-κB活性實(shí)現(xiàn)的[12]。有報(bào)道，尾靜脈給予含飽和氫氣的生理鹽水富氫鹽水6 mL/kg，可抑制急性胰腺炎大鼠的NF-kB活性[13]。

4.2 氫氣與細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶 在正常和病理情況下，絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）在細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)鏈中起關(guān)鍵作用，細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶 1/2（extracellular regulated kinase1/2，ERK1/2）是MAPKs家族的一個(gè)重要成員，與細(xì)胞氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)有關(guān)。ERK1/2能被LPS激活，并產(chǎn)生炎癥介質(zhì)如TNF-α、IL-6、NO等炎癥介質(zhì)；抑制ERK1/2能夠有效地減輕器官功能障礙，并能抑制炎癥反應(yīng)。結(jié)扎SD大鼠膽道后，腹腔給予低劑量5 mL/kg和高劑量10 mL/kg的含飽和氫氣的生理鹽水，均可降低肝臟組織中TNF-α和IL-6的水平。通過(guò)蛋白印記和免疫組織化學(xué)技術(shù)證實(shí)，氫氣可顯著抑制ERK1/2的磷酸化，降低其活性，因此推測(cè)，富氫鹽水降低炎癥反應(yīng)的基礎(chǔ)，是干擾了ERK1/2信號(hào)通路[14]。

4.3 氫氣與FcεRI-介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo) 機(jī)體過(guò)敏反應(yīng)在很大程度上依賴于肥大細(xì)胞膜上的特異性受體FcεRI。肥大細(xì)胞膜上交聯(lián)的FcεRI，引發(fā)了下游的一系列信號(hào)事件，并導(dǎo)致脫顆粒，包括細(xì)胞因子及趨化因子產(chǎn)生以及白三烯的釋放。有人用含氫培養(yǎng)基培養(yǎng)大鼠RBL-2H3肥大細(xì)胞4 h后，加入IgE培養(yǎng)24 h，發(fā)現(xiàn)氫氣抑制FcεRI相連的Lyn和其下游分子Syk、PLCγ1、PLCγ2、Akt、ERK1/2、JNK、P38、cPLA2的磷酸化，從而減少肥大細(xì)胞脫顆粒，并指出，在速發(fā)型超敏反應(yīng)中，氫氣的保護(hù)作用不是通過(guò)清除自由基，而是通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)通路，推測(cè)氫氣和NO一樣是一種氣體信號(hào)分子[15]。

5 展望

氫氣具有制備容易、價(jià)格低廉、無(wú)毒、滲透性強(qiáng)、無(wú)殘留等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的臨床應(yīng)用前景。大量實(shí)驗(yàn)表明，氫氣對(duì)多種疾病都具有治療作用，但是其機(jī)制尚不明確。其抗氧化、抗炎、抗凋亡及調(diào)節(jié)信號(hào)通路功能等之間的交叉關(guān)系是怎樣的，氫氣是否是繼NO、CO、H2S之后的第4種氣體信號(hào)分子，其調(diào)節(jié)的信號(hào)通路有哪些？這些都需要進(jìn)一步的研究，為氫氣真正成為一種臨床藥物奠定基礎(chǔ)。

[1]Ohsawa L，Ishikawa M，Takahashi K，et al.Hydrogen acts as a ther?apeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radi?cals[J].NatMed，2007，13（6）:688-694.

[2]Biswal S，Remick DG.Sepsis:redoxmechanisms and therapeutic op?portunities[J].Antioxid Redox Signal，2007，9(11):1959-1961.

[3]Qian L，Cao F，Cui J，et al.Radioprotective effect of hydrogen in cultured cells andmice[J].Free Radic Res，2010，44（3）:275-282.

[4]Xie K，Yu Y，Hou L，et al.Protective Effects of Hydrogen Gas on Murine Polymicrobial Sepsis via Reducing Oxidative Stress and HMGB1 Release[J].Shock，2010，34(1):90-97.

[5]Shen L，Wang L，Liu K，et al.Hydrogen-Rich Saline is Cerebropro?tective in a Rat Model of Deep Hypothermic Circulatory Arrest[J]. Neurochem Res，2011，36(8):1501-1511.

[6]Buchholza BM，Kaczorowski DJ，Sugimoto R，et al.Hydrogen inha?lation ameliorates oxidative stress in transplantation induced intes?tinal graft injury[J].Am JTransplantat，2008，8(10):2015-2024.

[7]Zhang Y，Sun Q，He B，et al.Anti-in fl ammatory effect of hydro?gen-rich saline in a ratmodel of regionalmyocardial ischemia and reperfusion[J].Cardiology，2010，148(1):91-95.

[8]Nakaoa A，Kaczorowski DJ，Wang Y，et al.Amelioration of rat car?diac cold ischemia/reperfusion injury with inhaled hydrogen or car?bon monoxide,or both[J].Heart Lung Transplant，2010，29(5): 544-553.

[9]Wang Y，JingL，Zhao XM，et al.Protective effects of hydrogen-rich saline on monocrotaline-induced pulmonary hypertension in a rat model[J].Respiratory Research，2011，3(12):12-26.

[10]Cai J，Kang Z，Liu WW，et al.Hydrogen therapy reduces apoptosis in neonatal hypoxia ischemia rat model[J].Neurosci Lett，2008，441(2):167-172.

[11]Chen C，Chen Q，Mao Y，et al.Hdrogen-Rich Saline Protects Against Spinal Cord Injury in Rats[J].Neurochem Res，2010，35 (7):1111-1118.

[12]Wang C，Li J，Liu Q，et al.Hydrogen-rich Saline Reduces Oxida?tive Stress and Inflammation by Inhibit of JNK and NF-κB Activa?tion in a Rat Model of Amyloid-beta-induced Alzheimer’s Dis?ease[J].Neurosci Lett，2011，491(2):127-132.

[13]Chen H，Sun YP，Liu WW，et al.Hydrogen-rich saline ameliorates the severity of L-arginine-induced acute pancreatitis.in rats[J]. BBRC，2010，393(2):308-313.

[14]Liu Q，Shen WF，Sun HY，et al.Hydrogen-rich saline protects against liver injury in ratswith obstructive jaundice[J].Liver Int，2010，30(7):958-968.

[15]Tomohiro Itoh，Yasunori Fujita，Mikako Ito，et al.Hdrogen sup?presses FcεRI-mediated signal transduction and prevents degranu?lation ofmast cells[J].BBRC，2009，389(4):651-656.

（收稿：2011-10-20 修回：2011-11-26）

（責(zé)任編輯 余劍波 屈振亮）

Q95-33

A

1007-6948(2012)01-0102-03

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