林賢豐，趙晨晨，金可可

（溫州醫(yī)科大學(xué) 病理生理學(xué)教研室，浙江 溫州 325035）

2007年，Ohsawa等[1]通過建立大鼠腦缺血再灌注模型，首次發(fā)現(xiàn)氫氣具有選擇性中和氧自由基的功能。在抗氧化作用的基礎(chǔ)上有學(xué)者提出氫氣可能在緩解炎癥反應(yīng)、抑制癌細(xì)胞生長、減輕電離輻射損傷等方面有一定作用[2-4]。本綜述對氫氣分子的四大生物學(xué)作用機(jī)制進(jìn)行了歸納整理，以期全面系統(tǒng)地認(rèn)識氫氣的生物學(xué)機(jī)制。

1 氫氣傳統(tǒng)的生物學(xué)應(yīng)用

氫是世界上分子量最小、最豐富的元素，約占整個宇宙質(zhì)量的90%。氫氣是一種無色無味的雙原子氣體，氫氣密度小，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下密度僅為0.0899 g/L，難溶于水，比熱大，擴(kuò)散速度快。氫氣的化學(xué)性質(zhì)活潑，無毒無害，具有可燃性。氫氣還具備一定的還原性，能與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，但其還原能力較弱。

氫氣作為潛水呼吸的遞質(zhì)性氣體，具有資源豐富、價格低廉、呼吸阻力小等特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是中等深度或大深度潛水的理想遞質(zhì)，廣泛運(yùn)用于潛水領(lǐng)域。人們發(fā)現(xiàn)氫氣在體內(nèi)可由腸道細(xì)菌發(fā)酵代謝產(chǎn)生，當(dāng)胃腸道功能障礙時，由于過多的碳水化合物未經(jīng)吸收就到達(dá)結(jié)腸，使腸道細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫增加，進(jìn)入血液的氫氣可經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)到達(dá)肺部呼出。有學(xué)者通過檢查患者呼出氣體中氫氣濃度的變化來檢測胃腸道功能，首次建立了氫呼氣試驗(yàn)（hydrogen breath test，HBT）[5]。HBT作為一種無創(chuàng)性的胃腸動力檢測方法可運(yùn)用于乳糖（蔗糖）吸收不良、小腸細(xì)菌過度生長、胃排空障礙、小腸傳遞時間等一系列胃腸道功能狀態(tài)的判斷。此外，氫氣可以有效地抑制高壓神經(jīng)綜合征（high pressure nervous syndrome，HPNS），高壓氫氣還具有麻醉作用[6]。

2 氫氣現(xiàn)代的生物學(xué)應(yīng)用

2.1 氫氣的抗氧化作用 自由基是含有未成對電子的原子、原子團(tuán)或分子，包括·OH、O2-等，他們是維持正常生命所必需的物質(zhì)，自由基反應(yīng)是能量代謝的基礎(chǔ)，部分自由基還是細(xì)胞內(nèi)重要信號分子，也是生物大分子、細(xì)胞的危險殺手[7]。正常生理狀態(tài)下，體內(nèi)自由基不斷產(chǎn)生又不斷被清除，達(dá)到一個動態(tài)平衡。當(dāng)氧化反應(yīng)增強(qiáng)和/或抗氧化能力受損時，氧化還原反應(yīng)的動態(tài)平衡遭到破壞而向著有利于氧化損傷的方向發(fā)展，即產(chǎn)生氧化應(yīng)激（oxidative stress，OS）。氧自由基（reactive oxygen species，ROS）占體內(nèi)自由基的絕大多數(shù)，可導(dǎo)致脂質(zhì)、蛋白、DNA和RNA的氧化損傷，引起致生理機(jī)能紊亂和細(xì)胞形態(tài)的損害。

近幾年國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)氫氣可作為一種還原性氣體參與中和體內(nèi)的氧自由基，并且選擇性中和·OH、ONOO-，而不影響其他介導(dǎo)正常生理過程的ROS，如O2-、H2O2等。Ohsawa等[1]通過建立因缺血-再灌注（ischemiareperfusion，I/R）而引起強(qiáng)烈氧化應(yīng)激的腦部損傷大鼠模型，讓實(shí)驗(yàn)鼠吸入2%的氫氣，結(jié)果顯示腦部氧化應(yīng)激水平顯著降低，I/R損傷得到緩解。該項(xiàng)研究證明氫氣可中和體內(nèi)毒性大的氧自由基如·OH和ONOO-，而對其他氧自由基沒有影響。因此認(rèn)為，選擇性抗氧化作用是氫氣治療腦I/R損傷的基礎(chǔ)。Fukuda等[8]通過夾閉肝左葉和左中葉血供，建立大鼠肝I/R模型，吸入1%～4%的含氫氣體，發(fā)現(xiàn)氫氣可以有效抑制肝細(xì)胞凋亡，同時檢測到血清中谷丙轉(zhuǎn)氨酶和丙二醛（malondialdehyde，MDA）均有所下降。繼氫氣在腦、肝臟缺血再灌注研究之后，Hayashida等[9]將離體心臟放入100%氫氣的環(huán)境中40 min，結(jié)果表明氫氣可以迅速擴(kuò)散到缺血心肌中，減小心肌梗死壞死的面積，從而防止有害的心室重構(gòu)，促進(jìn)心室功能的恢復(fù)。此后又有腸[10]、肺[11]、睪丸[12]等I/R模型出現(xiàn)，這些實(shí)驗(yàn)均在一定程度上證明氫氣的抗氧化效應(yīng)。

近年來越來越多的研究提示氫氣在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病上可能具有一定效果。Fu等[13]通過紋狀體內(nèi)注射6-OHDA建立帕金森大鼠模型，立體定位前后分別給予半飽和富氫水，觀察大鼠帕金森病是否得到改善。結(jié)果顯示，氫氣可減少多巴胺能細(xì)胞的損失。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，氫氣是緩解6-OHDA引起的氧化應(yīng)激損傷來保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元，而不是直接與6-OHDA起作用。Li等[14]通過腦室內(nèi)注射β樣淀粉蛋白建立大鼠阿爾茨海默病模型，連續(xù)腹腔注射氫水14 d，觀察腦組織氧化應(yīng)激情況，結(jié)果顯示MDA、IL-6和TNF-α指標(biāo)顯著下降，同時水迷宮測試證明大鼠記憶、運(yùn)動功能明顯改善。Oharazawa等[15]在其他神經(jīng)損傷方面也做了嘗試，研究者在眼球表面滴飽和含氫水，可緩解視網(wǎng)膜損傷引起的脂質(zhì)過氧化和DNA的氧化反應(yīng)，而且能夠抑制炎癥細(xì)胞的激活。

氫氣在抗氧化的同時還可減少細(xì)胞凋亡。Ge等[16]在I/R大鼠模型腦室內(nèi)注射2%的氫氣，運(yùn)用TUNEL染色，發(fā)現(xiàn)凋亡的神經(jīng)細(xì)胞明顯減少，皮質(zhì)和海馬中的caspase-3和caspase-12活性明顯下降，這表明氫氣可以通過抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡發(fā)揮保護(hù)腦的作用。另外，研究證明氫氣還可以減少聽神經(jīng)和視網(wǎng)膜神經(jīng)的凋亡[17-18]。

2.2 氫氣的抗感染作用 清除ROS被認(rèn)為是緩解炎癥反應(yīng)最根本的方法[19]。與其他抗氧化的物質(zhì)相比，氫氣能夠輕易通過細(xì)胞膜和細(xì)胞器膜，到達(dá)所需部位進(jìn)行還原反應(yīng)，有選擇性地清除ROS。同時由于其本身性質(zhì)不活潑，因此不會造成機(jī)體生理功能的損傷和新陳代謝的紊亂[1]。與其他的抗氧化劑相比，氫氣還能顯著地降低脂質(zhì)過氧化作用[20]。

Gharib等[21]證明呼吸8個大氣壓高壓氫氣可治療肝血吸蟲感染引起的炎癥反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氫氣能降低肝纖維化，改善血流動力學(xué)，增加一氧化氮合酶II（NOSII）及抗氧化酶活性，降低脂質(zhì)過氧化物濃度，降低血漿中TNF-α水平。該實(shí)驗(yàn)首次證明氫氣具有抗感染作用，并提出氫氣與羥自由基直接反應(yīng)是治療炎癥損傷的基礎(chǔ)。Buchholz等[20]在小腸移植手術(shù)中給予捐獻(xiàn)者和受捐者氫氣治療，以減輕手術(shù)造成的胃腸運(yùn)動遲緩和空腸肌肉循環(huán)性收縮的衰竭，并通過測定炎癥遞質(zhì)，如CCL2、IL-1b、IL-6以及TNF-α含量觀察氫氣的治療效果，結(jié)果表明上述炎癥遞質(zhì)明顯減少。另外，在給予氫氣治療的患者肺組織中發(fā)現(xiàn)：炎癥性的rnRNA電磁反應(yīng)顯著降低，并且中性粒細(xì)胞增殖減弱。Zhang等[22]的局部心肌I/R大鼠模型，以是否在實(shí)驗(yàn)大鼠喂養(yǎng)的鹽水中添加氫氣為變量設(shè)置對照組，通過測定炎癥反應(yīng)、梗死面積，心肌功能，得出氫氣能夠減輕局部心肌I/R損傷的結(jié)論。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氫氣能夠通過緩解由I/R引起的ICAM-1濃度增加，抑制炎癥細(xì)胞活性，減少白細(xì)胞與受損心肌層的黏附從而減少心肌損傷，并通過降低炎癥反應(yīng)中的重要因子ONOO-的含量以減輕炎癥反應(yīng)。同時，經(jīng)過氫氣治療的大鼠體內(nèi)TNF-α、IL-1b和MPO的濃度以及多核中性粒細(xì)胞數(shù)量降低，達(dá)到了減緩炎癥反應(yīng)的作用。

2.3 氫氣的抗腫瘤作用 腫瘤細(xì)胞較正常細(xì)胞可產(chǎn)生更多的活性氧，預(yù)示細(xì)胞的增殖、DNA的合成以及血管生成等，并且氧自由基作為第二信使在細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)中扮演重要角色，可誘導(dǎo)和維持癌細(xì)胞的致癌能力。

氫氣作為一種抗氧化劑具備選擇性中和氧自由基的功能，其在治療腫瘤疾病方面的潛力引起了醫(yī)學(xué)界的關(guān)注。Dole等[23]建立了患有鱗狀細(xì)胞癌的白化無毛小鼠模型，實(shí)驗(yàn)將小鼠暴露在由2.5%的氫氣和97.5%的氧氣組成（氣體總壓相當(dāng)于8個大氣壓強(qiáng)）的混合氣體中長達(dá)2周，用以觀察氫氣是否能作為一種自由基衰退催化劑緩解皮膚腫瘤，事實(shí)證明氫氣具備該功能。Saitoh等[3]用由微孔氣體鼓泡制備的富氫水輔以由0.003～1 ppm的白金和PVP聚合物組成的白金納米膠體（platinum nano colloid，Ptnc），觀察兩者結(jié)合對治療舌癌的影響。結(jié)果顯示，富氫水結(jié)合Pt-nc能降低人體舌上皮惡性腫瘤細(xì)胞形成速率和腫瘤細(xì)胞群的大小，其作用效果優(yōu)于單獨(dú)運(yùn)用富氫水、Ptnc或者PVP聚合物。此外，實(shí)驗(yàn)還證明富氫水結(jié)合Pt-nc可通過抑制細(xì)胞線粒體功能、減少細(xì)胞數(shù)量而達(dá)到抑制肝星狀細(xì)胞-4高密度細(xì)胞群的效果。

2.4 氫氣的抗輻射作用 研究表明，輻射生物損傷的根本原因是自由基，但輻射引起的自由基與身體自身產(chǎn)生自由基的方式是不同的，核輻射具有電離、激發(fā)等特性，使被照射物質(zhì)的原子、分子產(chǎn)生自由基。自由基增加引起各種生物化學(xué)反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)67%的DNA和細(xì)胞脂質(zhì)的損傷由自由基引起的致電輻射誘導(dǎo)形成，此外自由基還破壞谷胱甘肽和酶等內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)的平衡。研究者根據(jù)氫氣具備選擇性抗氧化功能，推測其能作為一種抗輻射劑對抗自由基引起的致電輻射。

Liu等[4]根據(jù)氫氣具有選擇性抗氧化作用結(jié)合輻射損傷的基本原理是輻射引起的自由基損傷這一結(jié)論，提出氫氣可以治療各種急性輻射并發(fā)癥的假說。Qian等[24]通過設(shè)置富含氫氣緩沖劑培養(yǎng)的細(xì)胞與正常細(xì)胞兩個組對照，觀察輻射后細(xì)胞發(fā)生的各項(xiàng)生理指標(biāo)變化。結(jié)果顯示經(jīng)富含氫氣緩沖劑培養(yǎng)的細(xì)胞較未經(jīng)處理的細(xì)胞具有更強(qiáng)的存活能力，乳酸脫氫酶的滲出低且相對正常細(xì)胞的凋亡壞死率低，同時實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氫氣處理的緩沖劑能夠改善機(jī)體內(nèi)生抗氧化系統(tǒng)，還可以明顯降低因輻射而導(dǎo)致的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)和核DNA氧化。Qian等[25]還在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中證明氫氣具有保護(hù)電離輻射損傷的心肌細(xì)胞功能。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氫可以降低心肌MDA和8-羥基脫氧鳥苷的含量，增加心肌內(nèi)源性抗氧化劑，從而保護(hù)心肌免受輻射引起的損傷。

3 氫氣的未來展望

目前氫氣作為一種特異性的抗氧化劑被廣泛的運(yùn)用于各種疾病模型的研究，其抗氧化、抗感染、抗腫瘤及防止輻射損傷等一系列生物學(xué)效益漸漸得到證實(shí)[26]。然而目前對于氫氣的分子層面研究還相對較少，氫氣特異性作用于哪些細(xì)胞內(nèi)靶位點(diǎn)還不清楚。而且最近有學(xué)者指出氫氣的這一系列生物學(xué)效益可能并不是其抗氧化作用，而是作為一種細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)分子特異性作用于某些信號通路[27]。

氧化應(yīng)激反應(yīng)是許多疾病的共同發(fā)病機(jī)制，氫氣作為抗氧化劑被廣泛的用于治療缺血再灌注、炎癥、慢性疼痛等病理改變，在心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)均有大量的有關(guān)這些方面的動物模型研究，而當(dāng)前臨床研究[26，28]甚少。所以需要更多的臨床試驗(yàn)以便探索氫氣合適的給藥時機(jī)、方式、劑量及藥物療效等，相信大規(guī)模的臨床試驗(yàn)研究將對進(jìn)一步明確氫氣的生物學(xué)效應(yīng)及其機(jī)制具有重要的意義。

[1]Ohsawa I, Ishikawa M, Takahashi K, et al. Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals[J]. Nat Med, 2007, 13(6): 688-694.

[2]Kajiya M, Silva MJ, Sato K, et al. Hydrogen mediates suppression of colon infl ammation induced by dextran sodium sulfate[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2009, 386(1):11-15.

[3]Saitoh Y, Yoshimura Y, Nakano K, et al. Platinum nanocolloid-supplemented hydrogendissolved water inhibits growth of human tongue carcinoma cells preferentially over normal cells[J]. Exp Oncol, 2009, 31(3): 156-162.

[4]Liu C, Cui J, Sun Q, et al. Hydrogen therapy may be an effective and specific novel treatment for acute radiation syndrome[J]. Med Hypotheses, 2010, 74(1): 145-146.

[5]馮雯, 范一宏. 氫呼氣試驗(yàn)在胃腸疾病診斷中的應(yīng)用[J].國際消化病雜志, 2010, 30(5): 270-272.

[6]Rostain JC, Balon N. Recent neurochemical basis of in ert gas narcosis and pressure effects[J]. Undersea Hyperb Med, 2006, 33(3): 197-204.

[7]孫學(xué)軍. 氫氣的選擇性抗氧化[J]. 生物物理學(xué)報(bào), 2009,25(S1): 123-124.

[8]Fukuda K, Asoh S, Ishikawa M, et al. Inhalation of hydrogengas suppresses hepatic injury caused by ischemia/reperfusion through reducing oxidative stress[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2007, 361(3): 670-674.

[9]Hayashida K, Sano M, Ohsawa I, et al. Inhalation of hydrogen gas reduces infarct size in the rat model of myocardial ischemia-reperfusion injury[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2008, 373(1): 30-35.

[10]Zheng X, Mao Y, Cai J, et al. Hydrogen-rich saline protects against intestinal ischemia/reperfusion injury in rats[J]. Free Radic Res, 2009, 43(5): 478-484.

[11]Li H, Zhou R, Liu J, et al. Hydrogen-rich saline attenuates lung ischemia-reperfusion injury in rabbits[J]. J Surg Res,2012, 174(1): e11-e16.

[12]Lee JW, Kim JI, Lee YA, et al. Inhaled hydrogen gas therapy for prevention of testicular ischemia/reperfusion injury in rats[J]. J Pediatr Surg, 2012, 47(4): 736-742.

[13]Fu Y, Ito M, Fujita Y, et al. Molecular hydrogen is protective against 6-hydroxydopamine-induced nigrostriatal degeneration in a rat model of Parkinson抯 disease[J]. Neurosci Lett, 2009, 453(2): 81-85.

[14]Li J, Wang C, Zhang JH, et al. Hydrogen-rich saline improves memory function in a rat model of amyloid-betainduced Alzheimer's disease by reduction of oxidative stress[J]. Brain Res, 2010, 1328: 152-161.

[15]Oharazawa H, Igarashi T, Yokota T, et al. Protection of the retina by rapid diffusion of hydrogen: administration of hydrogen-loaded eye drops in retinal ischemia-reperfusion injury[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2010, 51(1): 487-492.

[16]Ge P, Zhao J, Li S, et al. Inhalation of hydrogen gas attenuates cognitive impairment in transient cerebral ischemia via inhibition of oxidative stress[J]. Neurol Res, 2012, 34(2):187-194.

[17]Qu J, Gan YN, Xie KL, et al. Inhalation of hydrogen gas attenuates ouabain-induced auditory neuropathy in gerbils[J]. Acta Pharmacol Sin, 2012, 33(4): 445-451.

[18]Xiao X, Cai J, Xu J, et al. Protective effects of hydrogen saline on diabetic retinopathy in a streptozotocin-induced diabetic rat model[J]. J Ocul Pharmacol Ther, 2012; 28(1):76-82.

[19]Maher P, Salgado KF, Zivin JA, et al. A novel approach to screening for new neuroprotective compounds for the treatment of stroke[J]. Brain Res, 2007, 1173: 117-125.

[20]Buchholz BM, Kaczorowski DJ, Sugimoto R, et al. Hydrogen inhalation ameliorates oxidative stress in transplantation induced intestinal graft injury[J]. Am J Transplant,2008, 8(10): 2015-2024.

[21]Gharib B, Hanna S, Abdallahi OM, et al. Anti-infl ammatory properties of molecular hydrogen: investigation on parasite-induced liver infl ammation[J]. C R Acad Sci III, 2001,324(8): 719-724.

[22]Zhang Y, Sun Q, He B, et al. Anti-inflammatory effect of hydrogen-rich saline in a rat model of regional myocardial ischemia and reperfusion[J]. Int J Cardiol, 2011, 148(1):91-95.

[23]Dole M, Wilson FR, Fife WP. Hyperbaric hydrogen therapy:a possible treatment for cancer[J]. Science, 1975, 190(4210):152-154.

[24]Qian L, Li BL, Cao F, et al. Hydrogen-rich PBS protects cultured human cells from ionizing radiation-induced cellular damage[J]. Nuclear Technology and Radiation Protection, 2010, 25(1): 23-29.

[25]Qian L, Cao F, Cui J, et al. The potential cardioprotective effects of hydrogen in irradiated mice[J]. J Radiat Res, 2010,51(6): 741-747.

[26]Huang CS, Kawamura T, Toyoda Y, et al. Recent advances in hydrogen research as a therapeutic medical gas[J]. Free Radic Res, 2010, 44(9): 971-982.

[27]Itoh T, Fujita Y, Ito M, et al. Molecular hydrogen suppresses FcepsilonRI-mediated signal transduction and prevents degranulation of mast cells[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2009, 389(4): 651-656.

[28]Nakayama M, Nakano H, Hamada H, et al. A novel bioactive haemodialysis system using dissolved dihydrogen (H2)produced by water electrolysis: a clinical trial[J]. Nephrol Dial Transplant, 2010, 25(9): 3026-3033.