氫在代謝性疾病中的應用及其研究進展

呂朝陽（綜述） 張 堯 何順梅 于明香（審校）

（復旦大學附屬中山醫院內分泌科 上海 200032）

氫在代謝性疾病中的應用及其研究進展

呂朝陽（綜述） 張 堯 何順梅 于明香△（審校）

（復旦大學附屬中山醫院內分泌科 上海 200032）

氧化應激和炎癥參與多種疾病的病理過程，包括代謝性疾病，如糖尿病、脂代謝紊亂、代謝綜合征、肥胖和動脈粥樣硬化等。目前多數抗氧化及抗炎藥物劑量窗較窄、毒性較大，因此臨床需要一種更加有效、安全的抗氧化應激及抗炎藥物。近期大量研究提示氫分子具有選擇性抗氧化及抗炎作用，對多種缺血再灌注損傷、炎癥、神經疾病、消化疾病及代謝性疾病的動物模型均有很好的效果，提示氫分子有作為臨床治療代謝性疾病藥物的潛能。本文綜述了最新的相關研究并對未來研究方向作了展望。

氫；代謝性疾病；氧化應激；炎癥

代謝性疾病是常見的、多因素參與的慢性疾病，包括糖尿病、脂代謝紊亂、代謝綜合征、肥胖和動脈粥樣硬化等，主要臨床結果為心血管疾病。近年來，代謝性疾病發病率和死亡率急劇升高，已成為備受關注的公共健康問題。業已證明，代謝性疾病發生和進展的病理過程與氧化應激和炎癥密切相關。氫是自然界最簡單的元素，但由于其在水中溶解度很低，一直被生物學家認為是生理性惰性氣體。但近期發現氫分子在抗氧化應激及抗炎方面有獨特優勢，具有預防和治療多種疾病的潛能，包括代謝性疾病。本文就氫分子醫學及其在代謝性疾病領域的應用進行綜述。

氫分子介紹氫氣是一種無色無味的氣體，在標準狀況下，氫氣的密度為0.0899g/L，是自然界中密度最小的氣體，具有可燃性及一定的還原性。在哺乳動物體內，內源性氫分子是由未消化的食物在腸道厭氧菌的作用下發酵產生的，隨后進入血液循環，到達肺部后隨呼吸排出［1］，但氫氣在水中的溶解度比較低，與血紅蛋白的結合力遠小于氧氣，不能被人體大量吸收，因此一直未引起研究人員的重視。2007年，Ohsawa等［2］報道氫氣可選擇性降低細胞毒性氧自由基活性，從而有效保護細胞，此研究標志著氫分子治療疾病研究熱潮的開始。

氫分子的抗氧化應激及抗炎作用

氫分子的抗氧化應激作用 氧化應激是由體內過量的活性氧（reactive oxidant species，ROS）和自由基產生的，如超氧基、過氧化氫（H2O2）和羥基（OH-）等，可導致體內核酸、脂肪和蛋白質等細胞組分的破壞。氧化應激在缺血再灌注損傷（ischemia reperfusion injury，I/R）中起重要作用。氫分子可保護動物模型大腦、心肌、肝臟、小腸、視網膜、腎臟免于I/R。氫分子改善缺血再灌注引起的氧化應激損傷的原因可能是其對毒性活性氧及自由基的清除。生物化學研究發現氫分子可減少多種氧化應激標志物，如丙二醛（malondialdehyde，MDA）［3］、4-羥基壬烯醛（4-hydroxynonenal，4-HNE）［4］、髓過氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）［5］、尿8-羥基脫鳥苷（8-OHd G）［6］等。這些結果提示氫分子可通過抗氧化應激作用改善氧化應激引起的I/R。另外，氫分子還可能通過抑制細胞程序性死亡改善氧化應激損傷。有報道顯示氫分子治療可顯著減少末端脫氧核苷酸轉移酶陽性細胞的數量，同時減少半胱天冬酶-3（Cas pase-3）和半胱天冬酶-12（Cas pase-12）的激活水平［6］。上述試驗均說明氫分子具有抗氧化性。

氫分子的抗炎作用 大量研究顯示炎性過程與氧化應激相互促進從而構成惡性循環。一些研究顯示了氫分子作為抗炎藥物的潛能。2001年，法國的Ghrrib等［7］首次證明高壓氫氣對肝臟寄生蟲感染后引起的炎癥具有治療作用。但高壓氫氣制作程序復雜難以廣泛開展相關研究，在此后很長一段時間內未見相關研究跟進。直至2007年，Ohsawa等［2］證明吸入25mmoL/L的氫氣即可選擇性降低細胞毒性氧自由基，才開始對氫氣的抗炎作用進行深入研究。2008年，Buchholz等［8］使用動物模型證明吸入2％氫氣能保護小腸移植后損傷，并首次檢測了小腸組織相關炎性因子IL-1、IL-6、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factorα，TNF-α），提出氫氣具有抗炎作用。后續的研究發現氫分子可改善肝炎、結腸炎、胰腺炎、梗阻性黃疸和敗血癥/膿毒血癥等多種炎性動物模型的炎性狀態。據報道在炎性狀態下，氫分子可顯著降低模型動物的IL-6、TNF-α、細胞內黏附分子-1、IL-12、高遷移率族蛋白1和白介素-γ（interleukin，IFN-γ）等炎性因子水平［9-10］。另外，氫分子可部分抑制炎癥相關蛋白激酶信號傳導，包括Jun N端激酶（c-Ju n N-terminal kinase，JNK）、p38絲裂原激活蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPK）、細胞外信號調節蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK 1/2）和核轉錄因子-κB（nuclear transcription factor-kappaB，NF-κB）等［11］。上述研究均提示氫分子具有抗炎作用。

氫分子與代謝性疾病的相關研究

代謝性疾病與氧化應激 目前有大量研究顯示代謝性疾病與氧化應激顯著相關，代謝性疾病可導致ROS的過量產生，從而引起相關疾病及并發癥的發生與進展。Corkey等［12］研究發現，高血糖可刺激細胞產生過量的ROS，引起強烈的氧化應激反應，導致胰島素基因的下調和胰島β細胞的破壞，最終導致糖尿病發生。同時，氧化應激還可導致糖尿病相關并發癥的發生與發展，如糖尿病腎?。?3］和周圍神經病變［14］。另外，肥胖患者血液中高游離脂肪酸可通過多種途徑引起細胞和亞細胞中ROS的過量產生，導致脂質過氧化和炎性因子增加，如TNF-α、IL-6、C反應蛋白（C-reactive protein，CRP）等，進一步加重氧化應激構成惡性循環［15］。有研究顯示肥胖者抗氧化物酶活性下降，造成蛋白質及脂肪的氧化損傷，導致肥胖加重和相關并發癥的發生和進展［16］。

代謝性疾病與炎癥 2型糖尿病（type 2 diabetes，T2DM）的關鍵發病機制主要是進行性β細胞功能障礙和胰島素抵抗（insulin resistance，IR），大量研究顯示T2DM常伴有血液中炎癥相關標志物濃度升高，如IL、TNF-α、CRP、瘦素、抵抗素、纖溶酶原激活抑制物、內皮細胞黏附分子、Tanis蛋白和血清淀粉樣物質A等［17-19］，過度分泌的炎性因子可通過多種通路，如NF-κB信號轉導通路、p38MAPK信號轉導通路、Jun N端激酶/應激激活蛋白激酶（JNK/SAP K）信號轉導通路，導致胰島β細胞分泌胰島素功能受損及IR的產生。另外，研究發現針對炎性因子及其受體的特異性阻斷劑的抗炎治療可明顯降低T2DM的發生率或延遲其發展［20］，在T2DM的預防和治療中起著重要作用。這些證據均顯示T2DM是一種慢性炎性疾病。代謝綜合征包括腹型肥胖、高血壓、高血糖及脂代謝紊亂，IR是其發生的核心環節，多種研究顯示其與慢性炎癥有關。代謝綜合征患者血液中炎癥相關標志物濃度升高，如CRP、脂聯素，瘦素和抵抗素［21］等，抗炎治療可顯著改善血脂、血糖水平。

氫分子對代謝性疾病的作用 Kim等［22］研究發現電解還原水（electrolyzed-reduced water，ERW）可改善胰島素缺乏和IR模型動物的血糖控制水平。而氫分子與代謝性疾病的人體研究開始于通過檢測氧化應激分子探究富氫水對代謝性疾病的作用。2008年，Kajiyama等［23］首次設計了一個隨機、雙盲、對照的交叉人體試驗，30名以飲食和運動治療的T2DM患者和6名IGT患者每天攝入900mL富氫水或900mL安慰劑純凈水，在第8周時，通過口服葡萄糖耐量試驗對IR、糖代謝及一些氧化應激的生物學標志物進行測量和評估。結果顯示富氫水的攝入與修飾后低密度脂蛋白膽固醇（low density lipoprotein cholesterol，LDL-c）、致密LDL和尿-8前列腺素的下降顯著相關，與氧化LDL和自由脂肪酸血清濃度的下降以及血漿脂聯素和細胞外超氧化物歧化酶的水平升高相關。另外，在該試驗中，6名IGT患者中有4例補充富氫水后口服葡萄糖耐量試驗轉為正常。這些結果提示，富氫水的給予有預防T2DM和IR的潛能。隨后，Nakao等［24］在2010年對20名有潛在代謝綜合征的患者進行8周的開放性初步研究，以檢測富氫水（1.5～2L/d）對潛在代謝綜合征的有效性。結果顯示8周富氫水的攝入可使抗氧化酶超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）升高39％，尿中硫代巴比妥酸反應物TBARS減少43％；從實驗開始至第4周，高密度脂蛋白膽固醇（high density lipoprotein cholesterol，HDL-c）增加8％，總膽固醇/HDL-c降低13％。該研究提示富氫水可預防代謝綜合征。

2011年，氫分子對代謝性疾病的作用研究首次在分子水平開展。Kamimura等［25］首次通過動物試驗證明，飲用富氫水可使糖原聚集在肝臟，顯著減少肝臟氧化應激水平，改善db/db大鼠和飲食引起肥胖的大鼠的脂肪肝癥狀，抑制體重增長，并降低血糖和三酰甘油水平。此研究還在基因水平證明了富氫水的攝入可增加肝臟纖維母細胞生長因子21（FGF21）的mRNA水平，而肝FGF21的增加有助于降低血漿葡萄糖和三酰甘油水平。另外，該試驗還通過對氧氣消耗量和二氧化碳產生量的檢測顯示出富氫水可刺激能量代謝。該研究提示富氫水在肥胖和糖尿病的預防和治療中發揮重要作用。有研究顯示氫分子可激活磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol-3-OH kinase，PI3K）、蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）和AMP激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK），通過葡萄糖轉運子-4（glucose transporter-4，Glut-4）增加C2C12細胞攝入葡萄糖［26］。另外STZ誘導的T1DM大鼠模型在腹腔注射和口服富氫水后顯示，氫分子可顯著增加線粒體細胞膜上Glut-4的表達并顯著改善血糖控制水平。此研究顯示氫分子對代謝的影響與胰島素相似，口服富氫水可作為替代胰島素治療T1DM的選擇。人皮膚纖維母細胞（human skin fibroblast，HSF）是皮膚的重要組成部分，有研究顯示富氫細胞培養基可顯著減少細胞內氧水平、穩定線粒體膜電位，并減少MDA、8-OHdG、3-硝基絡氨酸（3-nitrotyrosin，3-NT）水平，從而保護HSF免于氧化應激損傷［27］。因此，氫分子有治療糖尿病皮膚病變的潛能。

氫分子治療代謝性疾病的優勢與傳統藥物相比，無論是低濃度的氫氣還是富氫水均有一定優勢：（1）傳統藥物可能導致肝臟或腎臟損傷，如二甲雙胍、他汀類藥物等，或者因為肝酶或血肌酐升高而減少用藥劑量導致患者無法獲得最佳療效。但未見報道顯示氫分子在有效濃度具有毒性，因為過量的氫分子可通過肺呼出，產生毒性的可能性較小［28］；（2）氫分子可選擇性清除毒性ROS，如OH-，但目前還沒有證據表明氫分子可干擾生理狀態下的氧化還原反應，如有重要生理功能的·和H2O2；（3）氫分子的相對分子質量很小，其可快速擴散進入組織并有可能到達重要的靶向亞細胞結構，包括線粒體和細胞核，可保護DNA免于氧化損傷；（4）與傳統藥物相比，飲用富氫水非常方便，且花費較低。

尚未解決的問題關于氫分子與代謝性疾病的研究已經完成一些試驗，提示氫分子有預防和治療代謝性疾病的潛能，但該領域的研究剛剛起步，尚有諸多問題需解決。我們還需要更多的臨床研究、動物研究、分子生物學研究來進一步證實氫分子對代謝性疾病的功效，并在蛋白和基因分子水平（如信號通路或調控蛋白）探究其發揮作用的機制。另外，我們還需研究氫分子作為治療代謝性疾病的藥物動力學，包括最佳的給藥途徑、時間以及合適的劑量等。

結語代謝性疾病與氧化應激和炎癥密切相關，氫分子可通過抗氧化應激和抗炎作用預防和治療代謝性疾病，但氫分子對代謝性疾病的作用機制尚需進一步研究，氫分子用于治療代謝性疾病是未來預防和治療代謝性疾病的重要研究領域之一。

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Application and research progress of hydrogen in metabolic diseases

LV Chao-yang，ZHANG Yao，HE Shun-mei，YU Ming-xiang△
（Department of Endocrtnology，Zhongshan Hostpttal，Fudan Untverstty，Shanghat200032，Chtna）

Oxidative stress and inflammation play important roles in many diseases，including metabolic diseases，such as diabetes，dyslipidemia，metabolic syndrome，obesity，atherosclerosis and so on.However，the therapeutic windows of a majority of anti-oxidant and anti-inflammatory medicines at present are narrow.So there is a need for a more effective and safer anti-oxidant and anti-inflammatory medicine in clinic.A large number of recent studies show that hydrogen has anti-oxidant and antiinflammatory effects on a variety of animal models of ischemia-reperfusion injury，inflammation，neurological diseases，digestive diseases and metabolic diseases，suggesting that hydrogen is a potential drug for metabolic diseases.This article reviews the latest development of the researches related and prospects for future research directions.

hydrogen；metabolic disease；oxidative stress；inflammation

R 589

B

10.3969/j.issn.1672-8467.2014.05.024

△Corresponding author E-mail：yu.mingxiang@zs-hospital.sh.cn

2013-10-19；編輯：段佳）