含氫液（氫氣）用于器官功能保護的研究進展

吳莉，施東婧，杜洪印（.天津醫科大學一中心臨床學院，天津 3009；.天津市第一中心醫院麻醉科，天津 3009）

氫是自然界最輕、含量最豐富的元素，氫通過核聚變產生氦為太陽提供能源。氫氣無色、無嗅、無味、高度易燃，是相對分子質量最小的雙原子氣體。氫氣在空氣和純氧中的安全濃度分別是＜4.6%和＜4.1%。在潛水醫學領域中，氫氣首先用于預防減壓病［1］。一直以來，氫氣被認為是生理惰性氣體。然而自2007年Ohsawa等［2］發現氫氣具有抗氧化和抗凋亡特性，可選擇性中和羥自由基（·OH）改善腦缺血/再灌注損傷（IRI）和卒中，掀起了氫氣治療疾病的研究熱潮。大量生物醫學領域研究證實，無論吸入氫氣或飲用含氫水都可以選擇性減少活性氧簇（ROS）并且發揮強大的細胞和器官保護作用。本文對氫氣作為治療性氣體的潛在優勢、氫發揮細胞及器官保護作用可能的機制及氫用于不同疾病模型的最新研究進展做一概述。

1 氫的潛在優勢

氫氣作為一種安全有效的治療性醫用氣體可能存在巨大的潛能。與藥物治療相比，氫氣具有以下幾個方面的優勢：首先，氫氣擴散性強，能夠擴散進入亞細胞器，如線粒體和細胞核，它們是ROS產生和DNA損傷的主要地方，并且藥物很難進入亞細胞器；其次，氫氣可選擇性的減少·OH和過氧亞硝基（ONOO-），但是不能減少一氧化氮（NO）的穩態水平［2］。內源性NO信號通路能夠調節肺血管張力和白細胞或內皮細胞相互作用，因此，內源性NO對于機體可能是非常有益的。在治療濃度的低反應性可以允許氫氣與其他治療氣體一起給予，包括吸入麻醉藥［3］；最后，體外實驗結果表明，氫處理不清除具有生理功能的過氧陰離子（O2-）和過氧化氫（H2O2）［2］。巨噬細胞和中性粒細胞通過吞噬作用殺滅一些形式的細菌時必然會產生ROS。因此，O2和H2O2在中性粒細胞和巨噬細胞中具有重要功能［2］。

2 氫發揮器官保護作用的可能機制

2.1 抗氧化作用：氫氣作為自由基清除劑發揮抗氧化作用。氫氣選擇性的減少·OH和ONOO-，這兩種自由基具有非常強的氧化性，能夠與核酸、脂質和蛋白質反應，從而導致DNA裂解、脂質過氧化和蛋白質變性。生化實驗表明，氫氣抗·OH的能力強于抗ONOO-。同時氫氣不清除具有生理功能的和H2O2，因此，氫氣可以在不影響正常生理功能的情況下選擇性清除·OH，是一種理想的新型抗氧化劑［2］。氫氣細胞保護的另一種機制可能與適當增加抗氧化酶（如過氧化氫酶、超氧化物歧化酶或血紅素加氧酶）的表達有關［4］。

2.2 抗炎癥作用：ROS與炎癥聯系密切，二者相互促進，共同引起組織細胞的損傷。大量研究表明，氫氣在多種損傷模型中均能發揮抗炎作用。氫氣通過下調白細胞介素1β（IL-1β）、白細胞介素- 6（IL-6）和腫瘤壞死因子α（TNF-α）等促炎因子的表達從而減輕氧化應激引起的組織炎癥損傷［5-6］。Nakao等［3］報道顯示，吸入2%氫氣可明顯降低大鼠移植心臟的TNF-α、IL-6、IL-1β和誘導型一氧化氮合酶（iNOS）等促炎因子的表達水平，心肌損傷明顯減輕。

2.3 抗凋亡作用：凋亡是一種主動的、高度有序的、由基因決定的程序性細胞死亡，并有一系列酶參與其過程。細胞凋亡主要有受體介導和線粒體介導的兩種死亡信號通路。許多疾病的病理過程中均包含細胞凋亡，因此，抗細胞凋亡對于疾病的預防和治療具有重要意義。研究表明，吸入氫氣可上調抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xl的表達，從而發揮抗凋亡特性［6-7］。Kawamura等［6］研究表明，吸入氫氣能夠顯著上調大鼠移植肺中抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xl的表達，降低肺上皮細胞凋亡數量，可改善肺換氣功能。

3 氫與器官保護

3.1 中樞神經系統：氫通過氣體彌散很容易穿透血腦屏障，Ohsawa等［2］研究表明，吸入氫氣可以通過清除ROS減少局部腦IRI大鼠的梗死面積，從而發揮腦保護作用。Cui等［8］研究顯示，富氫生理鹽水可通過保護缺血/再灌注大鼠的線粒體功能以減輕神經元IRI。2010年Chen等［9］研究發現，在局灶性腦缺血大鼠模型中，吸入氫氣可減輕腦缺血梗死面積，減少腦IRI后出血性轉化，明顯改善大鼠神經功能。Li等［10］研究表明，富氫生理鹽水對永久性局灶性腦缺血能夠劑量依賴地產生神經保護作用，其保護作用部分與減輕氧化應激和炎癥反應有關。對于腦卒中患者來說，氫分子可能是一種有效的治療策略。Huo等［11］的研究報道顯示，富氫生理鹽水可提高心臟驟停及心肺復蘇大鼠的生存率和神經功能，其機制可能與減輕氧化應激、炎癥和凋亡有關。

3.2 心血管系統：在心血管系統的研究證據表明氫治療對心肌IRI和心臟移植后的冷缺血/再灌注損傷具有保護作用。Hayashida等［12］報道顯示，在左前降支冠狀動脈短暫閉塞引起的IRI大鼠中，吸入0.5%～2%的氫氣可減輕心肌梗死的程度而不改變血流動力學參數。另一項使用相同疾病模型的研究表明，注射富氫生理鹽水通過降低血漿和心肌的丙二醛（MDA）濃度，抑制心肌細胞凋亡和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）活性且減少梗死面積，從而達到對IRI心肌保護的作用［13］。

目前認為心臟移植后的IRI是初級移植物功能障礙和慢性排異［14］的決定因素，并且促進移植物冠狀動脈疾病的發展［15］。Nakao等［3］使用同種異體心臟移植大鼠模型，冷缺血時間為6～8小時，研究發現吸入2%的氫氣可減輕心肌損傷。與空氣治療相比，氫治療可顯著減少脂質過氧化反應和血清高遷移率族蛋白B1（HMGB-1）的表達水平。

Fujii等［16］研究顯示，吹入氫氣對大鼠心肺轉流術（CPB）產生的系統性炎癥反應和肺水腫等器官損傷發揮抗炎和器官保護作用，是消除引起CPB的系統性炎癥和器官損傷的潛在臨床治療方法。

3.3 肺：肺炎［17-18］、呼吸機相關性肺損傷（VILI）和急性呼吸窘迫綜合征［19-20］均包含ROS與抗氧化劑防御系統之間的平衡失調。Huang等［7］提出NFκB的激活和Bcl-2的表達增加與氫氣的細胞保護作用有關，氫氣通過抑制VILI引起的細胞凋亡和炎癥信號通路激活進而改善VILI。急性肺損傷繼發遠隔器官手術和嚴重系統性炎癥。Mao等［5］分析了由腸IRI引起的大鼠肺損傷模型，提出富氫生理鹽水治療能夠減少肺組織中性粒細胞浸潤和脂質過氧化反應，降低NFκB活性和促炎癥因子水平，產生肺保護作用。Kawamura等［6］研究顯示，吸入氫氣通過提高再灌注后氣體交換減輕移植肺損傷，預防大鼠肺移植引起的IRI，并且提高冷保存、移植及再灌注后的移植肺功能。

3.4 腎：絕大多數腎移植晚期衰竭歸因于以腎功能進行性惡化、腎性高血壓和蛋白尿為特征的慢性移植物腎病［21］。Cardinal等［22］提出，在大鼠腎移植模型中飲用含氫水可以防止慢性移植物腎病。含氫水可改善移植物功能，延緩疾病進展，減少氧化損傷和炎癥介質的產生，提高總存活率，在某種程度上減少氧化應激損傷，降低促分裂原活化蛋白激酶信號通路活性和細胞因子的產生。Toyofumi等［23］的研究顯示，富氫器官保存液（UW液）通過保護腎小管上皮細胞免受炎癥和凋亡提高移植物功能并延長受體生存時間。在腎移植早期，富氫UW液能減少氧化應激、腎小管細胞凋亡和間質巨噬細胞浸潤。組織病理學上，富氫UW液處理能減輕腎小管損傷并抑制間質纖維化的發展。

3.5 肝：長時間的肝熱缺血加重再灌注后氧化應激，引起以肝藥酶升高和細胞壞死為特征的嚴重組織損傷。Fukuda等［24］提出吸入2%～4%的氫氣可減輕大鼠肝熱IRI，并且與減少氧化應激、抑制肝細胞壞死、降低血清丙氨酸轉移酶和肝MDA有關。Liu等［25］的研究顯示，用富氫生理鹽水處理可明顯改善缺血/再灌注引起的肝損傷，減少脂質過氧化標記物，減輕缺血/再灌注后組織改變，并且抑制HMGB1的表達和釋放，減少肝缺血/再灌注后的局部和系統性炎癥反應。Sun等［26］的研究表明，富氫生理鹽水可以保護肝損傷，抑制導致肝硬化和肝細胞代償性增生的過程。

3.6 胰腺：急性重癥胰腺炎以細胞膜破裂、水腫、間質出血、壞死和炎癥反應為特征，由腺泡細胞酶原轉換為其活性形式引起。ROS及其衍生物可能在誘發急性重癥胰腺炎中性粒細胞與巨噬細胞的活化和聚集中發揮重要作用。L-精氨酸可以誘發建立以急性胰腺間質水腫、空泡形成、顯著中性粒細胞浸潤、腺泡細胞損傷和胰腺壞死為特征的大鼠急性胰腺炎模型［27］。Chen等［28］的研究證明，大鼠尾靜脈注射富氫生理鹽水可以降低血清淀粉酶活性、抑制中性粒細胞浸潤、減少脂質氧化反應和胰腺組織水腫，顯著減輕L-精氨酸誘導大鼠急性胰腺炎的嚴重程度。

3.7 腸：腸IRI常發生在如腹主動脈瘤、腸系膜動脈阻塞、CPB、腸絞窄、新生兒壞死性腸炎失血性休克和小腸移植等手術治療中［29-32］。Buchholz等［33］利用大鼠同源小腸原位移植模型進行研究，結果表明氫處理可改善黏膜糜爛和黏膜屏障破壞等移植誘導腸損傷。與空氣處理組相比，術前吸入2%氫氣能減輕移植后腸動力障礙、減少炎癥介質的上調，并且與明顯減弱脂質過氧化反應有關。盡管小腸移植是腸衰竭患者的一種治療選擇，IRI仍然是受體病態和死亡的主要原因。腸移植術前給予氫氣可能是有效且臨床可應用的治療策略。Chen等［34］的研究表明，通過尾靜脈注射富氫生理鹽水對腸熱IRI引起的腸收縮功能障礙具有保護作用。氫可能通過抑制缺血/再灌注引起的氧化應激和凋亡并且促進上皮細胞增生來發揮保護作用。

4 小 結

使用氫氣作為治療方法的概念仍是研究的新領域。因此，關于氫分子在體內作用的信號通路和過程的相關研究非常有限。之前的研究數據表明，氫的保護作用部分歸因于它的自由基清除特性，因此，應對氫的直接自由基清除特性進行更加深入的研究。然而，清除特性不太可能是對其作用機制唯一的解釋，可能涉及氫作為信號分子這一未被確定的生物特性，需要后續研究闡明氫作為生物分子的具體機制。