氫氣在肺癌治療中的前景與展望

閆振鋒 劉樂園 陳剛

河北醫科大學第三醫院呼吸一科，石家莊050051

隨著生活方式的改變、生活環境的惡化以及人口老齡化的加劇，全球范圍內肺癌的發病率越來越高，占所有惡性腫瘤的1/5，而在我國肺癌的發病率和病死率均居首位，給人類的經濟及生活帶來沉重負擔。隨著對肺癌的研究越來越深入，人們發現氧化應激、炎癥反應與肺癌的發生、發展密切相關，氫氣可以選擇性抑制氧化應激反應、抑制相關的炎癥反應，因此氫氣在肺癌治療中的作用越來越受到重視，為肺癌的治療提供了新的方法和思路。

氫元素是自然界中最豐富的一種元素，占所有元素質量的75%。氫氣是自然界中最小的氣體分子，在常溫、常壓下無色、無味，化學性質穩定，以往認為氫氣是一種惰性氣體，無生物醫學作用。2007年Ohsawa等[1]報道了氫分子對大鼠腦梗塞模型具有顯著治療作用，同時還發現氫分子可以特異性清除羥自由基及過氧亞硝酸鹽，此后氫氣的抗炎、抗過敏等特性逐漸被發現，其在醫學領域的應用越來越受到人們的重視，目前報道氫氣可應用于2型糖尿病、代謝綜合征、血液透析、腦血管病、ARDS、膿毒癥、惡性腫瘤等多種疾病，以往關于氫氣治療惡性腫瘤的研究多集中在乳腺癌、大腸癌、肝癌等惡性腫瘤，而氫氣治療肺癌的研究相對較少，本文就氫氣在肺癌治療中相關機制及應用前景進行綜述。

1 氧化應激、肺癌與氫氣

1.1 氧化應激概述 氧化應激是指機體內有毒性的活性氧(reactive oxygen species，ROS)與抗氧化系統之間作用失衡，最終導致細胞和組織損傷[2]。ROS是一類機體在有氧代謝過程中產生的具有高度反應活性的含氧原子或基團，可以修飾多種生物分子，改變他們的結構和功能。ROS可以產生于許多生理活動過程中，如:線粒體氧化磷酸化、內質網中蛋白質的折疊、各種內源性分子的分解等。常見的ROS包括:超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫、次氯酸、一氧化氮、超氧、單線態氧以及其他類型的化合物及中間體等，對絕大多數細胞具有不良反應。同時機體內存在抗氧化系統，主要包括兩大類。(1)酶類。如:超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶等。(2)小分子有機抗氧化劑。如:維生素C、維生素E、β-胡蘿卜素、還原型谷胱甘肽等。正常生理情況下，ROS不斷產生的同時被還原系統不斷清除，二者處于一種動態平衡。

1.2 氧化應激與肺癌 當機體受到內部或外部因素刺激后，導致氧化與抗氧化穩態失衡，從而導致ROS的升高，使機體局部或全身處于氧化應激狀態，適度的氧化應激可以促進細胞的抗氧化能力，ROS也參與一些生理功能，如代謝信號傳導和防御感染等，在一定條件下氧化應激可以促進癌細胞的凋亡[3]。然而過量產生的ROS可以攻擊DNA、蛋白質、脂質等生物大分子[4]，從而引發一系列病理生理學改變。ROS的攻擊可以引起DNA鏈的斷裂，使DNA修復出現異常，引起遺傳物質的改變，從而產生具有形成腫瘤潛力的細胞，同時DNA鏈的斷裂可以引起癌基因的激活，抑癌基因的滅活，從而導致腫瘤的發生。ROS攻擊蛋白質產生羰基衍生物，改變蛋白質的三級結構，導致蛋白質部分或全部伸展，并易于形成有害的蛋白交聯產物，從而導致蛋白質生物學功能發生改變[5]。ROS攻擊脂質，使其發生過氧化反應，從而產生脂氧自由基、不飽和脂肪酸鏈、脂質過氧化氫、丙二醛等代謝產物，進而改變細胞的功能[6]。以上這些變化被認為是ROS導致肺癌發生的重要起因。

此外，ROS可以造成惡性腫瘤細胞的增殖、侵襲、轉移，ROS抑制抑癌基因P21的表達，使細胞周期G2/M的阻滯得到解除，促進細胞的有絲分裂，ROS可以上調血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達，進而促進腫瘤新生血管生成[7]；上調基質金屬蛋白酶及細胞內黏附分子的表達，從而實現腫瘤的轉移[8]；通過活化重組人鋅脂轉錄因子進而實現上皮細胞間充質轉化，上皮細胞間充質轉化與多種腫瘤細胞的侵襲及轉移密切相關[9]；激活受體酪氨酸激酶，生長因子與相應的結合從而促進腫瘤轉移。有學者通過實驗證實ROS可以通過激活蛋白激酶B而促進肺癌A549細胞的轉移[10]。

1.3 氫氣與氧化應激 氧化應激與惡性腫瘤的發生、發展密切相關，因此有學者提出可通過抑制氧化應激的作用來實現治療腫瘤的目的。通過小鼠實驗發現ROS清除劑可明顯降低腫瘤細胞的轉移能力，靜脈注射超氧化物歧化酶可明顯減少肺轉移瘤小鼠模型肺內結節的數量。而氫氣因為具有選擇性抗氧化作用，逐漸被應用于惡性腫瘤的治療。Dole等[11]于1975年將患有皮膚鱗癌的無毛白化小鼠放置于8個大氣壓的混合氣體(2.5%氧氣、97.5%氫氣)環境中2周，結果發現腫瘤明顯消退，提示高壓氫氣對皮膚惡性腫瘤有治療作用，并推測其機制可能與氫氣的抗氧化作用有關。中性p H富氫電解水可明顯抑制舌癌細胞HSC-4的集落形成效率以及集落的大小，而對正常舌上皮樣細胞沒有顯著抑制，推測其機制可能為氫分子通過癌細胞表面的水通道蛋白進入癌細胞內，抑制ROS而起作用。以上研究表明氫氣可通過其抗氧化作用而治療惡性腫瘤。理論上亦可以通過氫氣的選擇性抗氧化作用來抑制肺癌的發生、發展，但相關的具體機制需要更進一步的探索。

2 炎癥、肺癌與氫氣

2.1 炎癥概述 炎癥是指具有血管系統的活體組織對各種損傷因子刺激所發生的復雜防御反應，血管反應是炎癥的中心環節。外源性和內源性損傷因子可引起機體細胞和組織各種各樣的損傷性變化，與此同時，機體的局部和全身也發生一系列復雜的反應，以局限和消滅損傷因子，清除和吸收壞死組織和細胞，并修復損傷。機體這種復雜的以防御為主的反應即為炎癥。炎癥是損傷、抗損傷和修復的統一過程。

2.2 炎癥與肺癌 大量的臨床及實驗研究結果表明約1/5的惡性腫瘤發生、發展與慢性炎癥刺激有關，如慢性胰腺炎可導致胰腺癌[12]，炎癥性腸病可明顯增加大腸癌的風險[13]，肝癌與肝炎病毒感染密切相關[14]，胃癌與幽門螺桿菌感染密切相關[15]，宮頸癌與人乳頭瘤病毒感染密切相關[16]等。長期慢性炎癥的刺激可以誘導炎癥細胞聚集，導致炎癥細胞因子及趨化因子的持續釋放，這兩種因子可以導致細胞微環境的改變，從而造成ROS水平的升高、活性氮水平的升高、血管系統的改變、線粒體功能的改變以及破壞正常細胞信號傳導，同時慢性炎癥可以破環DNA的結構，激活癌基因，這些變化最終導致腫瘤的進展[17]。

肺部炎癥性疾病與肺癌發生、發展密切相關，研究發現微生物可以通過脂多糖誘導環氧化酶2、表皮生長因子受體的表達，從而促進肺癌A549細胞的增殖，衣原體感染可以促進肺癌的發生。肺部慢性炎癥性疾病(如COPD、肺結核)與肺癌的發生密切相關[18]，肺部慢性炎癥性疾病減弱了肺組織對吸入的有毒物質和致癌物質的清除能力，從而增加了肺癌發生的風險，COPD患者其患肺癌的風險是正常人群的2.76倍，COPD患者長期慢性炎癥后反復的肺組織損傷與修復，造成氣道上皮增生、組織疤痕及肺組織的纖維化，從而促發癌變，同時長期慢性炎癥刺激增加了基因突變的風險，促進血管生成、細胞增殖、轉移、免疫抑制等變化，從而造成肺上皮細胞的癌變[19]。不分型流感嗜血桿菌造成的COPD樣氣道炎癥可以促進小鼠肺癌的發生。機體感染結核后可以造成免疫功能的異常，使得機體對腫瘤的免疫監視能力減弱，免疫逃逸的癌細胞數量增加，從而促進肺癌的形成。機體感染結核菌后，炎癥介質釋放明顯增加，誘導VEGF表達、促進細胞的增殖、抵抗細胞凋亡，形成有利于腫瘤生長的微環境，最終導致細胞癌變。結核感染后同樣可以造成肺組織纖維化、瘢痕化，結核愈合后形成的鈣化及淋巴結鈣化可成為局部機械性刺激，可引起相鄰支氣管的癌變。肺組織感染結核后形成的局部肺組織結構的改變，有利于各種致癌物質的潴留。

2.3 氫氣與炎癥 氫氣可以有效的抑制炎癥反應，降低炎癥因子的表達。Buchholz等[20]在大鼠腸移植研究中發現與吸入空氣組相比，吸入2%氫氣組移植誘導的炎癥介質趨化因子配體2、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)、IL-6及IL-1的表達水平明顯下降，表明氫氣具有抗炎調節作用。隨后在多項試驗中氫氣的抗炎作用得到證實。氫氣通過抑制炎癥反應減輕阿霉素造成的肝臟及心臟損傷[21]。氫氣對脂多糖誘導的炎癥損傷具有治療作用，可以明顯抑制炎癥小體NOD樣受體蛋白3的活化。在圍產期腦損傷研究中發現，氫氣可以降低胎兒腦中促炎因子的水平，提示氫氣可以用來預防圍產期炎癥相關性腦損傷[22]。在心肌缺血再灌注損傷模型研究中發現，腹腔內注射富氫生理鹽水可以降低炎癥因子的表達水平來保護心肌細胞，提示氫氣可以改善炎癥相關的心肌損[23]。吸高濃度氫氣后，COPD模型大鼠肺泡灌洗液中炎癥細胞的數量明顯下降，并顯著降低炎癥因子TNF-α、IL-6、IL-17、IL-23的水平[24]。氫氣可明顯降低支氣管哮喘模型小鼠肺泡灌洗液中嗜酸粒細胞及淋巴細胞的數量，IL-4、IL-13、TNF-α和CXCL15等炎癥因子的水平顯著降低[25]。Han等[26]通過實驗證實，氫氣通過抑制絲裂原活化蛋白激酶通路增加熱休克同源蛋白的表達，來改善急性胰腺炎早期炎癥反應并降低炎癥介質核因子κB、TNF-α和IL-1β的表達。在復蘇嚴重燒傷大鼠研究模型中發現，富氫生理鹽水可以顯著改善燒傷后的炎癥反應，下調核因子κB的表達，并明顯降低復蘇后死亡率[27]。

氫氣對肺部炎癥性疾病具有一定的治療作用，對COPD具有治療、預防作用。動物實驗發現給予COPD模型大鼠腹腔內注射富氫鹽水，氣道阻力、潮氣量及肺順應性較對照組均明顯改善，并且明顯改善肺組織的病理改變[28]。吸入高濃度氫氣可明顯改善支氣管哮喘模型小鼠的肺功能，降低氣道阻力，氫氣可以改善膿毒癥造成的肺損傷、減少肺部炎癥細胞浸潤，保護肺泡上皮細胞功能[29]。

以上研究表明，炎癥及炎癥因子在肺癌的發生、發展過程中起重要作用，控制炎癥及炎癥因子的表達可能會抑制肺癌發生、發展。氫氣可以慢性抑制炎癥反應，降低炎癥因子的表達，因此，氫氣可通過抑制炎癥反應來抑制肺癌的發生、發展。

3 氫氣與肺癌化療

化療是肺癌治療的主要方法之一，然而化療具有較大的不良反應，常見不良反應包括:骨髓抑制、神經毒性、耳毒性、心臟毒性、胃腸道反應、肝腎功能損害等[30]，這些不良反應增加了患者痛苦、導致患者不能耐受化療、限制了化療藥物的劑量及療程的規范化實施。順鉑是目前臨床常用的一種肺癌化療藥物，具有較強的腎毒性、耳毒性，并呈劑量依賴性[31]。有研究表明順鉑不良反應的出現與ROS密切相關[32]，順鉑進入細胞后，與細胞內的谷胱甘肽等抗氧化劑發生反應，造成抗氧化劑水平的下降，從而導致內源性ROS增加[33]，同時順鉑可誘發線粒體功能障礙，破壞氧化呼吸鏈，從而導致ROS產生增多[34]。Nakashima-Kamimura等[35]研究發現給大鼠吸入1%的氫氣或飲用氫水可明顯改善順鉑引起的死亡率和體質量下降，并減輕腎毒性；氫氣治療組大鼠的血清肌酐及尿素氮水平較對照組明顯下降，然而順鉑的抗腫瘤活性并未受到抑制。提示吸入氫氣及飲用氫水可以潛在的改善患者化療期間的生活質量，并有可能通過減輕順鉑的不良反應而提高順鉑的應用劑量。Matsushita等[36]通過實驗證實富氫水可顯著減輕順鉑引起的腎毒性，并推測其可能通過降低ROS的水平來實現。

以上研究結果提示氫氣可以通過降低ROS的水平及提高抗氧化酶的活性來減輕順鉑的不良反應，提高患者的生存質量，并且不影響化療效果。

4 氫氣與肺癌放療

長期以來放療是治療肺癌的主要手段之一。放射治療會產生大量的電離輻射，作用于肺組織，使水分子發生解離，產生大量具有細胞毒性的羥自由基，從而造成肺組織的放射性損傷。病理改變早期以炎性滲出、間質水腫為主，后期間質水腫轉變為膠原纖維、出現肺組織的纖維化[37]。輕癥患者可以無癥狀，重癥患者可以出現肺纖維化，甚至出現導致呼吸衰竭。長期以來治療放射性肺損傷主要手段包括:糖皮質激素、中醫中藥、血管緊張素轉換酶抑制劑、角化細胞生長因子等，糖皮質激素抑制患者的免疫力，可能會造成更加嚴重的感染，中醫、中藥療效并不確切，而氫分子已被證實具有選擇性清除羥自由基的能力，已應用于預防及治療放療造成的組織損傷，并可以提高接受放射治療患者的生活質量。

Qian等[38]在小鼠實驗發現富氫水可明顯減輕電離輻射導致心肌損傷，降低心肌內丙二醛及8-羥基脫氧鳥苷水平，并增加心肌內源性抗氧化劑的水平。Kang等[39]給予接受放療的肝癌患者飲用富氫水6周，發現富氫水干預組患者血液中的ROS代謝產物較安慰劑組明顯減少，并可以維持血液的抗氧化能力。放療期間富氫水干預組患者的生活質量評分較安慰劑組患者明顯改善，但2組患者間的放療效果并無明顯差異。

在預防與治療放射性肺損傷方面，Chuai等[40]認為霧化吸入富氫溶液是一種新型的預防及治療放射性肺炎方法，Terasaki等[41]給小鼠吸入氫氣及飲用氫水，發現輻射后肺組織中氧化活性物質的水平顯著減少，肺損傷明顯減輕，肺纖維化程度明顯減輕。

放射性肺損傷是肺癌放射治療的主要并發癥，其發生、發展與ROS炎癥反應密切相關，氫氣可以通過減少氧化應激活性產物及抑制炎癥反應來預防及治療放射性肺損傷。

5 氫氣抗肺癌的可能機制及信號通路

信號通路調節細胞的增殖、分化和凋亡，通路中任何一個環節出現變化都會造成信號傳遞的異常，從而導致腫瘤的發生及發展。c-Jun氨基末端激酶和p38絲裂原活性蛋白激酶通路異常表達可以抑制癌細胞的凋亡，促進其增殖[42]，連續腹腔內注射富氫鹽水10 d，可顯著降低大鼠腦組織中c-Jun氨基末端激酶的活性；梁燦鑫等[43]發現吸入氫氣后，大鼠肺組織中p38絲裂原活性蛋白激酶的表達明顯降低。VEGF在肺癌血管生成中起關鍵作用，并與肺癌的復發及轉移密切相關，多項研究表明氫分子可明顯抑制組織及血漿中VEGF的表達[44]。基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)與惡性腫瘤的浸潤、侵襲、轉移密切相關[45]，其中MMP2、MMP9促進肺癌的侵襲及轉移[46]。Chen等[47]研究發現氫氣可明顯下調組織中MMP2、MMP9的表達，Hanaoka等[48]研究證實氫分子可以下調MMP3和MMP13的表達。環氧合酶2參與肺癌的發生、發展，是肺癌防治的一個新的靶點[49]。王東昌等[50]研究證實氫氣通過抑制組織中環氧合酶基因的表達，從而抑制肺癌細胞的生長。核蛋白抗原、染色體結構維持蛋白3的過表達可以促進肺癌的生長，Wang等[51]研究發現氫氣可以通過下調核蛋白抗原及染色體結構維持蛋白3的表達來抑制肺癌的生長。

以上研究表明氫氣有可能通過調節基因表達以及信號通路來干預肺癌的發生、發展，但肺癌的生物學行為可能涉及多種不同、復雜的信號通路調節，而氫氣只是參與其中的部分信號通路的調節，其具體機制及具體信號通路仍需進一步研究。

6 氫氣治療肺癌的應用前景及目前研究存在的問題

肺癌嚴重危及人類健康，常規的治療方法療效差，不良反應較多，臨床上期待新的治療方法的出現。氫氣對惡性腫瘤具有預防、治療和緩解等作用。肺癌的發生、發展與氧化應激、炎癥反應、信號通路的異常密切相關，氫氣具有選擇性抗氧化、抑制炎癥反應及調節信號通路的作用，因此氫氣可以通過以上機制來抑制肺癌的發生、發展，并且氫氣具有結構簡單、制造容易、價格低廉、對人體無不良反應等優點，因此氫氣在肺癌的治療中具有廣闊前景。

氫氣在目前的研究及應用中仍面臨一系列問題:(1)氫氣發揮抗肺癌作用的詳細機制目前仍不明確，相關實驗數據相對較少，仍需進一步的實驗來解釋說明；(2)氫氣在臨床應用的具體途徑主要有吸入氫氣、飲用氫水、注射氫水等，在肺癌治療中氫氣應用的途徑、治療所需的濃度、以及療程等問題同樣缺乏相關數據，需要更多的學者通過更多的實驗來闡述；(3)氫氣的安全性較差，遇明火容易發生爆炸，如何使其更加安全的應用于臨床也需要進一步研究；(4)目前的研究認為氫氣對人體無毒、無害，伴隨其在臨床更廣泛的應用，其對人體及某些疾病是否存在不利影響需進一步觀察。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突