氫氧混合氣的細胞學作用研究進展

曹金鐘，黃超，姚麗花 綜述 肖凡 審校

天津市第三中心醫院分院呼吸科，天津 300250

在抗擊新型冠狀病毒肺炎(以下簡稱新冠肺炎)疫情中，國家衛健委第七版診療方案[1]對“氫氧混合吸入氣(H2/O2：66.6%/33.3%)治療”做了有條件的推薦。有研究顯示高濃度氫氧混合氣吸入可增加功能性輔助性T 淋巴細胞、功能性細胞毒性T 淋巴細胞、殺傷性NK 細胞等數量，有效提升老人、慢性疾病、惡性腫瘤等免疫力低下患者的免疫機能[2-3]。但氫氧混合氣治療在臨床應用中為非常規治療，臨床醫務工作者對其相對陌生，本文通過部分文獻檢索，并結合病毒感染的病理及生理特征，對氫氧混合氣的細胞學作用做簡要綜述。

1 氫氣在疾病治療中的常見應用方式

氫分子量小且擴散快，容易穿透細胞膜進入細胞內。氫由于其潛在的抑制氧化應激能力，作為一種氣體信號分子而備受矚目[4]，目前關于氫氣的研究并未發現其對人體會產生任何健康危害[5]。

有研究發現小劑量氫氣吸入可以選擇性的抑制部分毒性自由基，可作為一種有效的新型的抗氧化措施應用于患者治療[6]。氫在臨床中的應用方式較多，概括起來包括以下幾種[7]：(1)吸入氫氣。目前吸入氫氣的方法比較簡便快捷，通過適當的氫氣呼吸機和相應的面罩/鼻導管方式連接，即可對急性氧化應激導致的相關疾病進行治療。不同比例的氫氧混合吸入是近年來的研究熱點之一，但要高度重視周圍環境的安全因素，防止氫氣的燃爆。(2)口服富氫水。富氫水是通過高壓過飽和方式制作的液體制劑?？诜绞揭子诒换颊呓邮埽腋影踩?，對于氧化應激損傷同樣具有較好效果。但由于氫氣極易揮發擴散，對于氫的給予劑量不易控制。(3)氫生理鹽水。氫生理鹽水廣泛應用于實驗研究，在劑量控制和安全性方面都較易操作，具體給藥方式包括靜脈注射、腹腔注射、鞘內注射及滴眼等。(4)其他。尚有臨床報道富氫水沐浴、低溫富氫水保護待移植器官、口服其他藥物作用于腸道菌群進而刺激內源性氫產生等等應用方式。綜上，在解決應用過程中的安全性問題后，氫氣是理想的吸氧輔助氣體。

2 氫氧混合氣吸入與病毒性肺炎

2.1 病毒性肺炎的病理及生理特征 病毒感染累及下呼吸道，可引起氣道上皮的廣泛破壞，纖毛功能損害，黏膜壞死、潰瘍形成，細支氣管阻塞，肺泡間隔有大單核細胞和淋巴細胞浸潤，肺泡水腫、透明膜形成，進而導致呼吸膜增厚，彌散距離增大[8]。結合目前防疫工作形勢，依據目前有限的尸檢和穿刺組織病理檢查，近期流行的新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染主要引起肺部和免疫系統病變，同時可伴有其他系統的繼發性損害[1]。SARS-CoV-2 通過與機體細胞膜上的血管緊張素轉換酶2(ACE2)結合侵襲細胞，進入細胞后引起一系列改變，其中免疫細胞過度活化、細胞因子風暴、過度氧化應激可能是引起急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)、膿毒癥休克、多器官功能衰竭甚至死亡的共同病理生理基礎[9]。

2.2 病毒性肺炎與氧化應激 肺部病毒感染與氧化損傷密切相關，可引起活性氧自由基(ROS)釋放、細胞膜磷脂層脂質過氧化、膜轉運和線粒體呼吸鏈功能紊亂，通過增加細胞前氧化物、抑制抗氧化酶合成、改變宿主細胞內前氧化物/抗氧化物平衡等機制影響細胞凋亡過程及免疫介導的細胞損傷[10]。病毒性肺炎本身亦可引起不同程度的缺氧性改變，吸氧是常規且重要的治療手段，但如果不適當的氧療(包括吸入純氧或氧濃度過高等)也可引起促炎因子釋放、組織局部血流失調、微循環異常以及細胞惡性缺氧等改變，出現氧化應激相關性肺損傷[11]。為此，加入具有抗氧化作用的成分混合性吸入，可以限制單純不恰當吸氧引起的靶器官損傷，成為臨床治療中的切入點之一。

2.3 氫氧混合氣在病毒性肺炎中潛在的細胞學機制特點

2.3.1 協同減少細胞凋亡，減輕肺損傷 ARDS的發病機制目前尚未完全闡明，大量的動物實驗和臨床研究發現全身和肺內炎性細胞的持續激活、炎癥/抗炎癥失調、氧化/抗氧化失衡、凝血功能紊亂及肺泡毛細血管膜損害等均在ARDS的發病過程中起重要作用[8]。病毒性肺炎是ARDS的常見病因之一。動物實驗表明氫水治療和高壓氧治療均可明顯降低肺損傷小鼠的炎癥反應，減少凋亡細胞數量、抑制凋亡的發生[12]。高壓氧通過減少機體ROS生成，降低核因子κB(NF-κB)的表達，抑制炎癥反應；而氫鹽水通過中和ROS，維持細胞膜的穩定性，控制NF-κB 的釋放，減少炎性介質產生。兩者作用的潛在靶點和作用機制可能有所重疊，但氫作為優質的抗氧化物質，可以與高壓氧氣互相協同發揮療效。病毒感染作為急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征的相關危險因素之一，目前尚缺乏臨床特效的抗病毒藥物，所以不同濃度比例的氫氧混合氣干預有可能在未來的治療領域發揮重要作用。

2.3.2 減輕氣道黏液高分泌，改善肺功能 氣道黏液高分泌是慢性炎性氣道疾病的常見病理生理表現，但過量的黏液分泌可降低黏膜纖毛清除功能和局部防御功能，不利于病原體的清除。黏液栓是具有不同黏蛋白(MUC5AC 和MUC5B)結構域的異質凝膠，含有黏蛋白MUC5AC 的結構域與氣道上皮細胞結合導致黏液停滯，可能是哮喘黏液堵塞的主要原因；而作為維持免疫穩態所必需的黏蛋白MUC5B，其表達的缺失可致黏膜纖毛清除率(MCC)降低90%[13-14]。在慢性氣道炎癥、急性肺損傷及PM2.5 暴露等動物疾病模型中，發現氣道黏液的高分泌與氣道炎癥和肺部氧化應激相關，并可造成小氣道阻塞，引起肺功能損害和呼吸力學異常[15-16]。實驗研究表明氫氣可能通過抗氧化應激的作用，顯著減少吸煙所致大鼠氣道黏液的高分泌，也可減少肺組織中丙二醛、超氧化物歧化酶3水平，與氫的抗氧化應激作用有關[17-18]。施曉娟[5]的研究結果顯示，在PM2.5 暴露后吸入氫氧混合氣(H2/O2：66%/33%)2 h，可減輕氣道黏液分泌，抑制相應的氣道炎癥及氧化應激反應，并改善肺功能，有望應用于防治PM2.5對人體的損害；通過與對照組[吸入氮氧混合氣體(N2/O2：66%/33%)2 h]結果對比發現，吸入氫氧混合氣的獲益可能更多來自于氫氣成分本身。

3 氫氧混合氣在其他方面的細胞學作用機制

臨床中除病毒感染外，尚有諸多嚴重疾病狀態均與氧化應激密切相關，亦可出現低氧血癥或低氧性呼吸衰竭。氫氧混合氣吸入在其他病理狀態下亦具有潛在的治療前景。

3.1 改善局部血液循環，調節能量代謝 缺血性血管病最主要的治療是盡最大限度的恢復缺血區域的血液供應，清除伴隨缺血再灌注產生的有害的氧自由基，減輕氧化應激損傷[19]。高壓氧治療常用于多種臨床疾病，特別是缺氧缺血性疾病，因其可產生ROS，出現中樞神經系統的氧中毒表現，影響神經系統功能，進而限制了其在臨床中的應用。而近年研究發現氫氣亦可作用于機體的復雜酶系，進而調節缺血再灌注后心肌代謝(糖、能量、脂質及氨基酸代謝等)[20]。氫氣還可通過降低PC12細胞中的羥基自由基水平來減輕氧氣的毒性[21]。于楊團隊[11]采用相應設備產生的流量較小(3 L/min)的氫氧混合氣(H2/O2：66.7%/33.3%)可立即被人體吸入，并通過對照研究發現氫氧混合氣能有效提升健康人面部和手部皮膚的血流灌注量，可作為改善局部血液循環的新治療手段，且在室內通風良好的情況下，安全性可靠。

3.2 中樞神經系統保護作用 氧化應激與炎癥反應破壞血腦屏障，炎性細胞侵入中樞神經系統，致炎因子致神經細胞損傷，上述是中樞神經系統自身免疫性及退行性病變的主要致病因素。張寧[7]通過實驗性自身免疫性腦脊髓炎動物為研究對象，探討吸入氫氧混合氣(H2/O2：67%/33%)的治療作用，結果發現其可緩解受試動物的神經行為學改變和體質量減輕，明顯改善中樞神經系統炎性細胞浸潤和脫髓鞘病變，調節炎性因子及抗炎因子水平，對實驗性自身免疫性腦脊髓炎動物具有治療效應，而這種效應主要來自于氫的作用。

有研究顯示，通過對腦缺血/再灌注損傷模型小鼠吸入含有66.7%氫氣/33.3%氧氣的混合氣體后，可顯著降低模型小鼠的腦梗塞體積，減輕腦水腫并改善其神經行為缺陷，但未降低與程序性細胞壞死相關的混合譜系激酶結構域樣蛋白(MLKL)的表達[22]。程序性細胞壞死是細胞死亡的一種方式，與機體非特異性免疫反應、細菌或病毒感染以及非感染性炎癥相關疾病均有密切關系[23-24]。機械通氣作為危重癥患者治療過程中重要的呼吸及生命支持措施，也有潛在呼吸機相關性肺損傷(VILI)風險，且有證據顯示VILI 可以誘導程序性細胞壞死[23]。氫氧混合氣體雖對腦缺血/再灌注動物模型的程序性細胞壞死未呈現出積極意義，但是否對VILI相關的程序性細胞壞死有治療意義尚需進一步研究證實。

3.3 提高心臟驟停后心肺復蘇效果 通過靜脈注射氯化鉀誘導家兔心臟驟停(CA)模型，觀察心肌糖代謝的變化及氫干預的影響；在CA 5 min后，開始常規進行心肺復蘇(CPR)，機械通氣方式給予含氫氧混合氣體(H2/O2∶4%/96%)干預，在自主循環(ROSC)恢復后，通過正電子發射斷層掃描(PET)評估心肌葡萄糖代謝，并測量18F-氟-2-脫氧葡萄糖(18F-FDG)的最大標準攝取值(SUVmax)，結果提示氫干預可降低ROSC 后2 h 的18F-FDG SUVmax值，提示可抑制心臟驟停家兔的心肌糖代謝程度[25]。亦有報道顯示在對未經治療的窒息性心臟驟停大鼠模型成功復蘇后，在常溫下吸入氫氧混合氣體(H2/O2∶2%/98%)，評價吸入氫對心肺復蘇后心臟和神經功能的影響，結果顯示其可明顯降低復蘇后較早階段血清心肌肌鈣蛋白T 和S100B 蛋白數值，明顯改善左心室射血分數、心臟做功和神經功能缺損評分，顯著提高復蘇后96 h生存率[26]。

3.4 增加實驗動物的抗逆能力，預防應激性損傷 分子氫除具有抗氧化和抗炎活性以及神經保護作用外，尚具有預防應激相關疾病的前景。相關報道顯示反復吸入氫氧混合氣體(H2/O2：67%/33%)，可以顯著降低小鼠的急性和慢性應激誘導的抑郁和焦慮樣行為，阻止慢性輕度應激小鼠血清中皮質酮、促腎上腺皮質激素、白介素6和腫瘤壞死因子的水平升高；青春期小鼠吸入氫氣可能通過抑制下丘腦-垂體-腎上腺軸和對壓力的炎癥反應，明顯增加了成年初期對急性應激的抵抗力，表明氫氣對小鼠的應激抵抗力具有持久的作用[27]。在包括呼吸衰竭、ARDS等危重病的病理生理變化過程中，可伴隨嚴重的應激性損傷，氫干預是否可在臨床危重病的治療中具有預防效應，尚值得進一步期待。

4 總結

總之，目前氫氧混合吸入應用于疾病治療僅為起步階段，其中針對動物模型的基礎研究占據絕大多數，且其作用機制闡述仍不具體，是否存在不同濃度、不同比例的氫氧混合氣的細胞學作用差異等等尚不清楚，同時受筆者科研能力所限，對于其詳細的細胞學機制分析欠深入，有待于進一步的基礎與臨床研究闡釋。