信息來源：張廣超, 周華成. 氫氣對移植肺損傷保護作用的研究進展[J]. 臨床肺科雜志, 2017, 22(5):938-940.
 

肺移植是改善終末期肺疾病的最終方案，但肺移植的成功率和長期存活率比較低，3月、1年和5年的生存率分別是82%、78%和49%。肺移植過程會經(jīng)歷缺血再灌注損傷(ischemia—reperfusion injury，IRI)、免疫排斥反應(yīng)等一系列病理生理變化，引起肺損傷，造成原發(fā)性移植物功能不全(primarygraft dysfunction，PGD)。移植后72h嚴重PGD的發(fā)生率高達30%，與受體的病死率緊密相關(guān)。臨床上急需緩解移植肺IRI，改善移植后短、長期各項指標的改善方案。作為一種抗氧化劑，氫氣早已作為改善性氣體應(yīng)用于臨床。以往的文獻已證明氫氣對多種疾病具有較顯著的改善作用。一些動物實驗表明氫氣可減輕多種原因誘發(fā)的肺損傷包括移植肺損傷，發(fā)揮保護作用。
 

一、氫氣的物理特性

氫氣是一種化學(xué)性質(zhì)活躍的小分子物質(zhì)，在自然界中廣泛分布，空氣中其濃度為0.00006%。氫氣是無毒性氣體，不溶于水，在濃度小于4%時，無燃燒和爆炸風(fēng)險。生理狀態(tài)下，人體腸道菌群可產(chǎn)生大量的氫氣，參與人體部分生理過程，最終由肺臟排出或代謝生成無毒性的水。在人體內(nèi)活性氧自由基(reactive oxide species，ROS)如羥自由基(·OH)、過氧化硝酸陰離子(ONO0)、H0等不斷產(chǎn)生，可與核質(zhì)、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等正常細胞構(gòu)成物質(zhì)反應(yīng)，破壞正常結(jié)構(gòu)和功能。同時，部分ROS還可參與人體正常生理生化過程。由于氫氣較強的還原特性，可作為抗氧化劑，在不影響其正常生理功能情況下選擇性消除ROS的毒性作用。作為小分子氣體，氫氣可依靠濃度梯度直接穿過細胞膜和亞細胞器膜，彌散至胞漿和細胞器中，從而快速作用于靶點。目前，氫氣的應(yīng)用方式主要有氫氣吸入、腹腔注射飽和氫氣鹽水、口服富氫水、氫氣浴等。而肺臟獨特的結(jié)構(gòu)特點，可使其不經(jīng)過血液循環(huán)直接進行氣體交換，這就使氫氣在肺移植供體保存期時也能發(fā)揮保護作用。
 

二、氫氣應(yīng)用于肺損傷保護的概況

全身性炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激或機械刺激等原因均可誘發(fā)急性肺損傷，氫氣可以通過其抗氧化、抗炎癥、抗凋亡等生理特性改善肺損傷程度，減緩肺損傷病程進展，保護肺臟功能。

Huang和Wu等發(fā)現(xiàn)吸入2%氫氣可發(fā)揮抗炎癥、抗凋亡和抗氧化的作用，減輕機械通氣性肺損傷。Sun和Kawamura等發(fā)現(xiàn)2%氫氣可以減輕炎癥反應(yīng)，氧化應(yīng)激和細胞凋亡，改善高氧肺損傷的肺臟氧合功能。Terasaki等發(fā)現(xiàn)氫氣通過消除ROS的毒性作用對放射性肺損傷發(fā)揮保護作用。Qiu、Xie、Zhang等的研究發(fā)現(xiàn)氫氣可通過減輕炎癥應(yīng)激，減少凋亡來改善大鼠內(nèi)毒素引起急性肺功能障礙。Fang等研究發(fā)現(xiàn)，腹腔注射富氫水可減輕肺臟炎癥反應(yīng)，改善大面積燙傷大鼠模型肺臟氧化損傷。Zhai等人探究發(fā)現(xiàn)氫氣飽和鹽水腹腔注射可抗氧化，抗炎癥，減輕腸道相關(guān)性的肺損傷。Li等人研究發(fā)現(xiàn)腹腔注射富氫水可改善氧化應(yīng)激，減輕炎癥反應(yīng)，從而減輕缺血再灌注引起的肺損傷。此外，還有研究證明，氫氣對農(nóng)藥中毒、休克復(fù)蘇、CO中毒引起的肺損傷也具有一定的保護作用。
 

三、氫氣應(yīng)用于移植肺損傷保護

近幾年，關(guān)于氫氣應(yīng)用于肺移植過程肺功能保護的研究開始興起，氫氣對肺移植肺損傷的保護作用被證實。移植肺在保存期氫氣預(yù)處理或在移植過程中和移植后應(yīng)用均被證明可以減輕肺損傷，改善肺功能。

1.氫氣對供體肺損傷的保護作用

201 1年Kawamura L1等人在肺移植物切取前使用氫氣機械通氣，冷保存后進行了相關(guān)指標的檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對于對照組，實驗組肺組織前炎性細胞活素TNF和IL-1的mRNA表達下調(diào);Bcl-2表達增多，Bax表達下降;抗氧化酶血紅素加氧酶(hemeoxygenase1，HO-1)的產(chǎn)生增加;肺臟氧合功能，病理評分顯著改善。結(jié)果證明氫氣可通過減輕炎癥反應(yīng)，抗氧化應(yīng)激，抗凋亡發(fā)揮供體肺保護作用，其中HO-1分子的產(chǎn)生增多是一個較為重要的保護機制。2012年Tanaka等通過基因水平的研究證明，肺供體切取前2% 氫氣機械通氣可以使肺組織中肺表面活性物質(zhì)相關(guān)分子、ATP合成酶類和應(yīng)激反應(yīng)分子相關(guān)基因(絲裂原活化蛋白激酶(mitogen—activated protein kinase，MAPK)系統(tǒng)等)為主的229個目標基因發(fā)生顯著改變，發(fā)揮抗炎癥，抗凋亡，抗氧化作用，改善氣體交換功能。2015年Haams等人建造了豬的心臟驟停后肺臟熱缺血模型，并使用氫氣對離體肺臟供體進行機械通氣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)IL1、IL6、IL8、TNF 等炎癥因子的表達水平下降，炎癥反應(yīng)減輕。盡管實驗組和對照組MAPK相關(guān)酶系的表達沒有明顯統(tǒng)計學(xué)差異，但是相比對照組實驗組p38、JNK、ERK相關(guān)的磷酸化作用有所降低。

2.氫氣對受體肺損傷的保護作用

2010年Kawamura等研究發(fā)現(xiàn)大鼠原位左肺移植過程中及再灌注后吸入2%氫氣，均可以顯著改善氣體交換功能，降低移植肺組織丙二醛(MDA)，抑制脂質(zhì)過氧化，減少促炎介質(zhì)如ICAM1、TNF僅和IL-6等的產(chǎn)生和釋放，調(diào)節(jié)Bcl-2/Bax的表達水平。說明氫氣通過抗氧化，抗炎癥和抗凋亡作用，減輕移植肺缺血再灌注損傷。2013年周華成 課題組發(fā)現(xiàn)供體肺移植前后使用2% 氫氣機械通氣可以改善移植肺的氧合，降低肺損傷評分;降低IL8、ICAM1、TNF僅的水平;減少MDA和髓過氧化物酶(MPO)的產(chǎn)生，促使超氧化物歧化酶(SOD)產(chǎn)生增加;降低細胞凋亡指數(shù)，抑制Caspase3的表達。證實氫氣可以通過抗炎癥，抗氧化，抗凋亡機制對腦死亡供體肺移植肺臟功能發(fā)揮保護作用。2014年Noda課題組發(fā)現(xiàn)體外肺灌注期間使用氫氣機械通氣預(yù)處理可使移植后肺組織血紅素加氧酶HO1水平上調(diào)，移植肺炎癥改變減輕，線粒體生物發(fā)生增強，乳酸鹽的產(chǎn)生減少，低氧誘導(dǎo)因子-1的表達下降。從而改善移植肺功能，發(fā)揮移植肺的保護作用。2015年周華成課題組在冷缺血期使用首創(chuàng)的氫氣膨肺方法進行供體保護研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冷缺血期氫氣膨肺可減輕移植肺的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和細胞凋亡。從而改善肺氧合功能，發(fā)揮移植肺保護作用。2016年周華成 課題組探究了冷缺血期單純使用氫氣或CO，以及兩者聯(lián)合應(yīng)用對移植肺缺血再灌注損傷的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相對于對照組，實驗組移植后氧合功能改善、病理評分顯著改善，壓力容積曲線升高，MPO和MDA含量降低，SOD產(chǎn)生增多，炎癥因子IL8、TNF僅產(chǎn)生下降。說明氫氣及CO，或兩者聯(lián)合使用能夠通過抗氧化、抗炎癥、抗凋亡來保護移植肺功能。

綜上所述，氫氣可通過抗氧化應(yīng)激、抗炎癥、抗凋亡效應(yīng)、調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達和一些特殊的分子通路對移植肺損傷發(fā)揮保護作用。具體的保護機制如下。
 

四、氫氣對移植肺損傷的可能保護機制

1.抗氧化作用

·OH和ONOO是對肺組織影響最大的氧自由基，氫氣可以選擇性的清除·OH、ONOO等氧自由基，使其還原成無毒性的水。氫氣可使組織內(nèi)SOD，以及線粒體內(nèi)過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(Gpx)等抗氧化物的表達水平升高。因此，氫氣可以抑制ROS對線粒體膜的損傷，減少細胞色素c的釋放，以免線粒體為中心的細胞凋亡途徑啟動。氫氣可以降低脂質(zhì)過氧化水平，減少MDA的產(chǎn)生，減少生物膜的損傷。防止生物膜如細胞膜和細胞器膜的通透性過高，保護細胞穩(wěn)態(tài)。

2.抗炎癥作用

TNF、IL1B和IL6在炎癥的級聯(lián)放大效應(yīng)中發(fā)揮了重要作用，是介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的最重要的炎癥因子。氫氣可顯著抑制損傷肺組織中TNF、IL 1B、IL6和ICAM-1的mRNA表達，同時可使IL1O的水平上調(diào)，來協(xié)同發(fā)揮抗炎癥作用。氫氣還可以減少MPO的活性，說明氫氣可以減少中性粒細胞的聚集。同時，病理分析發(fā)現(xiàn)，氫氣處理的損傷肺組織炎癥細胞的聚集較少，組織水腫程度輕。

3.抗凋亡作用

氫氣可使ROS的產(chǎn)生下降，抑制線粒體為中心的內(nèi)源性細胞凋亡途徑;還可減少炎癥介質(zhì)如TNF的表達，抑制外源性細胞凋亡途徑。氫氣可使凋亡基因caspase3、caspase8、bax的表達水平明顯下調(diào)，同時，抗凋亡基因Bcl-2、Bcl-xl的表達水平明顯上調(diào)。由此可抑制促凋亡蛋白的表達，促進抗凋亡蛋白的產(chǎn)生，從而降低蛋白酶的分泌，保護細胞的完整性不受破壞，抑制細胞凋亡程序的啟動。

4.保護線粒體結(jié)構(gòu)和功能

氧化應(yīng)激和炎癥應(yīng)激產(chǎn)生的ROS和TNF都可以激活線粒體為中心的細胞凋亡過程。氫氣可降低線粒體內(nèi)MDA的水平，使GSH水平升高，還可增強SOD、CAT、Gpx的活性，減輕線粒體的脂質(zhì)過氧化，增強線粒體抗氧化能力，維持線粒體氧化還原反應(yīng)平衡。氫氣可以選擇性清除ROS，減輕氧化應(yīng)激。下調(diào)炎癥因子表達和釋放。從而保護線粒體結(jié)構(gòu)和功能的完整，減少細胞色素C的釋放，抑制線粒體為中心的凋亡過程。另外，氫氣還可以保護線粒體的呼吸功能，減少ATP的消耗。

5.特殊信號傳導(dǎo)通路

(1)Nrf2/HO.1 2010年Kawamura等首次提出氫氣可誘導(dǎo)HO一1表達增多，從而降低肺水腫、炎癥因子的表達以及細胞凋亡等，是氫氣發(fā)揮抗RI的機制之一。2013年，該課題組發(fā)現(xiàn)氫氣通過核因子E2相關(guān)因子2(NFE2一relatedfactor2，Nrf2)調(diào)節(jié)肺組織中HO1基因的表達。

(2)NFKB/Bc12 2011年Huang等對機械肺損傷模型氫氣吸人改善后發(fā)現(xiàn)，NFKB的表達在1h時達到高峰，與此同時抗凋亡蛋白Bc12水平明顯上升，而Bax的水平相應(yīng)下降。給予NFKB抑制劑后，Bcl2的水平下降，而Bax的水平上升。因此Huang等人認為NFKB/Bcl2是氫氣發(fā)揮保護作用的一個重要通路。

(3)ROS.JNK.Caspase3Qiu等發(fā)現(xiàn)氫氣可以抑制內(nèi)毒素引起肺損傷肺組織ROS的產(chǎn)生，降低MDA和NT的水平，抑制MPO的活性，保護SOD的功能，抑制p-JNK的激活。氫氣還可逆轉(zhuǎn)下游的Bax和Caspase3的升高以及Bcl—xl水平的下降。氫氣可能通過ROS-JNK-Caspase3信號通路對肺損傷發(fā)揮保護作用。

(4)TNF/NFKB 2012年Xiel等發(fā)現(xiàn)氫氣可抑制NFKB的活化，抑制Caspase-3的活性，還可下調(diào)促炎癥介質(zhì)TNF、IL 1B、IL-6和趨化因子的表達，從而減少細胞凋亡，減輕組織炎癥細胞聚集和炎癥反應(yīng)。2015年wu等人對單肺通氣肺損傷模型進行氫氣改善，結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)NF.KB的水平明顯下降，TNF、IL1 B、IL-6的表達下降。

(5)p38 MAPK/TNF 2012年Liang等人應(yīng)用氫氣預(yù)處理來改善內(nèi)毒素引起的急性肺損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氫氣吸入可以有效抑制p38MAPK的激活，從而減少其下游TNF的釋放，由此減少肺組織炎癥細胞的浸潤，減輕肺組織損傷，保護肺功能。

總之，氫氣作為小分子氣體，可以穿透生物膜來發(fā)揮抗氧化、抗炎癥、抗凋亡作用，還可通過調(diào)節(jié)一些特殊分子信號傳導(dǎo)通路，發(fā)揮移植肺供體保護作用。