氫氣作為新型改善氣體的研究進(jìn)展

氫氣生物學(xué)作用的核心是抗氧化，但是從這里出發(fā)，衍生出多種分子水平的作用機制。最新綜述中，作者對近年來氫氣作用的分子機制進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，這非常值得贊賞。

摘要:氧化損傷是大多數(shù)疾病的共同病理生理基礎(chǔ)，氫氣作為一種新型的抗氧化物質(zhì)，可選擇性中和毒性最強的活性氧要要羥基自由基，這可能會成為預(yù)防和改善疾病的重要手段。目前，關(guān)于氫氣的醫(yī)學(xué)研究逐漸升溫，氫氣可改善的疾病類型已達(dá)到近百種，在研究對象上有細(xì)胞學(xué)研究堯器官水平的研究和整體動物研究，并已初步涉及到臨床研究遙盡管如此，有關(guān)氫氣效應(yīng)的基礎(chǔ)生物學(xué)機制仍有待深入探索遙現(xiàn)結(jié)合最新研究進(jìn)展，對氫氣生物學(xué)效應(yīng)堯分子機制和攝入方式以及臨床應(yīng)用等方面做簡要概述。

2氫氣作用的分子機制

2.1還原羥自由基

羥基自由基是自由基鏈反應(yīng)的主要引發(fā)因素之一[26]，一旦鏈反應(yīng)在生物膜上開始，就會持續(xù)蔓延并對組織細(xì)胞造成嚴(yán)重?fù)p傷。鏈反應(yīng)會生成脂質(zhì)過氧化物和氧化應(yīng)激標(biāo)志物，如4-羥基壬烯醛和丙二醛[27]。目前，許多研究都表明氫氣能降低這些氧化標(biāo)志物水平[28，29]。氫氣在生物膜上脂相的分布高于水相，而不飽和脂質(zhì)區(qū)是起始鏈反應(yīng)的主要靶標(biāo)，所以氫氣可以直接抑制鏈反應(yīng)，避免細(xì)胞受到損傷。另外，羥基自由基可以修飾脫氧鳥嘌呤，形成8-羥基-脫氧鳥嘌呤(8-OHdG)[30，31]。動物及臨床研究證明，氫氣同樣能降低8-OHdG水平[31，32]。在細(xì)胞實驗中，氫氣已被證實可以還原羥自由基[1]。此外，相關(guān)實驗證實氫氣生理鹽水可通過中和電離輻射引起的羥自由基，減少輻射所誘發(fā)的小鼠雄性生殖細(xì)胞損失，具有輻射保護(hù)效應(yīng)[33]。

2.2還原亞硝酸鹽

硝基酪氨酸是由亞硝酸陰離子修飾蛋白質(zhì)的酪氨酸殘基所形成的，是反映機體氧化應(yīng)激狀態(tài)的重要標(biāo)志物[34]。研究表明，不論是氫氣[35]、富氫水[36]還是氫氣生理鹽水[32，37]，均可降低模型動物體內(nèi)的硝基酪氨酸水平。而且，Ishibashi等[32]發(fā)現(xiàn)飲用富氫水可降低類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的硝基酪氨酸水平。已知參與硝基酪氨酸蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的許多蛋白質(zhì)因子都被(-O-NO2)或(-S-NO2)修飾，因此，氫氣可能是通過減少(-O-NO2)或(-S-NO2)來調(diào)節(jié)各種蛋白質(zhì)因子的表達(dá)[34]，從而減少硝基酪氨酸蛋白的生成。

2.3調(diào)節(jié)內(nèi)源性抗氧化通路

Nrf2-ARE是目前最為重要的抵抗內(nèi)外界氧化應(yīng)激的防御性轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。其中，核因子紅細(xì)胞相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid-related factor2，Nrf2)是管理和控制內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)最重要的分子，可通過誘導(dǎo)相關(guān)蛋白質(zhì)的表達(dá)，比如血紅素氧合酶1(heme oxygenase 1，HO-1)，來對抗氧化應(yīng)激和各種毒性物質(zhì)[38，39]。由于其內(nèi)源性特點，所以研究氫氣對其的調(diào)節(jié)，可為實現(xiàn)有效、可控的抗氧化改善開辟新途徑。危重患者接受高濃度氧氣改善肺部疾病是造成高氧肺損傷的主要原因，Kawamura等[40]研究發(fā)現(xiàn)，正常小鼠暴露于高濃度氧(98%)60 h后，吸入2%氫氣可使有關(guān)Nrf2的基因上調(diào)，增加mRNA轉(zhuǎn)錄和HO-1蛋白的表達(dá)，改善高氧肺損傷;但在Nrf2-/-小鼠中，氫氣并不能緩解高氧肺損傷或誘導(dǎo)HO-1，這表明氫氣可以通過誘導(dǎo)Nrf2相關(guān)因子(如HO-1)的表達(dá)，來改善高氧性肺損傷。乳果糖可以通過胃腸道中的細(xì)菌發(fā)酵而產(chǎn)生大量的氫，Zhai等[41]通過RT-PCR和蛋白質(zhì)印跡實驗發(fā)現(xiàn)，口服乳果糖可激活腦中Nrf2的表達(dá)，對大鼠的腦缺血/再灌注損傷具有一定緩解作用。除了前文所述蛋白質(zhì)因子，機體自身還有多種抗氧化酶，包括超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)、谷胱甘肽過氧化酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)等。研究顯示，氫氣也可通過提高內(nèi)源性抗氧化酶活性來降低氧化應(yīng)激損傷[42]。所以，氫氣降低氧化應(yīng)激不僅通過直接作用，也有間接作用，即通過誘導(dǎo)內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)，間接發(fā)揮抗氧化作用。

2.4調(diào)節(jié)促炎性因子和促凋亡因子的表達(dá)

氫氣可間接地上調(diào)或下調(diào)相關(guān)蛋白質(zhì)表達(dá)來對抗不同的病理情況。在大多數(shù)炎癥模型中，氫氣通過降低促炎性因子的表達(dá)來發(fā)揮抗炎作用，這些促炎性因子包括NF-資B[43]、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12、CCL21、干擾素-酌、ICAM-1[44]、PGE2[45]以及HMGB-1[46]。此外，氫氣還可通過上調(diào)抗凋亡因子，或下調(diào)促凋亡因子來發(fā)揮抗凋亡作用。已有多個實驗室報道，氫氣可促進(jìn)Bcl-2和Bcl-xL[45]等抗凋亡因子的表達(dá)，以及抑制caspase-3[3，20]、caspase-8[45]和caspase-12[3]等凋亡蛋白的表達(dá)。在促凋亡因子Bax的表達(dá)中，氫氣不僅可以抑制其編碼基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯[45，47]，而且還可以抑制Bax蛋白從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體[48]。

2.5充當(dāng)腎上腺受體激動劑

Matsumoto等[49]研究發(fā)現(xiàn)，氫氣能增加饑餓素的表達(dá)和分泌，而該激素進(jìn)入大腦后可通過激活多巴胺神經(jīng)元細(xì)胞上的受體發(fā)揮保護(hù)作用，使多巴胺神經(jīng)細(xì)胞免受毒素?fù)p傷，但這種作用能被茁1腎上腺素受體阻斷劑或饑餓素受體阻斷劑所破壞，這或許是氫氣保護(hù)效應(yīng)的一種新解釋，即氫氣激活胃的茁1腎上腺受體，從而促進(jìn)饑餓素的合成和釋放，產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)作用。

2.6抑制Wnt/β-catenin信號

Wnt/β-catenin信號通路是參與調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂、生長以及維持組織細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定等的一個分子系統(tǒng)。在某些炎癥性疾病和腫瘤細(xì)胞中，Wnt/β-catenin系統(tǒng)被過度激活，即β-catenin水平過高。最新研究表明，氫氣能夠通過促進(jìn)茁β-catenin的降解以及加快β-catenin的磷酸化，來抑制被激活的Wnt/β-catenin信號[50]。氫氣的作用對正常的Wnt/β-catenin生理水平?jīng)]有影響，只有在Wnt/β-catenin異常激活時才有相應(yīng)的表現(xiàn)，這也體現(xiàn)了氫氣在許多疾病中的積極改善作用。Wnt/β-catenin信號的異常激活也是骨關(guān)節(jié)炎惡化加重的表現(xiàn)，因此Wnt/β-catenin信號通路可能是骨關(guān)節(jié)炎的改善靶點。2016年，研究人員首次在人類骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，氫氣不僅能抑制Wnt/β-catenin信號，而且也能抑制Wnt3a/BIO誘導(dǎo)分化的ATDC5軟骨形成細(xì)胞的蛋白多糖丟失[50]。此外，口服富氫水對動物外科手術(shù)誘導(dǎo)的骨關(guān)節(jié)炎有保護(hù)趨勢。總之，研究結(jié)果提示，氫氣可能有延緩人類關(guān)節(jié)炎發(fā)展的作用，但是其他信號通路和分子，包括轉(zhuǎn)化生長因子-茁(transforming growth factor-β，TGF-β)和炎癥反應(yīng)因子，也參與關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展，所以在此研究中也不能排除氫氣對這些信號的調(diào)節(jié)作用。

2.7調(diào)節(jié)其他信號通路

氫氣的抗氧化能力已經(jīng)在許多實驗中得到了證明，但是氫氣所表現(xiàn)出來的一些生物學(xué)效應(yīng)是不能用抗氧化來解釋的，而是其自身作為信號分子參與相關(guān)細(xì)胞通路的調(diào)節(jié)。Itoh等[4]發(fā)現(xiàn)在小鼠I型超敏反應(yīng)的模型中，服用富氫水可減緩被動皮膚過敏反應(yīng)(passive cutaneous anaphylaxis，PCA)，降低血漿組胺的水平。同時，用氫氣預(yù)處理lgE致敏嗜堿性白血病的RBL-2H3細(xì)胞，能減少脫粒標(biāo)志物茁氨基己糖苷酶的釋放。而且，氫氣能抑制Lyn及其下游信號分子Syk、PLC1、PLC2、Akt、ERK1/2、JNK、p38和cPLA2的磷酸化。另外，氫氣也能抑制抗原誘導(dǎo)激活的NOX和ROS的產(chǎn)生，研究者認(rèn)為這是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制的一個結(jié)果。上述分析表明，氫氣并不是通過清除自由基，而是作為特定的信號調(diào)節(jié)分子來改善I型超敏反應(yīng)。Tanaka等[51]報道稱在肺移植過程中通入氫氣，可顯著增加表面活性劑相關(guān)分子、ATP合酶和應(yīng)激反應(yīng)分子的表達(dá)。Li等[52]研究發(fā)現(xiàn)氫氣能降低破骨細(xì)胞的特異性標(biāo)志物的表達(dá)水平，包括抗酒石酸酸性磷酸酶、降鈣素受體、組織蛋白酶K、基質(zhì)金屬蛋白酶-9、碳酸酐酶域型、空泡型H+-ATP酶等。此外，氫氣能通過調(diào)節(jié)多種蛋白質(zhì)的表達(dá)，改善多種病理狀態(tài)。其中包括: 基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)[36，53];腦利鈉肽;胞間粘附分子-1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)和髓過氧化酶; 環(huán)氧合酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)，神經(jīng)元型一氧化氮合酶(neuronal nitric oxide synthase，nNOS)，錳超氧化物歧化酶(Mn-SOD)，間隙連接蛋白30和43[54];膠原蛋白芋[48];離子鈣結(jié)合銜接分子1 (ionizedcalciumbinding adapter molecule 1，Iba1)[55]。這些分子可能都不是氫氣的主要靶分子，但是其間接的作用能影響到最終效應(yīng)，我們可對其進(jìn)行基因和蛋白質(zhì)水平的分析，以尋找氫氣防治疾病的分子靶點。