氫氣對肺移植保護機制的研究

本論文概述來自中國呼吸與危重監(jiān)護雜志
作者：張夢荻 , 周華成 
簡介：當前肺移植是治療終末期肺疾病的最終方案，但其長期存活率和成功率都偏低。其中肺缺血再灌注損傷（lung ischemia reperfusion injury，LIRI）是影響預后的關(guān)鍵因素。氫氣作為一種新型綠色能源和能量儲存媒介，已廣泛用于深海潛水和燒傷的治療中。此外，氫氣對心、腦、腎等器官的氧化應(yīng)激損傷也具有保護作用：可通過抗炎癥反應(yīng)、抗氧化應(yīng)激、抗凋亡、穩(wěn)定線粒體、保護細胞等機制保護器官功能。氫氣對肺移植相關(guān)損傷的研究仍處于初級階段，本文就氫氣對肺移植保護的可能機制進行綜述。
 
背景：肺移植相關(guān)肺損傷包括移植前損傷和移植后損傷。肺移植前，供體自身臟器功能的損害、供體腦死亡等肺外因素、機械通氣等原因可導致肺損傷。取肺時，熱缺血期對器官的損害最為嚴重，因為器官離體后雖無血供，但組織仍進行代謝，此時氧氣和各種代謝底物供應(yīng)嚴重缺乏，故器官缺血損害出現(xiàn)快且重。而冷缺血期時間較長、對血液和養(yǎng)分的需求多，同時低溫灌注和長時間的冷保存都會導致鈉泵失活、鈣超載和鐵離子釋放，可引起細胞變性、炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激損傷。移植后損傷包括 LIRI 和急慢性排斥反應(yīng)等。LIRI 是肺移植損傷的重要原因，它是指造成組織損傷的主要因素不是缺血本身，而是恢復血供后，過量的自由基攻擊重新獲得血供的組織內(nèi)的細胞。LIRI 具有雙向炎癥反應(yīng)，而在缺血再灌注后急性期，是由大量的中性粒細胞聚集引起活性氧（reactive oxygen species，ROS）釋放，損傷肺實質(zhì)。這是肺移植術(shù)后急性肺損傷的主要原因
 
 
氫氣抗炎癥反應(yīng)
炎癥是具有血管系統(tǒng)的活體組織對損傷因子的防御性反應(yīng)。在肺移植過程中，肺組織的缺血激活了細胞中炎性因子的釋放，誘發(fā)了炎癥級聯(lián)反應(yīng)。炎癥反應(yīng)可引起機體血管內(nèi)皮損傷、白細胞增多、體液滲出等癥狀，抑制肺功能、影響肺移植預后。氫氣能夠直接減少 TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8、ICAM-1、8-OHdG 等炎癥因子 mRNA 的表達，抑制 CCL2 等趨化因子 mRNA 的產(chǎn)生，減少白細胞的聚集。Zhai 等發(fā)現(xiàn)飽和氫氣水處理組中用 CD11b 標記的中性粒細胞表達量明顯低于對照組。MPO 作為中性粒細胞聚集的標志，在飽和氫氣水組也顯著低于對照組。
 
 
氫氣抗氧化應(yīng)激
氧化應(yīng)激（oxidative stress，OS）是指機體在遭受各種有害刺激時，體內(nèi)高活性分子如 ROS 等產(chǎn)生過多，氧化程度超出氧化物的清除程度，氧化和抗氧化系統(tǒng)失衡，從而導致組織損傷。氫氣可以選擇性的降低羥自由基（·OH）和亞硝酸陰離子（ONNO^-），使其生成水。降低由氧化損傷產(chǎn)生的自由基，維持其生理平衡。MDA 是脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的氧化終產(chǎn)物、氧化損傷的重要指標。應(yīng)用 3% 氫氣通氣能提高 SOD 水平，同時降低 MDA 水平。氫氣還可以自由進入線粒體，減少來自線粒體的 ROS，進而抑制脂膜過氧化反應(yīng)、DNA 的破壞、蛋白質(zhì)的變性，恢復器官功能。
 
氫氣抗細胞凋亡
凋亡是通過調(diào)控細胞內(nèi)基因及其產(chǎn)物而發(fā)生的細胞程序性死亡。肺泡上皮細胞的凋亡是導致 LIRI 和肺功能障礙的重要因素。凋亡的激活主要是由于大量半胱氨酸天冬酶級聯(lián)反應(yīng)（caspase cascade）的發(fā)生。其中以 caspase-3 最顯著且重要。Zhang 等發(fā)現(xiàn)，氫氣能夠通過外源性途徑抑制細胞凋亡，顯著抑制 caspase-3、caspase-8 蛋白的表達、降低 ROS 的產(chǎn)生。氫氣還可通過調(diào)節(jié)線粒體，中斷電子運輸、調(diào)整氧化磷酸化、改變 ATP 的產(chǎn)量、釋放觸發(fā) caspase 家族的活化蛋白、調(diào)整細胞氧化還原電位等機制影響凋亡的發(fā)生。
 
氫氣抑制肺泡上皮細胞水腫
LIRI 可引起肺血管內(nèi)皮通透性增加、細胞滲出增多、肺間質(zhì)水腫。肺泡是否能良好吸收肺泡內(nèi)的液體是有無肺損傷的標志。氫氣可以改善肺血管的通透性、減少組織水腫。Zhai 等發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用飽和氫氣水處理后，急性肺損傷模型中肺內(nèi)水容量以及肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中的蛋白濃度都明顯下降。Kohama 等發(fā)現(xiàn)，氫氣可以通過減少 ROS，減弱對肺泡上皮細胞的破壞和肺組織的水腫。
 
氫氣對線粒體的影響
線粒體是真核生物進行氧化代謝的部位，是糖、脂肪和氨基酸最終氧化釋放能量的場所。線粒體能合成 ATP 為細胞提供能量、參與細胞增殖與代謝調(diào)控、控制細胞程序性死亡，是細胞至關(guān)重要的細胞器之一。線粒體是調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激的重要通路，Liu 等發(fā)現(xiàn)，氫氣能提高肝臟組織中 mSOD、mCAT、mGpx 的含量，降低 mMDA 的含量。即氫氣能抑制線粒體的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。氫氣還能通過保護線粒體抑制細胞凋亡。其機制首先為氫氣可以穩(wěn)定線粒體的膜通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP），降低線粒體膜的滲透性、維持線粒體膜的穩(wěn)定性。其次，氫氣能減少細胞色素 C 的釋放，抑制下游 caspase 級聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生。氫氣可以通過增強線粒體的膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）提高細胞的生存狀態(tài)。此外，氫氣還可以增強線粒體的呼吸功能、提高 ATP 的含量。
 
氫氣對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的影響
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum，ER）承擔運輸細胞內(nèi)物質(zhì)的作用，是細胞內(nèi)舉足輕重的細胞器。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum stress，ERS）表現(xiàn)為 ER 腔內(nèi)錯誤折疊、未折疊蛋白聚集以及鈣離子平衡紊亂?？杉せ钗凑郫B蛋白反應(yīng)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)超負荷反應(yīng)和 caspase-12 介導的凋亡通路等信號途徑。IRI 過程中引發(fā)的氧化應(yīng)激、鈣超載、炎癥等均可誘發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，而過度 ERS 介導的細胞功能障礙及凋亡又會參與 IRI。然而飽和氫氣水能降低細胞葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白 78（78-kDa glucose regulated protein，GRP78）、caspase-12、Bax、CCAAT/增強子結(jié)合蛋白同源蛋白質(zhì)（C/EBP-homologous protein antibody，CHOP）蛋白表達，升高 Bcl-2 蛋白表達，從而抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，降低細胞凋亡，減輕IRI。
 
總結(jié)
氫氣可通過抗炎癥反應(yīng)、抗氧化應(yīng)激、抗凋亡、穩(wěn)定線粒體、保護細胞等機制保護器官功能。由于氫氣安全、高效能、分子小、低價、方便獲取、不蓄積等特點，將來可作為一種藥物應(yīng)用于臨床