氫醫(yī)學(xué)的創(chuàng)立、進展和今后可能發(fā)展

 

太田成男
 

生化學(xué) 第87 卷第1 號，pp. 82?90(2015)
 

氫分子一直以來都被認為是惰性的，在哺乳類細胞內(nèi)無法發(fā)揮作用的分子。筆者證明，氫氣在細胞中能夠消除羥基(·OH)這樣的氧化力強的物質(zhì)，改變了以往觀念，并提出氫氣可能應(yīng)用于疾病預(yù)防和改善。氫在組織和細胞中擴散迅速，不會破壞氧化還原反應(yīng)系統(tǒng)，也不會擾亂活性氧物質(zhì)信號傳遞功能。氫也能通過影響基因表達啟動體內(nèi)自身抗氧化作用，還有抗炎作用、抗過敏作用、抗細胞凋亡作用和促進能量代謝等廣泛功能。通過實驗動物模型所獲得的證據(jù)在不斷積累，而且也進行了許多臨床試驗，更多研究仍在進行中。一般傳統(tǒng)藥物只對特定靶向目標(biāo)發(fā)揮特異作用，氫氣不同于大部分傳統(tǒng)藥物，能對多種目標(biāo)產(chǎn)生效應(yīng)，因此，氫具有不同于傳統(tǒng)藥物的特點。
 

1. 序言
 

氫分子是化學(xué)式為H2的所謂氫氣，也被稱為分子氫，在本文只簡稱氫。一直以來，在哺乳動物細胞內(nèi)氫被認為不具有活性。實際上，在體溫條件下，氫如果沒有催化劑，不會和含氧化合物發(fā)生反應(yīng)。在擁有氫化酶的許多細菌中，氫在酶促作用下分解，可被作為能源使用?；蛘咭部赡茏兂蔁o氧代謝的產(chǎn)物。(點評：細菌能消耗氫氣，也能制造氫氣，這里只重點描述了利用氫氣)。
 

哺乳類動物沒有氫化酶基因，氫氣在體溫條件下相對穩(wěn)定，所以人們推測氫在哺乳類體內(nèi)是不發(fā)揮作用的。2007年，筆者們通過一篇論文證明，H2能消除細胞中的羥基自由基(·OH)和過氧亞硝酸陰離子(ONOO-)等氧化力很強的活性氧和活性氮，對抗氧化應(yīng)激，具有細胞保護作用，從而改變了傳統(tǒng)觀念。從那以后，許多人使用模型動物對氫的改善和預(yù)防效果進行研究，已經(jīng)發(fā)表了超過350篇論文。這些論文證明，在幾乎所有器官中，無論是直接還是間接，氫對氧化應(yīng)激有關(guān)模型疾病都有效果。并發(fā)現(xiàn)氫具有許多功能，例如抗炎、抗細胞凋亡和抗過敏作用，還有活化能量代謝作用。除了模型動物實驗的論文之外，迄今已發(fā)表了超過10篇的臨床試驗論文。不僅在醫(yī)學(xué)上，在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也進入人們視野，有多篇證明氫對植物有效的論文。
 

本文回顧了氫生物學(xué)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過，并對其效果和分子機制進行考察。
 

2.氧化應(yīng)激的病理和生理作用
 

1)氧化應(yīng)激病理作用
 

作為氧化性磷酸化能量代謝的副產(chǎn)品，好氧生物會日常性在其體內(nèi)產(chǎn)生活性氧(活性氧)。此外，受吸煙、大氣污染、紫外線、輻照、激烈運動、軀體或心理應(yīng)激等因素影響，產(chǎn)生過量活性氧。當(dāng)活性氧過量產(chǎn)生而內(nèi)源性抗氧化能力減弱時，就會發(fā)生過氧化引起有害作用，從而形成“氧化應(yīng)激”。炎癥、心肌梗塞、腦梗塞、器官移植以及手術(shù)止血時缺血再灌注等狀況都會產(chǎn)生急性氧化應(yīng)激(6,7)。許多研究表明，慢性氧化應(yīng)激與癌癥、糖尿病、動脈硬化、慢性炎癥性疾病以及大多數(shù)神經(jīng)退行性疾病等病理狀態(tài)和衰老都有關(guān)系(8)。
 

2)活性氧的生成過程
 

作為活性氧生成的第一步，是先產(chǎn)生超氧陰離子自由基(O2-)。這些超氧陰離子自由基大多數(shù)是因為線粒體電子傳導(dǎo)系統(tǒng)的電子泄漏產(chǎn)生，所以經(jīng)常說線粒體是活性氧的源頭。此外，其他蛋白酶如NADPH氧化酶、細胞色素P450、脂氧合酶、環(huán)加氧酶和黃嘌呤氧化酶也分別與免疫系統(tǒng)和解毒系統(tǒng)產(chǎn)生活性氧有關(guān)9)。
 

在超氧化物歧化酶(SOD)催化作用下，超氧陰離子自由基轉(zhuǎn)化為過氧化氫(H2O2)，進一步被過氧化氫酶催化反應(yīng)后形成水(H2O)。存在具有催化作用的過渡金屬離子如Fe2+離子或Cu+離子情況下，通過Fenton反應(yīng)或Weiss反應(yīng)，過氧化氫或超氧陰離子自由基轉(zhuǎn)變成高反應(yīng)性的·OH 10)。氧陰離子自由基與一氧化氮(·NO)反應(yīng)就會產(chǎn)生ONOO-這種高活性的活性氮物質(zhì)(RNS)11)，它與·OH一起成為氧化和破壞生物分子的主要原因12)。宇宙射線等放射線也可以電離水分子產(chǎn)生·OH。
 

3)過氧化氫的生理作用
 

如上所述，活性氧通常一直被認為只會引起細胞損傷并對生物體有害。然而，細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)處于活性氧產(chǎn)生和抗氧化系統(tǒng)之間的微妙平衡中13)。現(xiàn)在已知幾種活性氧是作為調(diào)節(jié)多種生理機能的信號傳導(dǎo)分子來發(fā)揮作用14,15)。
 

此外，由過氧化氫和·NO引起的氧化應(yīng)激會誘導(dǎo)與抗氧化和抗性有關(guān)的酶，保護細胞免受氧化應(yīng)激損傷16,17)。例如，轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2(Nrf2)轉(zhuǎn)移到細胞核中就會啟動抗氧化基因表達，這些基因能防御重金屬等有毒物質(zhì)的毒性18)。過氧化氫也是細胞分化19)、免疫系統(tǒng)20)、自噬21)和細胞凋亡22)的重要調(diào)節(jié)因子，是維持細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)不可缺少的成員。因此，為維持細胞正常功能，絕對不能徹底消除過氧化氫。
 

4)理想的抗氧化劑
 

氧化損傷引起各種疾病，人們雖然期待這些疾病可通過抗氧化劑來改善和預(yù)防，但過去一直沒有取得成功23)。所謂抗氧化補充劑已被證明在預(yù)防癌癥、心肌梗塞和動脈粥樣硬化方面基本無效，相反長期大量使用這些抗氧化劑還會增加死亡率23-26)。因此，在開發(fā)有效的抗氧化劑以預(yù)防與氧化應(yīng)激相關(guān)疾病時，對消除活性氧時帶來的副作用也是非常重要的。
 

考慮到這些情況，理想抗氧化分子應(yīng)該是能緩解過多氧化應(yīng)激，但又不能過多影響氧化還原穩(wěn)態(tài)。換句話說，理想的抗氧化分子不應(yīng)該過度減少過氧化氫這樣的功能信號分子，但又必須能針對性有效減少像·OH這樣的強氧化劑。考慮到這些因素，作者基于實驗結(jié)果得出結(jié)論，氫就是理想的抗氧化分子。
 

3.發(fā)現(xiàn)氫分子的生物學(xué)效應(yīng)
 

在探索理想的抗氧化分子過程中，我們進行了以下實驗。通過施用線粒體電子傳遞鏈抑制劑抗霉素A，使培養(yǎng)PC12細胞暴露于氧化應(yīng)激中，這些細胞對氧化應(yīng)激作出反應(yīng)，顯示出異常形態(tài)改變。在不改變pH、氧氣和二氧化碳濃度等條件下，將氫注入培養(yǎng)皿，即使施加相同氧化應(yīng)力，細胞也不再顯示形態(tài)改變。當(dāng)從培養(yǎng)液中除去氫后，細胞就再次對氧化應(yīng)激作出反應(yīng)，發(fā)生形態(tài)改變。這些結(jié)果表明，氫直接作用于細胞發(fā)揮抗氧化作用，且氫氣沒有通過影響培養(yǎng)液成分發(fā)揮作用(除去失效)。基于第一次實驗獲得的這些結(jié)果，我們開始認為氫具有很大的實際臨床應(yīng)用潛力，并開始大力研究氫，那是2005年1月的事情。
 

接下來，我們嘗試確定氫在培養(yǎng)細胞中起作用的分子標(biāo)靶。即使把氫氣溶解到培養(yǎng)液中，檢測超氧陰離子自由基的熒光染料MitoSOX和檢測過氧化氫的熒光染料DCF-DA(dichlorofluorescein diacetate)的熒光信號在細胞中沒有出現(xiàn)變化。此外，采用DAF-2DA(diaminofluorescein-2 diacetate)來檢測由DAF-2 DA(S-nit活性氧o-N-acetyl-D,L-penicillamine)誘導(dǎo)的·NO的細胞內(nèi)水平時，發(fā)現(xiàn)到·NO也不會被氫氣消除。與此相對照地，在施用氫時，·OH的檢測用熒光染料HPF(hydroxyphenylfluorescein)27)的熒光信號卻降低了(圖1)。隨后再通過電子自旋共振(ESR)自旋捕獲方法證實氫降低細胞內(nèi)·OH水平。
 

 

氫與活性氧的選擇性反應(yīng)可以通過·OH的氧化能力非常強大這點來解釋，如圖2所示。這意味著·OH具有足夠強氧化能力能與惰性的氫發(fā)生反應(yīng)，而超氧陰離子、過氧化氫和一氧化氮自由基沒有能與氫反應(yīng)那么強的氧化能力。換句話說，氫的作用溫和，不影響代謝氧化還原反應(yīng)，也不影響具有細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)功能的活性氧。氫具有選擇性抗氧化作用。
 

4.氫與其他醫(yī)學(xué)氣體比較
 

在此，讓我們與其他醫(yī)學(xué)氣體進行比較。硫化氫(H2S)和一氧化碳(CO)、一氧化氮(·NO)都是毒性很強的分子，但它們作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子卻發(fā)揮重要作用28-30)。最近研究表明，血紅素蛋白作為這些氣體分子靶標(biāo)起著重要作用。線粒體細胞色素c氧化酶也是一種血紅素蛋白，在線粒體呼吸鏈中發(fā)揮核心作用30)。然而，由于氫不與血紅素反應(yīng)，因此氫的主要目標(biāo)應(yīng)該與其他醫(yī)學(xué)氣體不同。細胞通過·NO合酶、胱硫醚γ-裂解酶、胱硫醚β-合酶和血紅素加氧酶(HO-1)的酶促反應(yīng)，能分別合成·NO、H2S、CO30,31)。相反，如上所述，哺乳動物不具有能在其細胞中產(chǎn)生氫的酶。
 

 

與其他醫(yī)學(xué)氣體相比，氫具有完全無細胞毒性的優(yōu)點。已經(jīng)在人體中證實，即使在高氫濃度下也沒有細胞毒性32,33)。
 

并且，氫氣容易燃燒，只需要高于527℃溫度就可點燃，但空氣中氫氣僅在爆炸范圍(4～75%，體積比)濃度下，才可能會與分子氧反應(yīng)而發(fā)生爆炸。如后所述，由于吸入1%～4%濃度的H2氣體就非常有效，因此氫氣應(yīng)該能在臨床上廣泛使用，而無需擔(dān)心爆炸危險2,34)。
 

5.氫氣的攝取方法
 

1)氫氣吸入
 

吸氫是將氫氣攝入體內(nèi)的最簡單方法。由于吸入氫氣能迅速被肺吸收，然后通過血液循環(huán)短時間內(nèi)運輸?shù)饺?，因此吸入氫氣適合用于防止急性氧化應(yīng)激。特別是心肌梗塞，若采取靜脈點滴氫氣溶液注射，因增加血容量會導(dǎo)致血壓升高，在心肌改善中加重損傷，但氫氣吸入則不影響血壓2)。通過實驗證實，氫氣甚至可以擴散到血管已經(jīng)梗塞、血流已經(jīng)停止的梗死組織內(nèi)，能防止缺血再灌注時活性氧的傷害，這點也是它不同于其他藥物的一個優(yōu)勢(圖3)。
 

在動物實驗中，吸入約1%～4%氫氣確認有效，在臨床試驗中，給病人吸入3～4%氫氣安全性和血液氫濃度變化也已經(jīng)確認35)。對人的腦缺血和心肌缺血改善效果也有了小規(guī)模臨床證據(jù)(2017年)。
 

2)飲用氫水口服攝入
 

考慮到氫氣吸入比較不方便，為了預(yù)防疾病日常使用氫氣，比較方便的方法是飲用氫水。氫水可以隨身攜帶，單靠喝水就能攝取氫氣，更安全且實用36,37)。在室溫大氣壓下，氫在水中最大可溶解至0.8mM(1.6mg/L)，不改變水的pH值。飽和氫水比稀釋氫水更有效，但研究發(fā)現(xiàn)稀釋10倍的80μM的氫水也能有效改善小鼠肥胖癥38)。研究結(jié)果表明氫氣的有效劑量比原來想象的更低，效果可能超過預(yù)期。氫氣分子體積非常小，一般的塑料包裝材料無法長時間維持氫水濃度，采用金屬容器才能長時間保持氫氣不泄漏。
 

3)含氫生理鹽水注射
 

將氫氣溶解到生理鹽水中，以含氫生理鹽水形式進行靜脈或腹腔注射，這種方法已在實驗動物中高效地提供氫氣39)，這種方法的安全性已在臨床試驗中得到驗證40)。
 

4)局部使用氫：滴眼液、沐浴、化妝品
 

利用氫的強大擴散性，能經(jīng)體表吸收到體內(nèi)。研究證實，溶解氫氣的滴眼液直接施用于眼球表面，氫氣會擴散到?jīng)]有血流的眼球當(dāng)中41,42)。低溫保存心臟移植物放入氫水浸泡，利用擴散性供氫氣，可有效緩解心肌再灌注損傷43)。
 

氫氣容易穿過皮膚，通過血液運輸?shù)饺?。氫氣熱水沐浴是日常生活中攝入氫氣的理想方式，已有幾家公司在市面銷售氫水浴沐液。
 

6.氫的檢測和體內(nèi)動態(tài)變化
 

氫作為抗氧化劑有效的原因還在于其物理性質(zhì)，因為氫分子量很小，能迅速穿過生物膜并擴散到細胞液中，并很快到達細胞核和線粒體，可保護核和線粒體DNA2)。氫還能自由穿過血腦屏障，這對大腦和脊髓疾病改善是非常有價值。
 

氫氣的溶解度比較小，生物組織和水中含有大量氫原子，采用氣相色譜無法對液相內(nèi)氫氣濃度進行直接測量。將血液或器官內(nèi)氫可釋放到氣相，然后通過氣相色譜法測量可以顯著提高測試靈敏度。給大鼠吸入氫氣后，動脈血中氫濃度隨吸氫濃度增加而增加，靜脈血氫水平低于動脈血中。動脈和靜脈血之間濃度差提示氫氣被組織攝取和消耗掉氫氣量2)。小鼠喝飽和氫水后數(shù)分鐘內(nèi)血液中檢測到微摩爾級氫氣37,44)。
 

組織中氫濃度動態(tài)改變可以通過氫電極即氫傳感器分析。例如在大鼠心肌中，電極插入梗塞部位測量氫氣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)即使在冠狀動脈完全閉塞血流完全中斷，氫氣在缺血組織內(nèi)也會升高，提示氫氣能從未缺血組織擴散到缺血組織34)(圖3)。將氫氣滴眼液直接滴到大鼠角膜上，通過角膜將針狀氫傳感器電極插入玻璃體并進行連續(xù)監(jiān)測，證明氫氣能跨過角膜擴散到玻璃體41)。此外有研究用針型氫傳感器監(jiān)測肝臟組織氫氣，測量肝組織內(nèi)氫氣動態(tài)改變38)。
 

通過氣相色譜法測量成人受試者飲用氫水后呼氣中氫含量，當(dāng)攝取氫水后，呼氣中氫含量迅速上升，攝取后10分鐘到達峰值，在60分鐘內(nèi)返回基線。飲用氫水內(nèi)氫氣大約有40%在體內(nèi)被利用，表明攝入氫氣至少有一部分是被·OH等氧自由基清除捕捉到了45)。
 

7.氫分子的效果和臨床試驗
 

1)對缺血再灌注損傷的保護作用
 

缺血再灌注會產(chǎn)生大量的活性氧并損傷組織。給動物吸入氫氣后，改善了腦梗塞2)和心肌梗塞34)期間的缺血再灌注損傷(圖4)。腹腔注射氫氣生理鹽水，保護腎臟免受缺血再灌注損傷46)。心肺停止后復(fù)蘇后障礙源于大腦和心臟等器官缺血再灌注損傷。通過吸入氫氣，大鼠心臟驟停后存活率和神經(jīng)病變都得到很大改善47)。

 

無論是吸氫氣48)、喝氫水49)，或把器官浸入含氫液43)，都能減少器官移植后損傷。事實證明，不管何種方法，只要有氫氣攝入，就可以產(chǎn)生效果。用氦氣對照，就沒有這種作用，這說明氫氣是產(chǎn)生作用的根源，氫氣的還原性是產(chǎn)生作用的條件50)。
 

2)對神經(jīng)變性的作用
 

慢性氧化應(yīng)激被認為是神經(jīng)退行性疾病如癡呆和帕金森病的原因之一51)。通過施加慢性束縛應(yīng)激，可誘導(dǎo)大腦氧化應(yīng)激，造成學(xué)習(xí)和記憶障礙52)。受束縛應(yīng)激影響，海馬齒狀回神經(jīng)細胞增殖會受到抑制。通過飲用氫水，這一氧化應(yīng)激過度得到抑制，且預(yù)防了學(xué)習(xí)、記憶和空間認知機能的功能障礙。在實驗動物模型中，氫水促進了海馬齒狀回神經(jīng)細胞增殖37)?？紤]到抗抑郁藥被認為可增加成人神經(jīng)元新生53)，所以氫水可能對改善抑郁癥等精神障礙也是有效的。
 

在帕金森病中，與線粒體功能障礙相關(guān)的氧化應(yīng)激被認為是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元丟失的主要原因54)。利用羥基多巴胺(6-OHDA)的毒性造成黑質(zhì)紋狀體變性的帕金森氏病大鼠模型，在6-OHDA給藥前或給藥后給動物們飲用氫水，發(fā)現(xiàn)大鼠黑質(zhì)紋狀體變性的形成和發(fā)展都被阻止55)。此外，利用1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine(MPTP) 誘導(dǎo)的另一種小鼠帕金森病模型中，多巴胺能神經(jīng)元喪失也能被氫水飲用抑制56)。
 

基于這些顯著結(jié)果，實施的一項隨機雙盲臨床試驗，讓帕金森病患者飲用氫水48周，根據(jù)臨床帕金森病評價指標(biāo)(Unified Parkinson’s DiseaseRating Scale，UPDRS)進行判斷，結(jié)果顯示氫水具有顯著改善人類帕金森病的效果57)。
 

3)促進能量代謝和改善代謝綜合征的作用
 

飲用氫水后，能量代謝被激活38)。氫水顯著改善肥胖的2型糖尿病模型小鼠db/db小鼠脂肪肝癥狀。雖然食物和水?dāng)z入量完全相同，但長期喝氫水卻顯著減少體脂肪和體重(不少吃飯，體重下降，是不是讓許多胖妹紙激動)。此外，發(fā)現(xiàn)喝氫水后氧氣消耗量和二氧化碳排放量增加，這表明通過活化能量代謝而降低了血漿葡萄糖水平和胰島素、甘油三酯水平38)。此外，給動脈硬化模型小鼠持續(xù)飲用氫水后，動脈硬化得到抑制36)(圖5)。
 

 

中國山東泰山醫(yī)學(xué)院一個研究小組在給代謝綜合征受試者飲用氫水10周后，發(fā)現(xiàn)總膽固醇(TC)和LDL膽固醇水平降低了。并且，氫水抑制了氧化LDL、腫瘤壞死因子α(TNF-α)誘導(dǎo)的單核細胞與內(nèi)皮細胞粘附，顯著改善了膽固醇從巨噬細胞泡沫細胞中外流活性等58)。
 

總之，這些結(jié)果強烈暗示，患有代謝綜合征的患者是可以期待氫水的飲用效果的。
 

4)對運動疲勞和損傷的影響
 

使用交叉雙盲法以年輕男子足球運動員為測試對象，研究了氫水對運動的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，服用安慰劑水的受試者，在劇烈運動后血液乳酸水平升高了，但喝氫水時，劇烈運動期間血液乳酸水平上升得到了抑制，肌肉疲勞也得到緩解59)。
 

5)抑制炎癥的作用
 

利用刀豆蛋白A、葡聚糖硫酸鈉、脂多糖(LPS)、酵母聚糖(誘發(fā)全身廣泛性炎癥的物質(zhì))、嚴重細菌感染引起的膿毒癥等炎癥動物模型中，飲用氫水、注射氫氣生理鹽水、吸氫都能降低炎性細胞因子水平，并抑制炎癥損傷5)。
 

針對類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等慢性炎性疾病，雙盲對照臨床試驗也證實飲用氫水具有改善效果60)。
 

6)減輕癌癥改善副作用
 

吸入氫氣和飲用氫水改善了小鼠抗癌藥物順鉑改善所引起的體重減輕，改善腎毒性，降低死亡率。盡管對順鉑毒性具有保護作用，但氫卻不影響順鉑對體外癌細胞系和體內(nèi)腫瘤小鼠的抗腫瘤作用44)。
 

針對接受惡性肝腫瘤放射改善患者進行的6周攝取氫水雙盲試驗結(jié)果顯示，血清抗氧化能力得到維持，生活質(zhì)量(QOL)評分得到提高61)。
 

7)對其他疾病模型及患者的影響
 

已經(jīng)證明攝取氫氣在很多種疾病模型中都有效，包括耳聾、角膜障礙、牙周病、非酒精性肝炎、高血壓、骨質(zhì)疏松癥、解毒等，作用非常廣泛5)。
 

 

臨床試驗中，除上述情況外，還有對皮肌炎和線粒體疾病的改善效果、對血液透析副作用的緩和效果，對急性紅斑性皮炎和間質(zhì)性膀胱炎患者用氫氣也取得了理想效果5)。據(jù)聞某些自由診療診所在積極使用氫氣，并收到良好臨床改善效果。
 

上述動物實驗和臨床試驗的結(jié)果總結(jié)在圖6中。氫氣咋看上去在完全不同類型的疾病組中也是有效的。
 

8.氫分子作用的分子機制
 

如上所述，大量實驗都證明氫具有廣泛功能。在雙盲臨床試驗中也被證明有效。然而，很難說這些功能的分子機制已經(jīng)被解明。我想從直接和間接作用兩方面對這個問題進行探討。
 

1)氫分子直接中和羥基自由基
 

使用培養(yǎng)細胞的實驗中，氫還原·OH是通過熒光試劑反應(yīng)和自旋探針俘獲法確認的2)。之后，證明氫滴眼藥直接減少利用視網(wǎng)膜缺血再灌注所誘發(fā)的·OH 41)，中國學(xué)者也在組織水平顯示，氫氣能中和利用放射線在精巢誘導(dǎo)的·OH 62)。
 

眾所周知，·OH是自由基連鎖反應(yīng)的啟動者。在生物膜上一旦產(chǎn)生這種自由基連鎖反應(yīng)，反應(yīng)就會持續(xù)擴大，最終對細胞造成嚴重損傷。一旦發(fā)生自由基連鎖反應(yīng)，過氧化脂質(zhì)就會增加，變成引起各種疾病原因之一。脂質(zhì)過氧化會產(chǎn)生4-hydroxyl-2-nonenal(4-HNE)和丙二醛(MDA)等氧化應(yīng)激反應(yīng)標(biāo)記物63)，很多研究都表明，氫氣能降低這些氧化損傷標(biāo)記物。
 

因此，這些觀察結(jié)果暗示，只要存在足夠量氫氣，那么被·OH誘發(fā)的組織氧化就可能得到有效緩解。但是，通過飲用氫水等方式，體內(nèi)氫濃度不夠高的情況下，這種解釋就很難讓人信服。(氫氣作用太強，劑量小作用很大，無法讓人容易接受)
 

2)氫分子直接還原過氧亞硝酸鹽對基因表達進行調(diào)節(jié)
 

作為另一種分子機制，有必要考慮氫氣對ONOO-的消除。已知ONOO-能修飾蛋白酪氨酸以產(chǎn)生硝基酪氨酸11)。無論是氫水49)、氫氣64)還是氫生理鹽水65)，通過攝取氫氣顯示出有效地降低了實驗動物模型中的硝基酪氨酸水平，人飲用氫水后，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的硝基酪氨酸水平也下降了60)。因此，氫的作用至少一部分可能是由于蛋白質(zhì)硝基?；艿搅艘种啤?br />  

由于已知許多參與轉(zhuǎn)錄控制的蛋白質(zhì)因子被硝化(-O-NO2)或亞硝化(-S-NO2)，因此認為，只要減少-O-NO2或-S-NO2，各種各樣的基因表達就能得到控制11)。
 

3)控制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)
 

氫能阻礙ASK1及其下游信號分子p38 MAP激酶和JNK、IκB的磷酸化，調(diào)節(jié)信號傳導(dǎo)66)。而且，氫還被證明可以抑制包括MEK、p38和ERK-1/2在內(nèi)的多個信號蛋白的磷酸化49)，并且也有報告指出氫能使NF-κB失活67)。這些研究都在暗示氫氣能影響信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并調(diào)節(jié)基因表達。至于它是通過什么機制參予信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，目前正在詳細分析。
 

4)通過調(diào)節(jié)基因表達間接地減少氧化應(yīng)激
 

氫能誘導(dǎo)HO-1和SOD、過氧化氫酶和髓過氧化物酶等抗氧化系統(tǒng)，減輕氧化應(yīng)激5)。
 

已知Nrf2通過誘導(dǎo)包括HO-1在內(nèi)的多種基因而起到抵抗氧化應(yīng)激和各種毒物的防御作用。Nrf2缺損小鼠即使吸入氫氣也不會改善與HO-1減少相關(guān)的過氧化性肺損傷，似乎氫氣依賴于Nrf2來參與過氧化性肺損傷的改善68)。
 

5)調(diào)節(jié)炎性細胞因子和荷爾蒙的基因表達
 

在大多數(shù)炎癥模型中，氫氣都是通過減少炎性細胞因子的表達來發(fā)揮抗炎作用3-5)。這種炎性細胞因子等增強炎癥的能被氫氣抑制其表達的因子有，TNF-α、白細胞介素(IL)-1β、IL-6、IL-10、IL-12、CCL2、干擾素(INF)-γ、細胞間粘附分子1(ICAM-1)、PGE1和PGE2、high mobility group box 1(HMGB-1)等3-5)。
 

如前所述，氫水能改善肥胖和代謝參數(shù)。分析基因表達的結(jié)果表明，飲用氫水可增加肝荷爾蒙的成纖維細胞生長因子21(FGF21)的表達。FGF21具有激活脂肪酸和葡萄糖消耗的功能38)。
 

飲用氫水后，生長素(ghrelin，一種促進分泌生長素的物質(zhì))在胃中的表達增加了。由于氫水的神經(jīng)保護作用在施用生長素受體拮抗劑后消失了，因此這暗示與ghrelin是有關(guān)的69)。
 

6)調(diào)節(jié)其他基因表達
 

氫針對多種多樣的病理狀態(tài)在增加抗凋亡因子這一方向上進行調(diào)節(jié)，并且同時在減少促凋亡因子的方向上進行調(diào)節(jié)，從而在抑制細胞凋亡的方向上發(fā)揮作用。事實上，氫激活了Bcl-2和BclxL的抗凋亡因子的表達，并抑制了caspase 3、caspase 8和caspase12等促凋亡因子的表達。氫不僅降低了促凋亡性的Bax(Bcl-2-associatedX protein)的基因表達，還抑制了Bax的活化即向線粒體的移動70)。
 

氫似乎在改善各種病理狀況的方向上調(diào)節(jié)基因表達。氫調(diào)節(jié)基因表達極具多樣性，諸如MMP2/MMP9、MMP3/MMP13、腦利尿肽、ICAM-1/髓過氧化物酶、環(huán)氧合酶2(COX-2)、一氧化氮合酶(nNOS和iNOS)、連接蛋白30/43、膠原蛋白III、鈣結(jié)合蛋白1(Iba1)等3-5)。

這些分子并不是氫的主要響應(yīng)者，可能是通過間接作用使氫的各種作用得以發(fā)揮出來。
 

7)氫作用機理中的問題
 

許多實驗和臨床試驗證實了氫的生物學(xué)和醫(yī)學(xué)作用。但是，為了闡明分子機理，有必要考慮以下問題：
 

氫是一種惰性分子，可以在沒有催化劑的情況下反應(yīng)的分子應(yīng)限于具有很強氧化能力的分子，如·OH和ONOO-。
 

水溶液中氫和·OH的反應(yīng)速率比·OH和谷胱甘肽等還原性物質(zhì)慢1000倍71)。水溶液中的低濃度氫，不可能通過與細胞中存在的谷胱甘肽等的競爭反應(yīng)來消除·OH。
 

氫沒能還原氧化型的輔酶NAD+和FADH，即使在存在酶的情況下也沒能向NADH和FADH2轉(zhuǎn)換(未發(fā)表)。
 

氫不能還原過渡金屬。通過2Cu2++ H2→2Cu++ 2H+反應(yīng)進行還原時，應(yīng)可以在pH下靈敏檢測得到。例如在pH7時，可以顯著檢測到的0.01ΔpH，也應(yīng)該可以檢測到10-9的數(shù)量級，但通過pH的變化則沒有檢測到氫的還原性。此外，血紅素鐵也沒能還原(未發(fā)表)。
 

由于線粒體內(nèi)膜的細胞質(zhì)側(cè)帶正電并且具有非常高的電壓，因此曾想象可能有H2→H+ + H-(假設(shè)H-被線粒體的正電荷吸收)這樣的反應(yīng)，但沒有檢測到。
 

為了證明氫的反應(yīng)性，需要鉑金屬或銅金屬等催化劑，但不認為這種催化劑在細胞中大量存在。此外，從細胞提取液中沒有確認到任何催化與氫反應(yīng)的活性。
 

氫分子很小，所以不可能存在可以特異性結(jié)合氫的受體。因為蛋白質(zhì)的振動大于氫的大小，所以它們不能固定氫。在許多情況下，蛋白質(zhì)與低分子要牢固結(jié)合必須固定在三個點上，但它無法3點固定氫分子。
 

與大腸桿菌和威爾士真菌這些腸內(nèi)細菌能產(chǎn)生大量氫氣相比，通過飲用氫水所攝取的氫氣量非常小。但是，在信號傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)上，氫濃度的變化要比氫含量更為重要72)。
 

以上討論是基于水溶液中的反應(yīng)這個前提。例如，許多酶反應(yīng)在實驗中通常需要幾分鐘以上的時間來測量反應(yīng)速率，但許多生物體內(nèi)的反應(yīng)是以毫秒量級進行的。因此，在生物體內(nèi)，稀釋水溶液中的反應(yīng)速率是不適用的。細胞內(nèi)通過復(fù)雜的生物膜和粘性溶液被高度地組織在一起，并且許多組分濃縮地存在著。由于碰撞頻率是粘性環(huán)境中的速率控制步驟，因此氫的擴散速率快可能變成克服低反應(yīng)速率常數(shù)的一項優(yōu)點。而且，氫也可能局部存在于某些特定場所。
 

作者最近確定了氫調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達的首要標(biāo)靶，可能在不久的將來就能對這些問題作出解答(投稿中)。
 

9. 結(jié)語
 

最近，氫氣對植物的影響已陸續(xù)報道，主要是對鹽害、根系發(fā)育和水果保鮮的效果。氫不僅只在醫(yī)療上，還可能對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重大影響73,74)。
 

本文概述了氫氣醫(yī)學(xué)從黎明破曉到臨床應(yīng)用的發(fā)展過程。與氧化應(yīng)激和炎癥相關(guān)的氫氣，對幾乎所有的病理狀態(tài)都有很大的效果。而且，氫沒有有害的副作用，可以相對容易地進行驗證和應(yīng)用。事實上，它已經(jīng)顯示出對超過10種以上的疾病具有積極正面的臨床效果。大多數(shù)藥物只專門針對各自的靶標(biāo)，所以在考慮氫的效應(yīng)時，有必要引入全新的概念。氫對廣泛多樣的疾病有效，因此能應(yīng)用到很多疾病的預(yù)防和改善中的可能性很大。
 

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作者素描

 

●太田 成男(おおた しげお)

日本醫(yī)科大學(xué)院醫(yī)學(xué)研究科生物學(xué)領(lǐng)域教授.

■簡歷：1951年出生于福島縣.74年畢業(yè)于東京大學(xué)理學(xué)部，79年畢業(yè)于東京大學(xué)大學(xué)院藥學(xué)系研究科博士課程，81年畢業(yè)于瑞士聯(lián)邦巴塞爾大學(xué)生物中心研究所研究員，85年自治醫(yī)科大學(xué)生化學(xué)教室講師，91年同副教授，94年開始現(xiàn)職.

■研究主題和抱負：主題是氫醫(yī)學(xué)、線粒體醫(yī)學(xué).雖然氫還存在許多尚未明白的問題但同時也有無限的可能性，為了讓任何人都能理解，希望盡力詳細地闡明分子機構(gòu)。另外，為了讓氫作為醫(yī)藥得到認可，希望能提供臨床試驗上的幫助。