Discovery，research and application of hydrogen biomedical effects
Zhao Min， Qin Shu cun
Abstract：Hydrogen has potential protective effects on cardiovascular， brain，tumor and other diseases through anti-inflammatory, anti-oxidation, anti-apoptosis,regulation of energy matabolism and biologcal enzyme activities,and has achieved preventive and theraputic effect in preliminery clinical trials . Hydrogen as an supplement treatment has been provided by therapeutic protocols for novel corona-virus pneumonia , and has broad application prospects in the biomedical field. At present, the biological role of hydrogen has been widely concerned , and its unknown mechanism has been gradually discovered. However, the wide aoolication of hydrogen medicine still has many challenges. this review focuses on the discovery of hydragen biomedical effects，pleiotropic mechanism and clinical application，and describes the challenges and coping stralegies of hydrogen biomedical research.Key words:molecular hytlrogen;biological activity;molecular mechanism; clinical application;research progress 氫氣《 molecualar hydrogen , H2》是一種無味、無色且其有還原性的氣體,其化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單,分子量小,易于擴散,可順利進入機體各個部位。1975年Science雜志就報道了氫氣的生物學(xué)效應(yīng),但是一直沒有受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。直到2007年,日本醫(yī)科大學(xué)的一篇研究報告改變了學(xué)術(shù)界對氫氣的認識,使得氫氣進人醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究領(lǐng)域并迅速成為研究熱點。氫氣具有抗炎、抗氧化、抗凋亡等作用,推翻了氫氣屬于生理性惰性氣體的傳統(tǒng)觀點。隨著研究的不斷深入,氫氣其他生物學(xué)作用機制,如影響能量代謝和生物酶活性等作用也逐漸被發(fā)現(xiàn)。氫氣的生物安全性在潛水醫(yī)學(xué)中得到了廣泛的認可,對多種疾病潛在保護作用的研究也越來越多,包括缺血/再灌注損傷、代謝綜合征、糖尿病、炎癥和腫瘤等。各學(xué)科廣泛開展的動物模型研究為氫氣治療提供了實驗依據(jù),并在初步的臨床試驗中取得較好的防治效果。目前,有關(guān)氫氣生物學(xué)效應(yīng)的報道越來越多,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。1氫氣生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)之旅1.1 1975年 Science雜志文章的首先發(fā)現(xiàn)1975年, Dole等在國際著名期刊Science上發(fā)表論文,率先提出氫氣在生物體內(nèi)具有抗氧化作用的觀點。他們認為氫氣和羥自由基反應(yīng)屬于放熱過程,可以產(chǎn)生水和氫原子,發(fā)揮抗氧化作用。他們在皮膚鱗狀細胞癌裸鼠模型上發(fā)現(xiàn),連續(xù)呼吸8個大氣壓97.5%氫氣 (2.5%氧氣)14天,可以促使腫瘤消退。這是氫氣發(fā)揮生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)的首次報道。1.2 1996年 Nature雜志文章的科學(xué)預(yù)言1996年,Jones在Nature雜志上發(fā)表文章,提出一種新的抗炎癥性策略,即對抗炎癥吞噬細胞產(chǎn)生的氧自由基。Jones 認為氫氣是最簡單和最安全的還原劑,能與強活性羥基自由基直接發(fā)生中和反應(yīng),并生成水,認為這是氫氣抑制炎癥反應(yīng)的化學(xué)基礎(chǔ)。Jones預(yù)言氫氣對哺乳動物不會產(chǎn)生生物化學(xué)效應(yīng),幾乎沒有任何毒副作用。Jones還提到,氫濃度過高可能會存在爆炸危險,提示人們在使用的時候需要注意。1.3 2007年 Nature Medicine 雜志文章的基礎(chǔ)實驗證據(jù)2007年,太田成男教授課題組在世界著名雜志Nature Medicine 上發(fā)表的論文引起轟動,他們發(fā)現(xiàn)動物呼吸2%氫,可有效清除自由基,顯著改善腦缺血再灌注損傷,提出氫氣選擇性抗氧化的新概念。他們采用化學(xué)反應(yīng)、細胞學(xué)等手段證明,氫氣溶解在液體中,可選擇性中和羥自由基和亞硝酸陰離子等毒性活性氧,而不與過氧化氫、一氧化氮,超氧陰離子等必要活性氧發(fā)生反應(yīng)。因此認為,氫氣屬于選擇性抗氧化物質(zhì),可以選擇性清除人體毒性自由基,治療腦缺血再灌注損傷。這一發(fā)現(xiàn),奠定了氫氣具有治療疾病作用的研究基礎(chǔ),并引發(fā)全世界氫分子生物學(xué)的研究熱潮。1.4 2015年 The Journal of Clinical EndocrinologyMetabolism雜志文章的人群試驗證據(jù)2015年,秦樹存教授課題組在The Journal of Clinical Endocrinology Metabolism 發(fā)表氫氣醫(yī)學(xué)臨床研究論文。研究首次采用雙盲安慰劑對照試驗,證明富氫水對人類血脂能產(chǎn)生正面調(diào)節(jié)效應(yīng),并對產(chǎn)生這種效應(yīng)的機制進行了深入研究。在此研究中,受試者每天分3次飲用富氫水900mL,連續(xù)10周。在不同階段采集患者血漿,檢測脂蛋白等指標。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),膽固醇流出調(diào)節(jié)蛋白的活性被激活,促進了細胞內(nèi)膽固醇的流出,使得高密度脂蛋白( high-density lipoprotein，HDL)抗動脈硬化的功能顯著提高,同時血漿和 HDL中氧化應(yīng)激和炎癥因子水平也顯著降低。這一研究表明富氫水對控制人類高脂血癥和預(yù)防動脈硬化具有潛在效果,證明了氫氣在心血管領(lǐng)域的臨床應(yīng)用價值。2 氫氣的多效性作用機制探討2.1 抗氧化作用氧化應(yīng)激是機體內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除失衡，致使自由基在體內(nèi)積聚并引起氧化損傷。機體內(nèi)自由基主要包含氧自由基如超氧陰離子、羥自由基、過氧化氫等,以及氮自由基如一氧化氮、二氧化氮和過氧化亞硝酸鹽等。在炎癥、缺血、動脈粥樣硬化( atherosclerosis，AS) 、糖尿病、器官移植等病理情況下,自由基在體內(nèi)大量聚集,損害細胞或器官功能,從而對機體造成損傷。氫氣可有效清除自由基,減輕缺血再灌注損傷、心肌梗死、帕金森病、膿毒血癥等動物模型中的氧化應(yīng)激。氫氣不僅能直接與自由基發(fā)生中和反應(yīng),還可以間接地增強過氧化氫酶(cata-lase，CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶( glutathione peroxidase-1 ，GPx)、血紅素氧合酶-1 (heme oxygenase-1 ，HO-1)、超氧化物歧化酶(superoxidedismutase ，soD )、髓過氧化物酶(myeloperoxidase，MPO）等抗氧化酶的活性，進一步改善氧化應(yīng)激狀態(tài)。此外，氫氣還可以通過轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄因子核因子E2相關(guān)因子信號通路調(diào)控抗氧化酶的活性與表達水平.多個氫氣抗氧化作用的分子機制研究成果表明，氫氣可上調(diào)Nrf2抗氧化途徑，緩解膽管細胞缺氧/復(fù)氧(H/R)損傷、高氧所致肺損傷、海水灌注致急性肺損傷、化療引起的卵巢損傷、膿毒癥腦損傷、非酒精性脂肪肝等，以及促進口腔腭部傷口愈合、穩(wěn)定動脈粥樣硬化斑塊等。這些研究成功表明，氫氣可通過多種方式發(fā)揮其抗氧化作用。2.2 抗炎癥作用炎癥是許多疾病共同的病理基礎(chǔ),通過促進免疫系統(tǒng)的過度激活以及炎癥因子的釋放等,造成機體損傷。氫氣可通過調(diào)節(jié)炎性細胞因子和抗炎細胞因子的含量發(fā)揮抗炎效應(yīng),故氫氣可用于治療多種與炎癥相關(guān)的疾病,如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、結(jié)腸炎、急性胰腺炎、膿毒血癥、心臟缺血再灌注損傷、缺血缺氧腦組織氧化應(yīng)激反應(yīng)等病癥。在眾多炎癥動物模型中證實,氫氣也可通過作用于細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和基因的表達減少致炎因子的產(chǎn)生,發(fā)揮抗炎作用。例如 ,給予富氫水可降低腎臟移植大鼠體內(nèi)炎性標志物腫瘤壞死因子-α ( TNF-o ) 、白介素-6(IL-6)、y干擾素(IFN-y)等mRNA表達水平,以及抑制C-Jun N端激酶(JNK),細胞外信號調(diào)解激酶1/2(ERK1/2)和 p38等的活性,從而抑制絲裂源活化激酶(MAPK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo),降低炎癥反應(yīng)。腹腔注射富氫生理鹽水還可減弱JNK的磷酸化和 p38-MAPK的激活,從而緩解急性壞死性胰腺炎導(dǎo)致的急性肝損傷。此外還可以抑制促炎因子TNF-o 的表達,抑制炎性蛋白激酶信號核因子-kB( NF-xB)的轉(zhuǎn)導(dǎo),緩解再灌注損傷的炎癥反應(yīng)。2.3 抗細胞凋亡作用凋亡主要通過受體介導(dǎo)的死亡信號通路和線粒體介導(dǎo)的信號通路而發(fā)生。這兩條通路均需激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase ),因此Caspase是執(zhí)行細胞凋亡的主要酶類。氫氣易通過細胞膜等膜性結(jié)構(gòu),中和細胞內(nèi)的毒性自由基,保護DNA、蛋白質(zhì)等不被自由基破壞,維持正常的線粒體功能,阻止細胞凋亡。有研究表明,腹腔注射富氫生理鹽水可顯著降低脊髓損傷大鼠模型中脊髓細胞的凋亡,以及Caspase-3和 Caspase-12的表達和活性，還可促進損傷脊髓的恢復(fù)。氫分子還可以減少Caspase-3 , Caspase-8 , Caspase-9等湖亡相關(guān)蛋白的表達,或者調(diào)節(jié)促凋亡因子/抗凋亡因子(Bax/Bcl-2)的比值,減輕缺血再灌注損傷誘導(dǎo)的細胞凋亡。此外,最近研究表明,氫氣可抑制p53的表達和磷酸化,減緩慢性心力衰竭進展。腹腔注射富氫鹽水可通過PINK1/Parkin介導(dǎo)的有絲分裂作用,促進自噬相關(guān)蛋白的表達,減輕心肌缺血再灌注的炎癥反應(yīng)和細胞凋亡。這些研究成果為氫氣治療機制提供了一個新的假說.2.4 其他作用假說氫氣除了具有上述的抗氧化、抗炎以及抗凋亡作用外,還可影響機體能量代謝。氫氣可增加體內(nèi)脂肪酸和葡萄糖的消耗,降低血糖、甘油三酯( triglycer-ide，TG)水平,還可增加胃腸中生長激素促泌素gerelin的分泌,發(fā)揮神經(jīng)保護作用。本團隊發(fā)現(xiàn),飲用富氫水后血漿總膽固醇(total cholesterol ,TC).低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)以及載脂蛋白B( apolipoprotein B，ApoB)和ApoE水平明顯降低; HDL、SOD水平有所升高。而且富氫水還可顯著降低膽固醇和血糖水平,改善體重指數(shù)(BMI)和腰臀比。這些結(jié)果顯示,富氫水能夠改善代謝綜合征相關(guān)指標。近些年研究發(fā)現(xiàn),在體外,氫氣可以與乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase ,AchE)、辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase ,HRP)等生物酶相互作用,提高酶活性。與此同時,秦樹存課題組在體內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)氫氣可提高對氧磷酶-1( paraoxonase-1 , PON-1)活性和卵磷脂:膽固醇脂酰轉(zhuǎn)移酶(lecithin : cholesterol acyltransferase ,LCAT)的含量,降低脂蛋白相關(guān)磷脂酶A2 ( lipopro-tein-associated phospholipase A，Lp-PLAz)的活性，降低高脂喂養(yǎng)大鼠氧化磷脂的水平,改善HDL的功能。這表明氫氣的作用機制可能基于酶學(xué)反應(yīng)的過程。3 氫氣的臨床應(yīng)用研究3.1 氫氣抗腫瘤的真實世界數(shù)據(jù)隨著氫醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展,氫氣抗腫瘤的基礎(chǔ)研究為腫瘤治療提供了更明確更全面的臨床證據(jù)。近些年研究發(fā)現(xiàn),富氫水在惡性腫瘤患者化療中能夠起到減毒增效作用,能夠保護骨髓,保護心臟、胃腸道、肝腎功能,改善患者生活質(zhì)量。臨床試驗顯示,接受放療的肝癌患者飲用富氫水能明顯提高生活質(zhì)量,且不影響放療的抗腫瘤效果。1例膽囊癌患者吸氫3個月后,患者的腹腔轉(zhuǎn)移灶明顯縮小,病情恢復(fù)穩(wěn)定。暨南大學(xué)徐克成團隊對Ⅲ期和IV期癌癥患者進行了前瞻性隨訪研究,發(fā)現(xiàn)每天吸入66.7% 氫氣和 33.3%氧氣2 ~ 3 h,連續(xù)3個月后,肺癌患者身體狀況得到明顯改善,而婦科和胰腺癌患者的效果差;且Ⅲ期腫瘤控制率遠高于IⅣ期患者,肺癌患者效果最好,胰腺癌患者效果最差,同時并沒有觀察到血液學(xué)毒性。此外,氫氣可恢復(fù)晚期結(jié)直腸癌患者CD8T細胞的耗竭程度,提高自身免疫抗腫瘤活性,提高患者生存率，還可改善化療后結(jié)直腸癌患者肝功能,改善預(yù)后。3.2 氫氣心血管保護作用研究數(shù)據(jù)在心血管領(lǐng)域內(nèi),氫氣具有廣泛的生理作用及臨床意義。近年來,在心血管疾病動物模型研究中,發(fā)現(xiàn)氫氣對心肌缺血再灌注損傷、AS、心臟重構(gòu)、心力衰竭、放射性心臟損傷等疾病具有保護作用,為臨床治療提供了更多依據(jù)。目前,在臨床試驗中,通過各種途徑攝取氫氣可改善心功能障礙性疾病,包括心臟驟停后綜合征、經(jīng)皮冠狀動脈介入治療后左心室重構(gòu)等心血管疾病。在日本,2%氫氣吸入已被批準用于心臟驟停的臨床緊急治療。此外,在人群試驗中發(fā)現(xiàn)飲用富氫水可顯著增強HDL抗AS功能,減少血漿和 HDL中氧化應(yīng)激和炎癥因子水平。這一研究表明,富氫水對控制人類高脂血癥和預(yù)防動脈硬化具有潛在效果。3.3 氫氣腦神經(jīng)保護作用研究數(shù)據(jù)氫氣可通過抗氧化.抗炎.抗竭亡、調(diào)節(jié)自噬、保護線粒體功能和血腦屏障發(fā)揮神經(jīng)保護作用,包括創(chuàng)傷性損傷、蛛網(wǎng)膜下腔出血、神經(jīng)病理性疼痛、神經(jīng)退行性疾病、手術(shù)和麻醉引起的認知功能障礙、焦慮和抑郁等,被認為是一種新的神經(jīng)保護劑。臨床研究顯示,氫氣吸入可改善腦缺血再灌注損傷患者的生理參數(shù),且安全性高[]。單獨飲用富氫水或聯(lián)合藥物治療,可改善帕金森病、認知障礙、缺氧缺血性腦病等疾病狀態(tài),以及運動員運動相關(guān)腦震蕩的癥狀和平衡能力、睡眠不足的年輕人警覺性和注意力等。此外,富氫生理鹽水靜脈注射與依達拉奉聯(lián)合治療還可改善腦干梗死急性期的自然病程。因此,氫氣是一種新的和潛在的治療策略,用于預(yù)防和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病,進一步推動了氫氣醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展。3.4 氫氣抗新冠肺炎的初步數(shù)據(jù)2020年,“氫氧混合吸入療法(H2/O2: 66.6% /33.3%)”被國家衛(wèi)生健康委列入“新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第七版)”和“(第八版)”,為降低重癥新冠病毒(COVID-19)患者的肺部炎癥、改善其肺功能做出了重要貢獻。吸入33.3%氧氣是由于cOVID-19的肺功能不全,而氫氣很可能是作為呼吸氣體的惰性部分加入的,但也有可能本身就有益處。最近的一項研究表明,氫氣可以抑制哮喘患者的氣道炎癥,這種作用可能會改善COVID-19中炎癥細胞因子風(fēng)暴的情況。此外,靜脈輸注富氫鹽水對急性肺損傷和急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)的治療發(fā)揮有益影響,這兩種情況在嚴重COVID-19感染的患者中都很常見。因此氫氣可作為治療新冠肺炎的輔助治療,緩解患者呼吸困難等癥狀。3.5 氫氣的其他臨床數(shù)據(jù)隨著氫分子治療作用研究成果的不斷涌現(xiàn),人們發(fā)現(xiàn),通過各種途徑攝取氫氣也可改善內(nèi)分泌、呼吸、皮膚﹑免疫等系統(tǒng)的疾病。人群研究顯示,飲用富氫水能夠改善代謝綜合征、高脂血癥、糖尿病等相關(guān)指標,甚至可以降低肥胖人群的脂肪指數(shù),促進胰島素平衡。而且,飲用富氫水還可緩解類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、移植物抗宿主疾病等免疫功能障礙。吸入氫氧混合氣體可降低氣道阻力和炎癥水平,緩解氣管狹窄、哮喘帶來的呼吸困難癥狀。多項臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn),氫水沐浴或氫水局部濕包扎可改善多種皮膚疾病,如斑疹,急性紅斑性皮膚病、銀屑病等,還可促進皮膚潰瘍與感染傷口的愈合。另外,氫分子還可改善牙周炎,放療引起的聽力損傷和骨髓損傷、肌肉萎縮、膀胱炎、透析等狀態(tài)。因此氫氣在不同疾病中的作用可進一步拓展。
