氫分子維護線粒體功能及其穩(wěn)定性閱讀要點：

●按照瓦爾堡效應，癌癥的產(chǎn)生是細胞糖無氧酵解增強加上氧消耗量降低造成的。因此，有人認為癌癥是“線粒體病”。

●線粒體是機體能量生成的“發(fā)電機”，癌細胞的線粒體，無論在其微結構還是代謝功能方面均與癌細胞存在差異。

●活性氧自由基可對線粒體蛋白質、膜和DNA形成氧化損傷，損害線粒體合成ATP的能力，對其代謝功能，包括三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、尿素循環(huán)、氨基酸代謝、血紅素合成產(chǎn)生不良影響。

●氫分子憑借其體積小、高彌散性的特點，能快速進入線粒體，保護線粒體(和細胞核)免于受急性氧化應激性損害。

關于氫氣控癌，學術界一般聚焦于抗氧化和抗炎癥作用。生命不僅是肉體的存在，而且依賴于能量和信息。體內生物能量的產(chǎn)生有賴于線粒體。線粒體在癌癥發(fā)生中起什么作用?氫分子對線粒體有何影響和作用?

一、瓦爾堡效應

德國生理學家瓦堡( Otto Warburg)，在1924年提出一個觀點，當線粒體功能受損后，細胞則通過增強無氧酵解來提供能量，葡萄糖代謝至丙酮酸后不再通過線粒體的三羧酸循環(huán)進行有氧氧化，而是通過乳酸脫氫酶，轉變成乳酸排出細胞(見圖1)。他認為癌癥的產(chǎn)生是細胞糖無氧酵解增強加上氧消耗量降低造成的。這個觀點被稱為瓦爾堡效應[1]。對于這個觀點，后來雖然有不少爭議，但癌癥與線粒體有關已被許多事實證實[2]。認識這一點，對于理解氫分子對癌癥和健康的影響，有極大意義。

圖1癌癥細胞自給自足的表現(xiàn)。由致癌基因和腫瘤抑制突變引起的糖酵解，加速消耗煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)。丙酮酸還原為乳酸可以補充NAD+的細胞質水平，調節(jié)細胞質氧化還原對(NADH/NAD+)的平衡狀態(tài)，以繼續(xù)糖酵解。乳酸通過線粒體乳酸轉運體(mMCT)、穩(wěn)定劑CD147、線粒體乳酸脫氬酶(LDH)和細胞色赤氧化酶(COx)組成的線粒體乳酸氧化復合物(mLOC)進入線粒體，氧化成丙酮酸，然后乙酰輔酶a(A-CoA)。丙酮酸也可通過線粒體丙酮酸載體(MPC)進入線粒體，氧化成A-CoA。在糖酵解性癌癥中，糖酵解的增加是幔性的，它可能耗盡糖原儲存，導致糖異生蛋白水解的增加，以及谷氬酰胺水解增加細胞漿丙酮酸產(chǎn)生乳酸。慢性糖異生蛋白溶解和谷氨酰胺溶解增加可以解釋癌癥惡病質  引自: San-Millan I and Brooks GA. Carcinogenesis2017，38(2):119-133

二、什么是線粒體?

線粒體是細胞的發(fā)電機，位于細胞質內，數(shù)量很多，可以打開食物分子內部的化學鍵以獲得能量，結構上由外膜、內膜和膜內空間組成(見圖2左)。化學鍵由稱為質子的正電荷和稱為電子的負電荷組成，這些電荷緊緊地相互依賴。線粒體將電子從質子上扳走，然后通過“電子傳輸鏈”漏出電子，產(chǎn)生電流。這種電能被用來產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)分子其中每個分子都含有高能磷酸鍵。ATP就像一個微型化學電池。細胞在需要能量時將ATP磷酸鍵分開。氧氣在ATP裝配線末端等待捕獲級聯(lián)電子，然后與它們結合，形成無害的副產(chǎn)物水。因為這個過程需要氧氣并且產(chǎn)生高能磷酸鹽鍵，所以它被稱為“氧化磷酸化”，又稱為“呼吸”(見圖2右)。

三、癌細胞的線粒體

與正常細胞相比，癌細胞的線粒體具有以下特點：

(1)每個細胞線粒體數(shù)量較少。

(2)常?；?，內表面不光滑。

(3)關鍵性呼吸酶活性低。

(4)心磷脂(一種關鍵的線粒體脂肪)較少，而且變形。

(5)線粒體內的DNA數(shù)量少。

(6)泄漏狀，電子傳輸鏈不協(xié)調，能量被消費成熱量，而不是ATP。

(7)呼吸率顯著低下。

四、正常細胞和癌細胞能量生成有何差異?

正常細胞和癌細胞最重要的根本區(qū)別是它們如何產(chǎn)生能量。正常細胞使用復雜的呼吸過程，有效地將任何類型的營養(yǎng)素(脂肪、碳水化合物或蛋白質)轉化為高能量。這個過程需要氧氣，將食物完全分解成無害的二氧化碳和水。癌細胞使用稱為“發(fā)酵”的原始過程，無效地將葡萄糖(主要來自碳水化合物)或氨基酸谷氨酰胺(來自蛋白質)轉化為少量能量。這個過程不需要氧氣，只能將食物分子部分分解成為有毒的廢物乳酸和氨[3，4]。

如果正常細胞暫時出現(xiàn)氧氣短缺，有時不得不采取發(fā)酵的方式。但是，當周圍有足夠的氧氣時，沒有任何細胞會選擇使用發(fā)酵方式。癌細胞不同，即使周圍有大量的氧氣，它們仍主要使用發(fā)酵方式。這就是前已述及的瓦堡效應，被認為是癌細胞的“代謝特征”(見圖3)。之所以發(fā)生上述差異，是由于癌細胞的線粒體受損[5，6]。

五、ROS引起錢粒體異常

輻射、致癌化學物質、病毒、慢性炎癥等導致線粒體產(chǎn)生ROs，會損害呼吸，促使線粒體出現(xiàn)一種稱為逆行反應的過程。在正常情況下，細胞核內的DNA發(fā)出命令，并將命令發(fā)送到細胞質中的線粒體。然而，如果線粒體受損，呼吸受到威脅，線粒體會向核施加信息，激活發(fā)酵基因，于是形成以發(fā)酵為主的能量生成過程(見圖4)[7]。ROS對周圍的分子造成嚴重破壞，與癌癥最密切相關的一些基因(“癌基因”)被激活，腫瘤抑制基因受到抑制或突變。

圖4線粒體產(chǎn)生的ROS可對線粒體蛋白質、膜和DNA形成氧化損傷，損害線粒體合成ATP的能力，對其代謝功能，包括三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、尿素循環(huán)、氨基酸代謝、血紅素合成產(chǎn)生不良影響。線粒體氧化損傷時，線粒體外膜透化(MOMP)，釋放膜間隙蛋白例如細胞色素c(cyt c)至胞質，從而激活細胞凋亡機制。此外，線粒體ROS誘導線粒體通透性轉換孔(PTP)，使得內膜在局部缺血/再灌注損傷等情況下可透過小分子。正是通過以上機制，線粒體氧化損傷引起各種各樣的病變。此外，線粒體ROS還可以作為可調節(jié)的氧化還原信號，可逆地影響線粒體、細胞漿和細胞核中的一系列功能的活性

六、癌癥是“線粒體疾病”

線粒體損傷的結果是細胞核內DNA變得不穩(wěn)定，細胞失去其獨特的形狀，細胞骨架及伸展蛋白(SNPH)變得混亂，并開始無法控制地復制，癌癥就此形成。因此，有人將癌癥稱為線粒體疾病(見圖5)[8]。減少線粒體損傷，保護線粒體功能，一方面可以抑制癌細胞，另方面可能保證機體有足夠的能量供應，改善患者的癥狀和生活質量。

圖5伸展蛋白(SNPH)在癌癥中的雙重功能。在良好的微環(huán)境下(左)，當營養(yǎng)物質和氧氣存在時，線粒體內外膜的高SNPH水平通過氧化磷酸化和ROS減少支持腫瘤細胞增殖，同時阻止線粒體向皮質細胞骨架轉運和腫瘤細胞運動。相反，在不利的微環(huán)境中，低營養(yǎng)和低氧(右)會降低SNPH水平，導致ATP生成減少，ROS生成增加，并釋放對線粒體運輸?shù)囊种?，從而導致腫瘤細胞增殖減少，但腫瘤細胞的運動性和侵襲性增強。引自: Altieri Dc. Cell Mol Life Sci，2018

七、分子氫如何進入細胞及線體

分子氫是宇宙中最簡單、最輕和最豐富的分子，其長度僅為0.74埃。分子小，使得H2可以在濃度梯度驅動下，快速透過細胞膜，轉運至細胞質，再進入線粒體。這是一種非選擇性的快速轉運過程。在大鼠身上所做的實驗表明，吸氫幾分鐘后心肌內氫水平立即升高[9]。除了分子大小，影響分子氫進入線粒體的另一個因素是其在細胞質和線粒體基質之間的濃度梯度。吸入的分子氫首先進入血液循環(huán)，因此，循環(huán)和細胞之間以及和線粒體之間濃度梯度越大，氫氣向線粒體的遞送也越快。這就是為什么在治療疾病時，為了產(chǎn)生快速生物學效應，提供的氫氣濃度和量不宜太小[10]。

可能影響線粒體吸收分子氫的另一個因素是其反應性，具有以下特點:

(1)理論上，分子氫可以與許多生物相關元素和化合物(例如活性和過渡金屬、非金屬，有機化合物)反應，但在室溫下或在不存在催化劑的情況下，反應速率通常很低，以至可以忽略不計。

(2)氫分子在室溫下不與氧發(fā)生反應，也不會干擾氧化還原反應。在羥基自由基(OH)存在下，分子氫的生物學反應性增加，有效地中和OH。

(3)過度消除細胞質中的OH會增加消耗氫分子，并減低其向線粒體的遞送速率。

(4)體外輸入的分子氫會在肝臟中與糖原一起蓄積，糖原對分子氫的積聚和逐漸釋放具有獨特的親和力。由于糖原主要儲存在許多細胞類型的細胞質中，碳水化合物(包括糖原)對氫的聚合能力可能對氫向線粒體的遞送產(chǎn)生負向影響(見圖6)[10]。

圖6影響分子氫進入線粒體的因素。綠色表示促進作用，紅色表示阻礙進入

八、分子氫保護線粒體

氫能保護線粒體和細胞核免于遭受急性氧化應激性損害。2017年塞爾維亞 Ostojic等[11]報道，分子氫對線粒體功能的幫助，包括維持線粒體膜電位、增加ATP的產(chǎn)生，以及減少細胞器的腫脹。氫分子通過一系列可能的機制，來維護線粒體生物能量的健全(見圖7)。

圖7氣調節(jié)線粒體生物能量的途徑:(1)促進生長素釋放肽釋放，一方面通過一系列機制，促進氧化磷酸化，另一方面上調葡萄糖轉運蛋白1的活化，促進萄萄糖攝取;(2)上調成纖維細胞生長因子21的表達，促進氧化磷酸化;(3)通過AM激活酶，促進葡萄糖轉運蛋白4的活化;(4)促進磷脂酰肌醇-3-羥激酶活性;(5)通過激活肉毒毒素底物1基因，或直接促進糖原合成酶激酶基因，促進葡萄糖轉運蛋白4，進而促進葡萄糖代謝 引自[31A: Ostojic SM. Theranostics， 2017， 7(5): 1330-1332.

九、線粒體調節(jié)免疫功能

美國Buck等(2016)和 Angajala等(2018)[12，13]對T細胞與線粒體功能的關系作了詳細精準的論述?？鼓[瘤免疫中，T細胞介導的保護性免疫占有十分重要的地位，在成年生物體中具有無與倫比的速率增殖的獨特能力。一個幼稚的T細胞可以在短短幾天內克隆擴展成數(shù)百萬“武裝”效應性T細胞。線粒體是代謝活動、抗腫瘤免疫反應和細胞死亡的重要樞紐，可以根據(jù)不同需要不斷重塑其結構。效應性T細胞與點狀裂開線粒體相關，而記憶性T細胞則與融合性線粒體相關，前者與腫瘤細胞一樣，瓦堡效應的代謝特征依賴有氧糖酵解提供能量，后者依賴氧化磷酸化過程。一旦抗原被清除，大多數(shù)效應T細胞死亡，但長壽記憶性T細胞持續(xù)存在，在癌癥復發(fā)時迅速作出反應。

2014年墨西哥 Bonifaz等[14]對抗原提呈細胞，(樹突狀細胞和巨噬細胞)與線粒體功能的關系作了詳細論述，認為線粒體管控了這兩種細胞的功能。樹突狀細胞是專職抗原提呈細胞，幫助和促進T細胞抗腫瘤免疫，巨噬細胞分為MI和M2型，M1型巨噬細胞在抗腫瘤免疫過程中承擔著重要作用，能抑制腫瘤的生長，M2型巨噬細胞與M1型相反。但從健全的線粒體對于控制癌細胞的生長至關重要這個觀點看，線粒體對機體維護正常的免疫平衡，應具有重要意義。也正是基于這一觀點，氫分子顯然可以通過維護線粒體功能，發(fā)揮對抗腫瘤免疫的調節(jié)作用。

結語

從治療的角度來看，外源性氫分子應該被認為是一種有價值的生物醫(yī)學制劑。癌癥從某種意義上說，是一種代謝病，不是基因病。進一步研究氫分子與特定基因調節(jié)的代謝異常之間的因果關系，無疑將有助于創(chuàng)立癌癥的革新性治療。