氧化應(yīng)激是指機(jī)體在遭受各種有害刺激時(shí)產(chǎn)生過量活性氧,導(dǎo)致了體內(nèi)氧化還原系統(tǒng)的失衡。研究表明,氧化應(yīng)激可直接或間接損傷DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等,引起多種疾病如缺血再灌注損傷、神經(jīng)退行性疾病、衰老、心血管疾病、高血壓、糖尿病、關(guān)節(jié)炎和腫瘤等的發(fā)生發(fā)展[1]。人們基于此進(jìn)行了大量研究,開發(fā)了多種抗氧化劑,然而它們的臨床效果并不理想,因此迫切需要尋找一種新的物質(zhì)來治療各類氧化損傷[2]。
 
氫是自然界中含量最豐富也是最簡單的元素,氫氣是無色、無味、無臭、具有一定還原性且高度易燃的雙原子氣體。過去大部分學(xué)者認(rèn)為,氫氣是生理惰性氣體,不具有生物學(xué)活性。只有少數(shù)人認(rèn)為,氫氣在機(jī)體內(nèi)可發(fā)揮抗氧化保護(hù)作用。1975年Dole等[3]報(bào)道,高壓氫氣可通過抗氧化作用抑制動(dòng)物皮膚腫瘤的形成,但并未引起學(xué)術(shù)界的重視。直到2007年,Ohsawa等[4]報(bào)道動(dòng)物呼吸2%氫氣可有效清除自由基,顯著改善腦缺血再灌注損傷,并發(fā)現(xiàn)氫氣溶解在液體中可選擇性中和羥自由基和過氧亞硝酸陰離子,而二者是氧化損傷的最重要介質(zhì),因此認(rèn)為氫氣治療腦缺血再灌注損傷的基礎(chǔ)是選擇性地抗氧化作用。該報(bào)道掀起了研究氫氣治療疾病的熱潮,迄今已發(fā)表了近百篇相關(guān)論文,報(bào)道了氫氣對多種疾病的治療作用,為氫氣醫(yī)學(xué)的建立打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。筆者在復(fù)習(xí)這些文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對氫氣的研究進(jìn)展做簡要概述,希望能為深入研究氫氣醫(yī)學(xué)提供參考。
 
1利用氫氣治療疾病的給藥方式
1.1吸入給氫
雖然氫氣易燃易爆,爆炸極限是4%～75% (V/V),但氫氣在空氣或氧氣中的濃度小于4%時(shí)是安全的,Ohsawa等最初就是采用吸入給氫的方法治療局灶性腦缺血再灌注損傷。
 
1.2含氫鹽水注射或滴眼
吸入給氫法在氣體混合過程中存在一定風(fēng)險(xiǎn),且操作復(fù)雜,對設(shè)備要求也比較高,限制了該方法的應(yīng)用,故需要尋找一種更適用的給氫方式。2009年孫學(xué)軍等[5,6,7,8]在國際上首次報(bào)道了腹腔注射含氫鹽水(0.8 mmol·L-1)的給藥方法,并在缺血再灌注損傷、阿爾茨海默病、一氧化碳中毒性、遲發(fā)性腦病、動(dòng)脈粥樣硬化等多種動(dòng)物模型上取得了成功。
 
含氫鹽水滴眼用于治療視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷及角膜堿燒傷,也取得了良好的效果[9,10]。
 
1.3飲用含氫水
雖然吸入給氫快速直接,注射含氫鹽水方便適用,但這兩種方法都不適合長期給藥。如果將氫氣溶解在水中(含氫水),通過飲用給氫,則非常安全方便。目前的研究表明,飲用氫氣水和吸入給氫的治療效果類似[11],而且由于飲用含氫水的便利性,其不僅可用于治療疾病,也適用于預(yù)防疾病如認(rèn)知障礙[12]。
 
含氫水可通過多種方法制備,如高壓下將氫氣溶解在水中,電解水使之產(chǎn)生氫氣,將鎂金屬和水反應(yīng)生成氫氣等。
 
雖然飲用含氫水的方法安全方便,但仍存在一些缺點(diǎn),如含氫易于從水中逸出,含氫水通過胃或小腸時(shí)會(huì)有部分損失,故給氫劑量不易控制。
 
1.4促進(jìn)腸道細(xì)菌產(chǎn)氫
人體腸道內(nèi)的部分細(xì)菌可通過發(fā)酵未消化的食物產(chǎn)生氫氣[13],并通過呼吸將產(chǎn)生的大部分氫氣排出[14]。
 
流行病學(xué)資料顯示,α-糖苷酶抑制劑阿卡波糖具有獨(dú)立于降糖作用的心臟保護(hù)作用,他汀類藥物降脂外的心臟保護(hù)作用也非常顯著。據(jù)報(bào)道,阿卡波糖能顯著增加腸道中氫氣的產(chǎn)生;他汀類藥物可以抑制甲烷菌,而甲烷菌可利用氫氣生產(chǎn)甲烷,即抑制細(xì)菌代謝氫氣,從而間接增加腸道內(nèi)氫氣含量。因此,推測腸道中氫氣含量的增加是這兩類藥物產(chǎn)生心臟保護(hù)作用的原因[15,16]。
 
2氫氣對多種疾病的預(yù)防和治療作用
2.1器官缺血再灌注損傷
腦組織中富含膽固醇和不飽和脂肪酸,且抗氧化酶系統(tǒng)相對不足,故易遭受氧化應(yīng)激損傷。Ohsawa等在局灶性腦缺血再灌注損傷大鼠模型上發(fā)現(xiàn),動(dòng)物吸入2%氫氣能夠顯著減少腦梗死體積,改善運(yùn)動(dòng)能力及動(dòng)物體質(zhì)量下降,對缺血再灌注損傷早期及晚期都具有明顯的改善作用。這一研究首次證明了氫氣能顯著減輕氧化應(yīng)激并具有腦損傷保護(hù)作用。隨后,孫學(xué)軍等[17]率先發(fā)現(xiàn),吸入2%氫氣可治療新生大鼠腦缺血缺氧損傷,腹腔注射氫鹽水對新生大鼠腦缺血缺氧損傷后行為學(xué)、腦梗死體積和組織損傷程度均有明顯改善作用,且能明顯改善神經(jīng)功能和學(xué)習(xí)記憶能力[5]。最近又有人在全腦缺血再灌注大鼠模型上證明,腹腔注射含氫水能顯著降低缺血再灌注誘導(dǎo)的丙二醛(malondialdehyde,MDA)、胱天蛋白酶、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素6(interleukin-6,IL-6)、核因子-κB(NF-κB)含量,并明顯減輕海馬組織損傷,再灌注6 h后給氫保護(hù)作用仍然存在[18]。
 
越來越多的研究顯示,氫氣對腦外組織的缺血再灌注損傷同樣有效。Ohsawa等[19]團(tuán)隊(duì)在發(fā)表了第一篇?dú)錃庹撐暮?隨后報(bào)道了吸入氫氣對肝缺血再灌注損傷的保護(hù)作用,并發(fā)現(xiàn)治療效果具有劑量依賴性。2008年,Ohsawa等[20]又發(fā)現(xiàn),吸入2%氫氣可顯著減輕心肌缺血再灌注損傷后的氧化應(yīng)激和梗死體積,且不影響血流動(dòng)力學(xué)參數(shù),因此認(rèn)為氫氣可以預(yù)防左心室重構(gòu)。最新研究表明,氫氣對腸、腎、脊髓等器官的缺血再灌注損傷也具有良好的保護(hù)作用[21,22,23]。
 
2.2器官移植損傷
缺血再灌注損傷是器官移植早期非免疫性損傷的重要原因[24],活性氧也參與了慢性移植性腎病后期腎間質(zhì)纖維化和腎小管萎縮的發(fā)生發(fā)展。Nokao等[25]在大鼠異種腎移植模型上證明,飲用含氫水改善了移植后的腎功能,減緩了移植性腎病的進(jìn)展,減輕了氧化損傷并降低了炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生,最終提高了動(dòng)物的存活率。這一研究表明,氫氣不僅具有抗氧化作用,還具有抗炎活性。Nokao等[26,27]團(tuán)隊(duì)還證明了氫氣對腸和肺移植同樣具有顯著的保護(hù)作用。
 
2.3神經(jīng)系統(tǒng)疾病
氧化應(yīng)激是引起許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素。研究表明,氫氣可通過抗氧化、抗炎作用保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞,促進(jìn)神經(jīng)再生,對多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病起到了良好的預(yù)防和治療作用。
 
2.3.1神經(jīng)變性疾病
研究者發(fā)現(xiàn), ip給予含氫水能顯著降低阿爾茨海默病模型大鼠的氧化應(yīng)激指標(biāo)、炎癥介質(zhì)、NF-κB及神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白的表達(dá),同時(shí)動(dòng)物的學(xué)習(xí)、記憶能力和運(yùn)動(dòng)功能得到明顯改善[28,29]。
 
在6-羥基多巴胺誘導(dǎo)的帕金森大鼠模型上發(fā)現(xiàn),建模前或建模后給大鼠飲用含氫水都可以阻止黑質(zhì)-紋狀體多巴胺能神經(jīng)元的丟失,并發(fā)現(xiàn)其機(jī)制是緩解了6-羥基多巴胺引起的氧化損傷[30]。在另一種由1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶誘導(dǎo)的小鼠帕金森病模型中,飲用含氫水減少了黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元丟失,改善了肢體運(yùn)動(dòng)功能[31]。這些研究表明氫氣可能能夠延緩帕金森病的發(fā)生發(fā)展。
 
長期應(yīng)激可引起腦內(nèi)氧化水平的升高,損害學(xué)習(xí)和記憶功能。研究表明,飲用含氫水能夠抑制應(yīng)激導(dǎo)致的氧化損傷,增強(qiáng)齒狀回神經(jīng)元的再生,從而阻止應(yīng)激對認(rèn)知功能的損害,改善學(xué)習(xí)和記憶能力[12]。
 
2.3.2一氧化碳中毒性遲發(fā)性腦病
目前,一氧化碳中毒性遲發(fā)性腦病尚無有效的治療手段,研究表明,一氧化碳中毒引起的氧化應(yīng)激和繼發(fā)性炎癥與該疾病有密切關(guān)系[32]。孫學(xué)軍等[7]采用一氧化碳中毒性遲發(fā)性腦病大鼠模型證明,ip給予含氫水能夠通過抗氧化、抗炎作用減輕腦組織炎癥反應(yīng),改善神經(jīng)細(xì)胞死亡和認(rèn)知功能障礙,這一研究為該疾病的治療提供了新的方案。
 
2.4動(dòng)脈粥樣硬化
在載脂蛋白E基因敲除小鼠上發(fā)現(xiàn),飲用含氫水降低了主動(dòng)脈的氧化應(yīng)激水平,阻止了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生[33],表明飲用含氫水可能能夠預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化形成。隨后秦樹存等[8]進(jìn)行了相關(guān)的分子機(jī)制研究,他們采用細(xì)胞和基因敲除小鼠證明,氫氣能夠抑制TNF-α等刺激因子引起的內(nèi)皮細(xì)胞植物凝集素樣氧化低密度脂蛋白受體-1(lectin-like oxidized LDL receptor-1,LOX-1)基因表達(dá)和蛋白水平上調(diào),對NF-κB活性同樣具有抑制作用,因此認(rèn)為氫氣可能通過抑制NF-κB活性,減少炎癥因子誘導(dǎo)的LOX-1表達(dá),發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化作用。
 
2.5代謝綜合征
已知氧化應(yīng)激促進(jìn)了代謝綜合癥的發(fā)生發(fā)展,而抗氧化是治療該癥的有效手段[34]。研究發(fā)現(xiàn),db/db小鼠長期飲用氫氣水能夠顯著降低動(dòng)物肝中MDA水平,體質(zhì)量和脂肪含量,且不影響其攝食量和飲水量,而且還同時(shí)降低了小鼠血糖、胰島素和甘油三酯水平[35]。
 
臨床試驗(yàn)表明,飲用含氫水能使2型糖尿病患者血液中的低密度脂蛋白及尿液中的8-異構(gòu)前列腺素顯著降低,明顯降低患者的血糖水平[36];另一個(gè)臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),含氫水能夠增加代謝綜合征患者體內(nèi)的超氧化物歧化酶水平,并降低尿液中硫代巴比妥酸反應(yīng)物的含量,還能夠增加高密度脂蛋白水平[37]。這些研究說明氫氣能夠改善脂質(zhì)代謝紊亂和糖代謝異常,對代謝綜合征具有一定的治療作用。
 
2.6減輕化療、放療的毒性作用
廣泛用于臨床的抗腫瘤藥物順鉑具有一定的腎毒性,這一毒性可能是由氧化應(yīng)激引起的[38]。研究發(fā)現(xiàn),小鼠吸入氫氣或飲用氫氣水能夠抑制順鉑引起的體質(zhì)量下降,減輕腎毒性,降低死亡率,且不影響順鉑的抗腫瘤作用[39]。
 
另外來自韓國的臨床試驗(yàn)顯示,接受放療的肝癌患者飲用6周含氫水能降低血液中的活性氧代謝產(chǎn)物,顯著提高生活質(zhì)量評分,且不影響放療的抗腫瘤效果[40]。
 
2.7炎癥及變態(tài)反應(yīng)
據(jù)報(bào)道,氫氣在多種動(dòng)物模型上表現(xiàn)出了抗炎、抗過敏作用,如能夠降低TNF-α和IL-6水平,抑制變態(tài)反應(yīng)相關(guān)的磷酸化信號通路等[25,26,41]。通過降低血清和組織中的促炎因子,氫氣顯著改善了膿毒癥小鼠的存活率和器官損傷,表明氫氣能通過抗炎作用治療炎癥相關(guān)的膿毒癥[42]。Itoh等[41]報(bào)道,飲用含氫水能夠調(diào)節(jié)高親和力IgE受體FcεRI介導(dǎo)的磷酸化及下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),抑制NADPH氧化酶活性并減少過氧化氫的生成,從而緩解了速發(fā)型超敏反應(yīng),說明氫氣可能不僅僅是一種自由基清除劑,還能夠通過調(diào)節(jié)某些信號通路發(fā)揮作用。
 
3展望
3.1氫氣的優(yōu)勢
研究表明,活性氧中的過氧化氫和一氧化氮具有非常重要的信號作用,毒性作用比較弱,而羥自由基和過氧亞硝酸陰離子毒性強(qiáng),是導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷的主要介質(zhì)[43,44],然而目前的抗氧化劑如維生素E、褪黑素等還原性過強(qiáng), 可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體氧化還原狀態(tài)的失衡,并影響機(jī)體正常的信號傳遞系統(tǒng);它們一般難以穿透細(xì)胞膜到達(dá)線粒體等靶點(diǎn)部位;相對濃度較低,無法中和毒性強(qiáng)的自由基;難以降解 (如維生素C),反而進(jìn)一步加重了細(xì)胞的負(fù)擔(dān),從而限制了這些藥物的應(yīng)用[2]。
 
氫氣與傳統(tǒng)抗氧化劑相比具有多種優(yōu)點(diǎn):① 還原性相對較低,具有選擇性抗氧化作用,可以選擇性地清除羥自由基及過氧亞硝酸陰離子,而不影響超氧陰離子和過氧化氫等具有信號作用的活性氧;② 相對分子質(zhì)量小,且具有較好的脂溶、水溶性,能自由擴(kuò)散到線粒體等靶點(diǎn)部位;③ 潛水醫(yī)學(xué)的長期研究證明了氫氣對人體沒有毒性作用[45]。因此,作為一個(gè)抗氧化劑,氫氣具有較好的臨床應(yīng)用前景。
 
3.2待解決的問題
自2007年以來,氫氣研究取得了許多成果,但仍有一些問題沒有解決:① 目前的研究沒有發(fā)現(xiàn)氫氣有任何毒性作用,而且理論上氫與自由基的產(chǎn)物比較簡單,如與羥自由基反應(yīng)生成水,多余的氫可通過呼吸或擴(kuò)散等方式排出體外。但這并不能完全證明氫氣的生物安全性,首先還沒人開展相關(guān)的毒理研究,可能只有通過長期、大劑量的給藥才能發(fā)現(xiàn)氫氣的毒性;其次藥理作用和毒性作用是相對而言的,既然氫氣的生物學(xué)作用如此強(qiáng)大,理論上也會(huì)產(chǎn)生相對應(yīng)的毒性作用,只是目前還沒被發(fā)現(xiàn)。② 氫氣的作用機(jī)制還沒有完全解決。首先氫氣選擇性抗氧化機(jī)制的在體證據(jù)不足,迄今人們只用體外化學(xué)方法證明氫氣能選擇性地中和羥自由基和過氧亞硝酸陰離子,并不能確定在體也存在這種選擇性;其次氫氣的強(qiáng)大生物學(xué)效應(yīng)與氫氣的選擇性抗氧化作用不符,如果氫氣僅通過選擇性抗氧化起作用,則氫氣在體內(nèi)的作用時(shí)間應(yīng)該是影響其效應(yīng)的重要因素。但事實(shí)上氫氣在體內(nèi)維持的時(shí)間很短[20],但生物學(xué)效應(yīng)卻非常強(qiáng)大。因此,關(guān)于氫氣治療疾病的具體機(jī)制仍需深入研究。
 
綜上,氫氣作為一個(gè)選擇性抗氧化劑,優(yōu)點(diǎn)鮮明,治療疾病種類廣泛,但這些結(jié)論大多只是在動(dòng)物模型上得到,臨床效果尚不能完全確定,有待系統(tǒng)的臨床實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)。鑒于氧化應(yīng)激損傷的廣泛性,氫氣新的藥理應(yīng)用也有待于被開發(fā)。
參考文獻(xiàn)
中國藥理學(xué)與毒理學(xué)雜志. 氫氣醫(yī)學(xué)研究進(jìn)展 董文彬 鄭高利