氢气对脑疾病治疗作用的研究进展

朱杰夫，姚 瑶，曹楚晴，邸明一(综述)，柴湘平(审校)

(1.中南大学湘雅医学院，长沙 410000； 2.中南大学湘雅二医院急诊科，长沙 410000)

氢气是一种无色无嗅无味的、不易溶于水的气体分子，饱和氢气水在室温下的浓度为0.8 mmol/L。2007年Ohsawa等[1]在《Nature》发表文章报道，吸入2%的氢气能选择性清除羟自由基(·OH)和过氧亚硝基阴离子(ONOO-)，显著改善脑缺血/再灌注引起的氧化应激损伤。该研究引起了医学界对氢气医学价值的广泛关注。此后，众多学者在动物模型上验证了氢气对神经病变、心肺疾病、肝脏损伤、糖尿病等的保护性作用。脑疾病是氢气医学研究的热点，相对机体的其他器官而言，脑组织更易受氧化应激损伤，其原因包括脑耗氧量大，消耗机体近20%的氧气；不饱和双链脂肪酸的含量高；脑内抗氧化酶含量低，这些都使脑防御氧化应激能力较其他组织弱[2]。目前临床仅有少数的抗氧化剂用于治疗神经系统疾病，如依达拉奉，但是其效果并不理想。其中可能的原因包括无法透过血脑屏障作用于脑细胞；不能自由穿透生物膜，无法到达线粒体等治疗靶点；大剂量使用易出现并发症；起效慢，容易错过治疗时间窗。氢气作为气体分子，抗氧化具有易扩散、起效快、无明显不良反应等优点，将为脑疾病的临床防治提供新的思路。

1 氢气治疗脑卒中

1.1缺血性脑卒中 脑卒中是全球致残、致死率高的首要原因之一,缺血性卒中占所有脑卒中的80%～85%[3]。溶栓治疗可以恢复血流，改善代谢，能挽救梗死区周围组织，避免持续性缺血形成坏死。但由于治疗窗短(3 h)，仅有1%～8.5%的患者能及时溶栓，且溶栓治疗有出血和缺血/再灌注损伤的风险[3]。研究表明，脑缺血及缺血/再灌注损伤是多因素、多机制(如能量耗竭、氧化应激、离子通道异常、兴奋氨基酸细胞毒性作用等)共同作用的结果，其中氧化应激是重要的损伤因素[2]。

一过性大脑中动脉阻塞(transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO)符合缺血/再灌注的病理生理模型，氢气在tMCAO大鼠模型显示出了神经保护作用。研究发现，吸入2%的氢气可以减少梗死体积、脂质氧化产物丙二醛和DNA氧化产物8-羟基脱氧鸟苷酸(8-hydroxyl-2′-deoxyguanosine,8-OHdG)[4]。该实验还用细胞实验证实了氢气可以选择性清除·OH和ONOOˉ，发挥抗氧化的作用，其对脑缺血/再灌注损伤的疗效比依达拉奉更显著[4]。除抗氧化机制外，Liu等[5]研究发现,氢气对于tMCAO模型大鼠还具有抗炎症、抗凋亡作用。腹腔注射氢盐水后，炎性介质肿瘤坏死因子α、凋亡因子胱天蛋白酶3(caspase-3)的活性降低，提示氢气可以通过缓解炎性反应而减少细胞凋亡。缺血性脑卒中后，8.5%～30%的患者引发出血性脑卒中[2]，Chen等[6]证实了氢气可以降低高血糖状态下tMCAO后脑出血的风险,在缺血后再灌注期持续2 h吸入2.9%的氢气，可以减少氧化产物和基质金属蛋白酶9的水平,后者的下降说明氢气对血脑屏障具有保护作用，可能会降低脑梗死后出血的风险。

持续性大脑中动脉阻塞符合血管未再通的持续性缺血过程[7]。Li等[8]在持续性大脑中动脉阻塞大鼠的腹腔注射不同浓度的氢盐水，发现炎性因子(如高速泳动族蛋白1)及氧化产物下降，抗氧化酶活性增加,并能有效减少梗死面积，改善神经功能，且发现其疗效具有浓度依赖性。

全脑缺血性卒中时，小剂量的氢气依然能显著降低病死率。Nagatani等[9]用双侧颈总动脉栓塞法建立全大脑缺血模型，治疗组吸入1.3%的氢气，7 d生存率提高到50%，而对照组仅有8.3%，并证实氢气可以通过阻断细胞自噬减少细胞凋亡。Ge等[10]利用Morris水迷宫实验证实，短暂性全脑缺血大鼠吸入2%的氢气后认知功能明显改善。急性脑干梗死后第10～11日，磁共振成像显示梗死区域可恢复正常[11]。一项关于脑干梗死的临床实验中，氢气与依达拉奉合用可使恢复正常的时间缩短，虽然单用依达拉奉也可收到此效果，但速度不及联合治疗快[12]。

1.2出血性脑卒中 出血性脑卒中，如颅内出血(intracerebral hemorrhage,ICH)常比缺血性脑卒中更加凶险。出血后，炎性细胞、小胶质细胞激活，产生自由基。血肿形成后，血红蛋白分解，释放Fe2+，通过Feton反应，产生·OH，加重氧化应激。在ICH后24 h和72 h，血脑屏障破坏和脑水肿较明显，Manaenko等[13]予以ICH小鼠吸入2%氢气1 h，在ICH后24 h，发现氢气可以明显减少脑水肿程度，改善神经功能，而在ICH后72 h，差异并无统计学意义，认为短时间内吸入氢气对ICH仅有急性保护作用，因中性粒细胞浸润和小胶质细胞激活在ICH 72 h后才到达高峰，此时氢气不足以拮抗氧化应激，而不具有持续性作用。脑卒中早期会出现肥大细胞的浸润和激活，在炎性反应中发挥重要作用。随后Manaenko等[14]发现，ICH后肥大细胞(如类胰蛋白酶、肥大细胞脱颗粒等)激活增加，而氢气治疗后可降低这些改变，通过阻止肥大细胞的激活，保护血脑屏障，减轻脑水肿。胚胎生发基质出血是不成熟的血管破裂出血，Lekic等[15]通过1个月实验观察发现，氢气治疗可以减少大鼠生发基质出血后脑瘫，降低智力运动发育迟滞的发生率，且没有观察到明显不良反应。

2 氢气治疗脑退行性疾病

2.1阿尔茨海默病 阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)是最常见的神经系统退行性病变。有关AD的确切病因尚不明确，其中胶质细胞的活化、炎性反应及自由基产生引起的神经元损伤是发病机制的重要环节，其病理特征是β淀粉样蛋白及Tau蛋白聚集沉积。氧化应激对β淀粉样沉积有重要作用，同时与其他致病因素，如毒性神经兴奋性介质、钙失调相关。年龄是AD的重要危险因素，研究发现脂质和DNA氧化水平与年龄的对数呈正相关[16]。Gu等[17]研究发现，饮用氢盐水能够改善早老化相关的记忆与学习能力衰退，其中早老化小鼠饮用氢盐水后，大脑5-羟色胺及血液中抗氧化物活性升高，水迷宫测验能力提高，海马神经元退行性病变较对照组有明显改善，但其具体机制有待进一步研究。核因子κB是重要的调节细胞凋亡的转录因子，其作用可能通过抑制活性氧类形成和c-Jun氨基端激酶的激活[18]。Wang等[19]研究发现，腹腔注射氢盐水后能通过调节核因子κB抑制c-Jun氨基端激酶的活化，有效改善β淀粉样蛋白诱导的脑部氧化应激及神经炎症，治疗组小鼠脑组织中白细胞介素1β、8-OHdG有明显下降，同时海马区细胞凋亡明显改善。

2.2帕金森病 帕金森病(Parkinson disease,PD)是一种年龄相关性神经退行性疾病，其特征是黑质、纹状体区神经元进行性退变。PD发病机制不清，氧化应激、泛素-蛋白酶体功能异常、线粒体功能降低可能是PD的主要发病机制。研究显示，PD患者丙二醛、8-OHdG、Fe3+水平升高，抗氧化酶水平降低，证实细胞处于氧化应激状态。Fu等[20]在研究中发现，富氢水对6-羟基多巴胺诱导的类帕金森综合征具有保护作用。诱导前、后饮用富氢水均能够通过降低氧化应激减少6-羟基多巴胺诱导的多巴胺能神经元的丢失，延缓PD的发生、发展，且诱导前饮用富氢水较诱导后饮用富氢水有更明显的改善作用。Fujita等[21]研究发现，饮用含氢水对1-甲基-4-酚基-1,2,3,6-四氢嘌呤诱导的小鼠PD模型同样具有相似的作用。1-甲基-4-酚基-1,2,3,6-四氢嘌呤的代谢产物可在线粒体聚集，产生过量的自由基，可抑制电子传递链的复合体Ⅰ。该研究显示，饮用含氢水能有效降低1-甲基-4-酚基-1,2,3,6-四氢嘌呤诱导的DNA损害及脂质过氧化水平，同时，低浓度的含氢水(0.04 mmol/L)疗效和饱和氢盐水(0.8 mmol/L)作用相当。

3 氢气治疗外伤性和手术性脑损伤

外伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)是导致年轻人死亡和残疾的主要原因之一，TBI存活者通常表现为远期的学习能力和记忆力下降。实验表明，TBI大鼠可出现脑水肿、神经系统功能障碍和重塑时间延长等改变，氧化应激是导致这些病理改变的重要因素[22-24]。Ji等[23]证实吸入2%的氢气后，可降低TBI大鼠脑组织中氧化产物，提高抗氧化酶的活性，改善脑水肿、神经系统功能障碍。Hou等[24]研究了富氢盐水对液压冲击伤的大脑保护作用，结果显示丙二醛水平下降，沉默信息调控子水平和脑源性神经促进因子均升高，前者是重要的抗氧化调节因子，后者介导了突触可塑性，与学习记忆有关，同时Morris水迷宫测试其认知功能有所改善。

除TBI外，氢气还有望减轻手术引起的脑水肿等不可逆损伤，改善临床结果。普通的神经外科手术甚至损伤较小的微创技术、内镜手术及放射外科手术都会导致正常脑组织的不可逆损害，导致脑水肿和局部缺血等并发症。Eckermann等[25]研究氢气对右侧额叶切除术大鼠的神经保护作用，实验证明手术中给予2.9%的氢气可减少术后脑水肿的形成，改善神经行为评分，但脂质过氧化和炎症指标没有降低，提示氢气可能通过其他机制发挥作用，需进一步研究。自19世纪50年代起，深低温停循环技术广泛应用于外科手术，但过长的深低温停循环会导致严重的中枢神经系统功能障碍，是术后死亡的重要原因之一。Shen等[26]发现，深低温停循环的大鼠在给予富氢盐水后，白细胞介素1b、肿瘤坏死因子α、8-OHdG和丙二醛等指标均下降，活性降低，超氧化物歧化酶活性增高，脑组织caspase-3表达下调，证明富氢盐水可通过改善氧化应激下调炎性因子，减少凋亡等途径减轻深低温停循环引起的脑损伤。

4 氢气治疗一氧化碳中毒脑损伤

急性一氧化碳中毒是以中枢神经系统损伤为主的全身性疾病。高达3%～30%的患者于中毒症状缓解后，经过“假愈期”(3～240 d)再次出现严重的脑损伤，称为迟发性脑病。研究表明，急性一氧化碳中毒脑损伤及迟发性脑病与氧化应激、细胞凋亡以及免疫损伤等密切相关[27]。Wang等[28]通过腹腔注射富氢盐水[6 mL/(kg·24 h)]探究氢气对急性一氧化碳中毒脑损伤的保护作用，结果显示富氢盐水可提高脑组织和血清超氧化物歧化酶活性，降低丙二醛水平，改善急性一氧化碳中毒所致的学习记忆力下降和环境适应障碍。

5 氢气治疗新生儿缺血缺氧

近年来早产儿的存活率渐高，但治疗新生儿缺血缺氧(neonatal hypoxia-ischemia,NHI)导致的脑损伤的有效方法仍很有限。新生儿体内抗氧化系统尚未发育成熟，更易受自由基损害。氢气治疗在NHI的模型中得到了较好的结果。Cai等[29]为通过颈动脉结扎1周龄大鼠建立NHI模型，给予2%的氢气治疗24 h后，行脑组织切片染色，发现氢气治疗可降低caspase-3活性，减少凋亡细胞数量，提示氢气可以抑制缺血缺氧后的细胞凋亡，发挥神经保护的作用。

然而，在另一项关于NHI的研究中未发现氢气对神经系统的保护作用，这可能与脑损伤的严重程度相关[30]。推测氢气可能对轻、中度缺血缺氧具有神经保护作用，而对重度缺血缺氧无保护作用。

6 展 望

目前，氧化应激在脑疾病发生、发展过程中的作用得到了更多的肯定，研究已经证实氢气可通过降低氧化应激，减少炎性反应和脑细胞死亡，对脑部疾病发挥显著的保护作用。但氢气抗氧化的具体机制尚不完全清楚，是否可能通过不依赖氧化应激的其他途径发挥保护作用，如调节信号通路等，需要进一步的研究。相信深入研究氢气作用的具体机制、最适浓度、生物安全性等问题，可为氢气真正成为一种临床有效的治疗方法奠定基础。

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