氢气对结肠损伤的保护作用*

李 佩 苏军凯 张鸣青1,&

福建中医药大学研究生院1 (350108)解放军第一七五医院(厦门大学附属东南医院)消化内科 南京军区消化内镜中心2

氢是宇宙中最简单且含量最多的元素，而氢气(H2)是一种无色、无味、无嗅、易燃、具有一定还原性的双原子气体，质量在自然界中最轻。人和动物体内存在一定数量的氢气，主要由肠道厌氧菌酵解碳水化合物产生，临床上可通过检测呼气中的氢气水平即氢呼气试验了解胃肠动力情况，诊断乳糖不耐受、肠道菌群紊乱等疾病[1]。

长期以来，人们一直认为氢气只是肠道菌群代谢产生的废气，是一种生理性惰性气体，不具有任何生物学作用，直至20世纪70年代，才陆续有研究发现氢气在动物和人体内表现出抗氧化和抗炎作用。2001年，Gharib等[2]发现高压氢气可治疗肝寄生虫感染引起的炎症反应，并指出氢气与羟自由基的直接反应为其抗炎作用的基础。2007年，Ohsawa等[3]报道动物吸入浓度为2%的氢气可有效清除细胞毒性氧自由基，减少活性氧，从而显著改善脑缺血再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury)。因此，氢气作为一种新型选择性抗氧化剂受到广泛关注，相继有研究发现氢气还可减轻心肌、肝脏等器官的缺血再灌注损伤、神经损伤以及胰腺炎、肝炎、结肠炎、败血症等[4]。研究人员根据各类生理学和临床相关指标的检测，已报道氢气对超过38类疾病有明确治疗作用[5]。本文就氢气的生物学效应、对结肠损伤的保护作用及其临床应用潜力作一综述。

一、氢气的产生、代谢及其生物学效应

人体细胞中不存在氢化酶，因此氢气不能经由内源性途径产生。结肠内的厌氧菌主要通过酵解植物细胞中的淀粉和多糖获取能量，因而能通过氢化酶产生氢气。氢气进入血液循环后，惟一的排出途径是肺，而肠道内的氢气可通过排气或经结肠内微生物代谢后，转化为甲烷、硫化氢和乙酸排出[6]。

过氧化亚硝酸盐和羟自由基为强氧化剂，可作用于脂质、蛋白质和核酸，导致脂质过氧化、蛋白质变性和DNA裂解，破坏正常细胞的生理功能。而氢气能选择性地中和过氧化亚硝酸离子和羟自由基，同时增强抗氧化酶如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和加氧酶-1的酶活性，从而发挥细胞保护作用[7-8]。此外，氢气还可通过抑制凋亡效应酶caspase-3活性而发挥抗凋亡作用。

活性氧的产生与炎症反应密切相关，其可通过NF-κB途径激活促炎细胞因子如肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-1β(IL-lβ)，后者激活巨噬细胞后引发复杂的炎症级联反应，因此氢气的抗炎作用亦是通过清除细胞毒性氧自由基实现的。在各种损伤模型中，氢气均表现出明显的抗炎作用，在由氧化应激诱导的炎症反应中，氢气可下调IL-6、IL-1β、TNF-α和趋化因子水平[9]。目前已有越来越多的证据表明，氢气系通过其抗氧化、抗炎、抗细胞凋亡作用，对各种组织、器官和细胞损伤起保护作用[4]。

二、氢气对肠缺血再灌注损伤的保护作用

近年研究表明，肠道是多器官功能障碍综合征(MODS)的靶器官和枢纽器官，是炎症介质的扩增器。肠缺血再灌注不仅引起局部组织损伤，还可导致肠道细菌和内毒素易位，激活网状内皮系统，导致大量炎症介质和细胞因子释放，产生氧自由基等有害物质，引发肺、心、肝脏等多个器官功能衰竭[10]。缺血再灌注导致大量中性粒细胞聚集于肠黏膜内，激活的中性粒细胞释放大量蛋白酶和氧代谢产物，引起肠内皮细胞和实质细胞损害或破坏，介导肠组织损伤[11]。因此在肠缺血再灌注损伤的发生机制中，氧化应激起不可或缺的引发作用，大量细胞毒性活性氧代谢产物的形成是肠缺血再灌注损伤的中心环节，而抗氧化剂可阻断该损伤进程，发挥保护作用。

氢气对多种器官，如脑、视网膜动脉、心肌、肝脏、小肠等的缺血再灌注损伤有广泛保护作用[8]，其机制主要为清除活性氧自由基。再灌注过程中产生大量活性氧，继而发生氧化应激，而氢气可通过对活性氧自由基的清除作用发挥组织保护作用。研究证实氢气可显著降低缺血再灌注过程中氧化应激诱导产生的各种损伤标记物的表达水平，如脂质过氧化产物丙二醛( MDA)和4-羟基壬烯酸(4-HNE)、DNA氧化产物8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)、炎症标记物髓过氧化物酶(MPO)等[12]。

Zheng等[13]对肠缺血再灌注损伤大鼠模型的研究证实，于再灌注前10 min予模型动物静脉注射富含氢气的盐水(hydrogen-rich saline)5 mL/kg，可显著减轻其肠道组织学损伤。Chen等[14]以富氢盐水预处理肠缺血再灌注损伤大鼠模型的研究得到类似结果。Mao等[15]的研究发现，在肠缺血再灌注相关肺损伤大鼠模型中，静脉注射富氢盐水能减少肺组织中性粒细胞浸润，减轻膜脂质过氧化，抑制NF-κB活化及其下游促炎细胞因子产生，从而缓解肺损伤。上述研究结果均表明氢气是减轻肠缺血再灌注损伤的有效治疗方式。简言之，氢气能抑制肠缺血再灌注诱导的血清TNF-α、IL-1β、IL-6水平和二胺氧化酶(DAO)活性升高，降低小肠和肺组织MDA含量和MPO活性，通过减轻氧化应激和炎症反应抑制肠上皮细胞凋亡，促进肠上皮细胞增殖，改善受损肠道平滑肌的收缩功能，从而明显减轻肠缺血再灌注损伤及其诱导的肺损伤[13-15]。

三、氢气对结肠炎症损伤的保护作用

炎症反应是众多疾病共同的病理过程，其机制涉及血管内皮细胞、多种免疫细胞的激活和大量炎症因子的释放，包括IL-1β、IL-6、TNF-α、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、高迁移率族蛋白B1(HMGB1)、细胞间黏附分子-1(ICAM-1)等，其中 IL-1β、IL-6、TNF-α是介导急性期炎症反应最重要的细胞因子，而HMGB1作为一种晚期炎症因子，可进一步促进炎性细胞的活化、聚集以及其他炎症介质的产生和释放，引发瀑布式炎症级联反应。

除抗氧化作用外，氢气对炎症反应亦有明显改善作用，表现为抑制促炎细胞因子表达上调以及下调炎症相关分子等。Kajiya等[16]对氢气的抗炎作用进行了探讨，以葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导小鼠结肠炎模型以模拟人类炎症性病(IBD)，如给予的是溶入氢气的DSS溶液，小鼠结肠炎评分和病变结肠组织IL-12、TNF-α、IL-1β表达水平均显著降低，DSS介导的结肠组织破坏和巨噬细胞浸润受抑。He等[17]研究了富氢盐水对乙酸灌肠诱导的大鼠急性结肠炎模型(模拟人类溃疡性结肠炎)的保护作用，发现予模型动物腹腔注射10或20 mL/kg富氢盐水可减轻其腹泻、便血、体质量减轻等临床症状和结肠黏膜损伤(严重充血、水肿、糜烂、出血以及不同程度的肠黏连)，同时氢气还可抑制损伤肠黏膜中高表达的血管内皮生长因子(VEGF)，该作用至少部分与氢气对溃疡性结肠炎的保护作用有关。

四、氢气的临床应用

氢气的生物学效应已在多种病理模型中得到验证，其作为一种新型抗氧化医用气体，有其自身独特的优势，具有良好的临床应用前景。首先，氢气具有良好的扩散性，可迅速扩散至活性氧大量产生和攻击的部位，如细胞膜、线粒体、细胞核等大分子，从而高效保护这些大分子免受活性氧攻击。其次，氢气的抗氧化作用具有选择性。氢气的还原性较弱，只与有毒性的活性氧发生反应，而不与超氧阴离子、过氧化氢等具有生物信号作用的自由基发生反应，避免了对机体正常信号传递的干扰[3]。再次，氢气本身结构简单，与自由基发生反应后只生成水，多余的氢气可随呼吸排出体外。最后，氢气制备简便，价格低廉，且在高压、高浓度条件下对人体仍无明显不良影响，具有较高的安全性。

关于氢气的临床应用，目前尚存在一些问题有待解决，如尽管氢气可通过吸入、口服、静脉或腹腔注射等方式供给[18]，但吸入供给方式因氢气的易燃特性而有一定风险，且需使用氢气呼吸机等特殊设备，口服、注射等方式亦存在氢气在常压下溶解度过低、易从溶液中释放等缺点，因此制备具有稳定浓度的氢溶液是一个亟待解决的问题。此外，如何控制氢气的释放也是一个值得探讨的问题。

五、结语和展望

综上所述，氢气是一种具有治疗作用的医学气体，研究表明其具有抗氧化、抗炎和抗细胞凋亡效应，在缺血再灌注损伤、炎症性疾病、代谢综合征等多种疾病中发挥保护作用，作用的发挥主要是通过有效清除毒性自由基。关于氢气的生物学效应和治疗作用，仍有不少问题值得进一步探讨，如氢气发挥作用的信号途径和作用靶点、最适临床应用剂量、最适给药途径以及可能的不良反应等。最令人困惑的一点是，人体肠道气体中含有大量氢气，其总量远远超过静脉、腹腔注射或饮用治疗剂量的富氢水[19]，相对微量的治疗剂量氢气如何对人体产生较大影响仍有待阐明。上述氢气医学问题需要相关科研和临床工作者共同努力加以解决。

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