含氢液（氢气）用于器官功能保护的研究进展

吴莉，施东婧，杜洪印（.天津医科大学一中心临床学院，天津 3009；.天津市第一中心医院麻醉科，天津 3009）

氢是自然界最轻、含量最丰富的元素，氢通过核聚变产生氦为太阳提供能源。氢气无色、无嗅、无味、高度易燃，是相对分子质量最小的双原子气体。氢气在空气和纯氧中的安全浓度分别是＜4.6%和＜4.1%。在潜水医学领域中，氢气首先用于预防减压病［1］。一直以来，氢气被认为是生理惰性气体。然而自2007年Ohsawa等［2］发现氢气具有抗氧化和抗凋亡特性，可选择性中和羟自由基（·OH）改善脑缺血/再灌注损伤（IRI）和卒中，掀起了氢气治疗疾病的研究热潮。大量生物医学领域研究证实，无论吸入氢气或饮用含氢水都可以选择性减少活性氧簇（ROS）并且发挥强大的细胞和器官保护作用。本文对氢气作为治疗性气体的潜在优势、氢发挥细胞及器官保护作用可能的机制及氢用于不同疾病模型的最新研究进展做一概述。

1 氢的潜在优势

氢气作为一种安全有效的治疗性医用气体可能存在巨大的潜能。与药物治疗相比，氢气具有以下几个方面的优势：首先，氢气扩散性强，能够扩散进入亚细胞器，如线粒体和细胞核，它们是ROS产生和DNA损伤的主要地方，并且药物很难进入亚细胞器；其次，氢气可选择性的减少·OH和过氧亚硝基（ONOO-），但是不能减少一氧化氮（NO）的稳态水平［2］。内源性NO信号通路能够调节肺血管张力和白细胞或内皮细胞相互作用，因此，内源性NO对于机体可能是非常有益的。在治疗浓度的低反应性可以允许氢气与其他治疗气体一起给予，包括吸入麻醉药［3］；最后，体外实验结果表明，氢处理不清除具有生理功能的过氧阴离子（O2-）和过氧化氢（H2O2）［2］。巨噬细胞和中性粒细胞通过吞噬作用杀灭一些形式的细菌时必然会产生ROS。因此，O2和H2O2在中性粒细胞和巨噬细胞中具有重要功能［2］。

2 氢发挥器官保护作用的可能机制

2.1 抗氧化作用：氢气作为自由基清除剂发挥抗氧化作用。氢气选择性的减少·OH和ONOO-，这两种自由基具有非常强的氧化性，能够与核酸、脂质和蛋白质反应，从而导致DNA裂解、脂质过氧化和蛋白质变性。生化实验表明，氢气抗·OH的能力强于抗ONOO-。同时氢气不清除具有生理功能的和H2O2，因此，氢气可以在不影响正常生理功能的情况下选择性清除·OH，是一种理想的新型抗氧化剂［2］。氢气细胞保护的另一种机制可能与适当增加抗氧化酶（如过氧化氢酶、超氧化物歧化酶或血红素加氧酶）的表达有关［4］。

2.2 抗炎症作用：ROS与炎症联系密切，二者相互促进，共同引起组织细胞的损伤。大量研究表明，氢气在多种损伤模型中均能发挥抗炎作用。氢气通过下调白细胞介素1β（IL-1β）、白细胞介素- 6（IL-6）和肿瘤坏死因子α（TNF-α）等促炎因子的表达从而减轻氧化应激引起的组织炎症损伤［5-6］。Nakao等［3］报道显示，吸入2%氢气可明显降低大鼠移植心脏的TNF-α、IL-6、IL-1β和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）等促炎因子的表达水平，心肌损伤明显减轻。

2.3 抗凋亡作用：凋亡是一种主动的、高度有序的、由基因决定的程序性细胞死亡，并有一系列酶参与其过程。细胞凋亡主要有受体介导和线粒体介导的两种死亡信号通路。许多疾病的病理过程中均包含细胞凋亡，因此，抗细胞凋亡对于疾病的预防和治疗具有重要意义。研究表明，吸入氢气可上调抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xl的表达，从而发挥抗凋亡特性［6-7］。Kawamura等［6］研究表明，吸入氢气能够显著上调大鼠移植肺中抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xl的表达，降低肺上皮细胞凋亡数量，可改善肺换气功能。

3 氢与器官保护

3.1 中枢神经系统：氢通过气体弥散很容易穿透血脑屏障，Ohsawa等［2］研究表明，吸入氢气可以通过清除ROS减少局部脑IRI大鼠的梗死面积，从而发挥脑保护作用。Cui等［8］研究显示，富氢生理盐水可通过保护缺血/再灌注大鼠的线粒体功能以减轻神经元IRI。2010年Chen等［9］研究发现，在局灶性脑缺血大鼠模型中，吸入氢气可减轻脑缺血梗死面积，减少脑IRI后出血性转化，明显改善大鼠神经功能。Li等［10］研究表明，富氢生理盐水对永久性局灶性脑缺血能够剂量依赖地产生神经保护作用，其保护作用部分与减轻氧化应激和炎症反应有关。对于脑卒中患者来说，氢分子可能是一种有效的治疗策略。Huo等［11］的研究报道显示，富氢生理盐水可提高心脏骤停及心肺复苏大鼠的生存率和神经功能，其机制可能与减轻氧化应激、炎症和凋亡有关。

3.2 心血管系统：在心血管系统的研究证据表明氢治疗对心肌IRI和心脏移植后的冷缺血/再灌注损伤具有保护作用。Hayashida等［12］报道显示，在左前降支冠状动脉短暂闭塞引起的IRI大鼠中，吸入0.5%～2%的氢气可减轻心肌梗死的程度而不改变血流动力学参数。另一项使用相同疾病模型的研究表明，注射富氢生理盐水通过降低血浆和心肌的丙二醛（MDA）浓度，抑制心肌细胞凋亡和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）活性且减少梗死面积，从而达到对IRI心肌保护的作用［13］。

目前认为心脏移植后的IRI是初级移植物功能障碍和慢性排异［14］的决定因素，并且促进移植物冠状动脉疾病的发展［15］。Nakao等［3］使用同种异体心脏移植大鼠模型，冷缺血时间为6～8小时，研究发现吸入2%的氢气可减轻心肌损伤。与空气治疗相比，氢治疗可显著减少脂质过氧化反应和血清高迁移率族蛋白B1（HMGB-1）的表达水平。

Fujii等［16］研究显示，吹入氢气对大鼠心肺转流术（CPB）产生的系统性炎症反应和肺水肿等器官损伤发挥抗炎和器官保护作用，是消除引起CPB的系统性炎症和器官损伤的潜在临床治疗方法。

3.3 肺：肺炎［17-18］、呼吸机相关性肺损伤（VILI）和急性呼吸窘迫综合征［19-20］均包含ROS与抗氧化剂防御系统之间的平衡失调。Huang等［7］提出NFκB的激活和Bcl-2的表达增加与氢气的细胞保护作用有关，氢气通过抑制VILI引起的细胞凋亡和炎症信号通路激活进而改善VILI。急性肺损伤继发远隔器官手术和严重系统性炎症。Mao等［5］分析了由肠IRI引起的大鼠肺损伤模型，提出富氢生理盐水治疗能够减少肺组织中性粒细胞浸润和脂质过氧化反应，降低NFκB活性和促炎症因子水平，产生肺保护作用。Kawamura等［6］研究显示，吸入氢气通过提高再灌注后气体交换减轻移植肺损伤，预防大鼠肺移植引起的IRI，并且提高冷保存、移植及再灌注后的移植肺功能。

3.4 肾：绝大多数肾移植晚期衰竭归因于以肾功能进行性恶化、肾性高血压和蛋白尿为特征的慢性移植物肾病［21］。Cardinal等［22］提出，在大鼠肾移植模型中饮用含氢水可以防止慢性移植物肾病。含氢水可改善移植物功能，延缓疾病进展，减少氧化损伤和炎症介质的产生，提高总存活率，在某种程度上减少氧化应激损伤，降低促分裂原活化蛋白激酶信号通路活性和细胞因子的产生。Toyofumi等［23］的研究显示，富氢器官保存液（UW液）通过保护肾小管上皮细胞免受炎症和凋亡提高移植物功能并延长受体生存时间。在肾移植早期，富氢UW液能减少氧化应激、肾小管细胞凋亡和间质巨噬细胞浸润。组织病理学上，富氢UW液处理能减轻肾小管损伤并抑制间质纤维化的发展。

3.5 肝：长时间的肝热缺血加重再灌注后氧化应激，引起以肝药酶升高和细胞坏死为特征的严重组织损伤。Fukuda等［24］提出吸入2%～4%的氢气可减轻大鼠肝热IRI，并且与减少氧化应激、抑制肝细胞坏死、降低血清丙氨酸转移酶和肝MDA有关。Liu等［25］的研究显示，用富氢生理盐水处理可明显改善缺血/再灌注引起的肝损伤，减少脂质过氧化标记物，减轻缺血/再灌注后组织改变，并且抑制HMGB1的表达和释放，减少肝缺血/再灌注后的局部和系统性炎症反应。Sun等［26］的研究表明，富氢生理盐水可以保护肝损伤，抑制导致肝硬化和肝细胞代偿性增生的过程。

3.6 胰腺：急性重症胰腺炎以细胞膜破裂、水肿、间质出血、坏死和炎症反应为特征，由腺泡细胞酶原转换为其活性形式引起。ROS及其衍生物可能在诱发急性重症胰腺炎中性粒细胞与巨噬细胞的活化和聚集中发挥重要作用。L-精氨酸可以诱发建立以急性胰腺间质水肿、空泡形成、显著中性粒细胞浸润、腺泡细胞损伤和胰腺坏死为特征的大鼠急性胰腺炎模型［27］。Chen等［28］的研究证明，大鼠尾静脉注射富氢生理盐水可以降低血清淀粉酶活性、抑制中性粒细胞浸润、减少脂质氧化反应和胰腺组织水肿，显著减轻L-精氨酸诱导大鼠急性胰腺炎的严重程度。

3.7 肠：肠IRI常发生在如腹主动脉瘤、肠系膜动脉阻塞、CPB、肠绞窄、新生儿坏死性肠炎失血性休克和小肠移植等手术治疗中［29-32］。Buchholz等［33］利用大鼠同源小肠原位移植模型进行研究，结果表明氢处理可改善黏膜糜烂和黏膜屏障破坏等移植诱导肠损伤。与空气处理组相比，术前吸入2%氢气能减轻移植后肠动力障碍、减少炎症介质的上调，并且与明显减弱脂质过氧化反应有关。尽管小肠移植是肠衰竭患者的一种治疗选择，IRI仍然是受体病态和死亡的主要原因。肠移植术前给予氢气可能是有效且临床可应用的治疗策略。Chen等［34］的研究表明，通过尾静脉注射富氢生理盐水对肠热IRI引起的肠收缩功能障碍具有保护作用。氢可能通过抑制缺血/再灌注引起的氧化应激和凋亡并且促进上皮细胞增生来发挥保护作用。

4 小 结

使用氢气作为治疗方法的概念仍是研究的新领域。因此，关于氢分子在体内作用的信号通路和过程的相关研究非常有限。之前的研究数据表明，氢的保护作用部分归因于它的自由基清除特性，因此，应对氢的直接自由基清除特性进行更加深入的研究。然而，清除特性不太可能是对其作用机制唯一的解释，可能涉及氢作为信号分子这一未被确定的生物特性，需要后续研究阐明氢作为生物分子的具体机制。