氢气在肝移植中应用的研究进展

于瑶，喻文立，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）

缺血/再灌注损伤是肝移植术后早期及晚期移植物功能衰竭甚至患者死亡的主要原因［1］。多种因素参与肝缺血/再灌注的病理生理变化过程，其中氧化应激产生的氧自由基可损伤肝细胞超微结构和功能，与器官缺血/再灌注损伤关系最为密切。因此，抑制缺血/再灌注诱导的氧化应激是减轻肝缺血/再灌注损伤的有效途径。

氢气（H2）是自然界中分子量最小的气体，无色、无味，具有还原性，曾被认为是不与生物体内任何物质发生化学反应的生理惰性气体，不具有生物活性。由于其毒性小，且在减压环境下不易产生气泡，被广泛用于预防减压病的发生。1975年Dole等［2］研究发现，将小鼠置于高压氢气舱内能抑制其皮肤肿瘤生长，但氢气并未应用于常规临床治疗，也未引起人们更多的关注。直至2007年Ohsawa等［3］研究发现氢气具有选择性抗氧化作用，实验结果表明，吸入2%氢气可以选择性清除羟自由基（·OH）和过氧亚硝基（ONOO-），抑制再灌注后炎症反应，减小局灶性脑缺血/再灌注损伤大鼠的脑梗死面积，这一发现引起了学术界的广泛关注，为氢气的临床治疗作用提供了新的思路和广阔的前景。此后有研究证实氢气对肝缺血/再灌注损伤也具有明显的保护作用，且与传统抗氧化剂相比具有多种优点。本文总结了该领域的研究进展，旨在为深入研究氢气在肝移植中的作用提供一些参考。

1 氧化应激与缺血/再灌注损伤

缺血/再灌注早期细胞内活性氧（ROS）水平大量增加，氧化应激反应不但能够直接造成肝组织损伤，还能激发多种炎症介质的释放，是缺血/再灌注中最主要的损伤因素。肝缺血时三磷酸腺苷（ATP）缺乏，导致细胞功能发生障碍，黄嘌呤脱氢酶（XD）转变为黄嘌呤氧化酶（XO）。此外，ATP降解为二磷酸腺苷（ADP）、单磷酸腺苷（AMP）和次黄嘌呤并在组织内大量堆积。再灌注时大量氧分子随血液进入缺血组织，XO以分子氧为电子受体，催化次黄嘌呤转变为黄嘌呤产生大量氧自由基；另一方面，ATP缺乏导致氧自由基清除系统（SOD）功能障碍，进一步升高氧自由基水平。氧自由基介导脂质过氧化反应，导致膜受体功能障碍；同时脂质过氧化代谢产物（MDA）与膜磷脂和蛋白质等相互作用破坏细胞膜结构和功能导致细胞凋亡或坏死。

2 氢气与缺血/再灌注损伤

大量研究证实，吸入内源性气体信号分子如一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）对多种器官缺血/再灌注损伤具有保护作用［4-7］。然而，这些气体均具有内在毒性作用，将其应用于临床治疗中尚需进一步研究证实其疗效和毒性作用。吸入含49%氢气、50%氦气和1%氧气的混合气体可用于预防减压病和氮麻醉［8］，其应用的安全性已被证实。人体细胞不能产生内源性的氢，但大肠中的厌氧菌能通过氢化酶降解碳水化合物产生大量的氢气进入循环，并通过肺排出体外。最新研究显示，氢气在人体内可能发挥着调节信号传导的作用，被称为“第4个气体信号分子”［9］。氢气作为氧自由基清除剂可以选择性地降低组织和细胞内的活性氧簇，减轻器官缺血/再灌注后的炎症反应。其机制可能是氢气选择性地减少·OH和ONOO-并增强抗氧化酶类的活性，从而抑制氧化应激导致的MDA和蛋白质失活；其次，氢气通过抑制含半胱氨酸的天冬氨酸水解酶（Caspase-3）的活性发挥抗凋亡特性［10］；此外，氢气还可以抑制炎症因子诱导的氧化应激损伤［11］。研究表明，氢气在多种损伤模型中具有抗炎性反应作用，在氧化应激诱导的炎症反应中，氢能够下调炎症因子白细胞介素-6（IL-6）、IL-1β，趋化因子和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的表达水平［12］，这些炎症介质在诱发和加重组织缺血/再灌注损伤中具有重要意义。

第1篇有关氢气的研究结果发表后，Ohsawa等［13］随后报道了吸入氢气对肝缺血/再灌注损伤的保护作用，并发现其治疗效果具有剂量依赖性。卞学艺等［14］研究发现，通过尾静脉注射含饱和氢气的生理盐水对C57BL/6小鼠肝缺血/再灌注后肝细胞损伤具有显著的改善作用，肝组织内MDA含量明显减少，TNF-α、IL-6、细胞间黏附分子 -1（ICAM-1）和干扰素诱导蛋白-10（IP-10）mRNA的表达水平明显降低，且巨噬细胞及中性粒细胞浸润明显减少。Liu等［15］在大鼠肝缺血/再灌注模型中发现，腹腔注射含饱和氢气的生理盐水可明显降低炎症介质的产生和氧化应激损伤，减轻移植后肝病的进展，显著改善移植后的肝功能，并最终提高动物的存活率，这表明氢气不仅有抗氧化作用，还具有抗炎活性。最近Zhang等［16］在大鼠肝移植模型中证实，吸入2%的氢气1小时能明显降低缺血/再灌注诱导的TNF-α、IL-6、NF-κB含量的升高，并减轻肝细胞损伤。与受体、供体均吸入2%的氢气相比，仅供体吸入2%氢气组的NF-κB、HO-1、Bcl-2及锌指蛋白A20水平显著升高，表明肝移植手术前吸入2%氢气1小时可能通过激活NF-κB保护大鼠肝脏免受缺血/再灌注损伤。

氢气对于缺血/再灌注器官不仅具有抗氧化作用，还能显著抑制组织的炎症反应，促进器官功能恢复。Abe等［17］研究表明，用含饱和氢气的器官保存液（UW液）保存的肾脏，其氧化应激水平、肾小管凋亡和巨噬细胞浸润程度明显降低，其通过抑制氧化应激和炎症反应减轻肾脏冷缺血损伤。Shi等［18］研究发现，氢气能通过减少缺血/再灌注介导的Caspase-3依赖性凋亡来保护肺组织。通过TUNEL染色及Caspase-3活性检测，Shi等发现在SD大鼠肺缺血/再灌注之前和之后腹腔注射含饱和氢气的生理盐水，能显著减轻肺水肿，增加肺动脉血管活性，降低肺组织MDA、8-强化脱氧鸟苷（8-OHdG）水平，减轻肺上皮细胞凋亡程度。陈烨等［19］研究结果显示，吸入2%的氢气能显著抑制肠缺血/再灌注引发的小胶质细胞激活，从而减轻大鼠脑氧化应激和炎症反应，发挥脑保护作用。腹腔注射含饱和氢气的生理盐水还可通过降低氧化应激水平和Caspase-3依赖性细胞凋亡减轻视网膜缺血 /再灌注损伤［20］。

3 氢气作为新型抗氧化剂的优点和问题

3.1 与其他抗氧化剂相比，氢气的优势在于：① 氢气的分子量最小，具有良好的生物膜通透性，能够高效地进入细胞甚至在线粒体和细胞核中发挥作用，这些部位是ROS产生和DNA损伤的主要位置，其他药物难以进入并发挥作用。② 氢气作用温和，能够特异性清除·OH和ONOO-而不影响内源性氧自由基，代谢中对机体有利的氧化还原反应不受其干扰，不良反应较轻。③ 氢气的安全性已被证实，并且其制备方法简单、使用方便且价格便宜。因此，作为无毒的选择性抗氧化剂，氢气具有良好的临床应用前景。

3.2 基础研究已证实氢气具有广泛的生物学作用，但氢气真正应用于临床治疗，尚有很多问题需要解决：① 目前吸入氢气的生物安全性只在人体中得到了证实，腹腔注射或静脉注射等途径长期、大量给药的药理及毒理作用研究较少，其在人体使用的生物安全性还没有完全得到认证，潜在的毒性作用可能尚未被发现。② 氢气的作用机制尚未完全阐明，氢气在体内维持时间很短，但生物学效应强大，在体内发挥生物学作用的信号通路还不清楚，因此，氢气用于治疗疾病的具体机制还需要大量的研究来证实。③ 虽然氢气能够选择性地清除·OH和ONOO-，但其效应的靶向性尚无定论，寻找氢气的特异性作用靶点也是将来要解决的主要问题之一。