治疗性气体氢气作用机制的研究进展

焦晓翠(综述)，李 英(审校)

(河北医科大学第三医院肾内科，河北 石家庄 050051)

·综 述·

治疗性气体氢气作用机制的研究进展

焦晓翠(综述)，李 英*(审校)

(河北医科大学第三医院肾内科，河北 石家庄 050051)

氢；治疗；作用机制

氢是自然界最简单也是分布最广泛的元素，是人体中含量最为丰富的元素之一。当氢气的浓度达到4%～75%时，极易发生爆炸，但是低浓度的氢气其实是一种非常稳定的气体，它只能以非常低的反应速率与氧自由基离子和羟自由基发生反应。由于氢气是一种分子量极小的气体，它可以自由并快速地在组织间穿梭，从而加快氢分子与细胞内分子的碰撞，弥补了氢分子低反应速率的缺点。哺乳动物体内的氢气主要来源于肠道中细菌的分解代谢反应，氢气可以通过消化系统和呼吸系统排出。氢气是无色无味的气体，以前人们认为氢气不参与体内的生理反应，是一种“惰性”气体[1]。发表在《Science》上的一篇文章指出，高压氢气可通过发挥其抗氧化作用，抑制白化病小鼠皮肤肿瘤的发生[2]。有学者对缺血再灌注导致脑损伤大鼠采用氢气治疗，可以有效地降低大鼠脑组织的氧化应激水平并减轻脑损伤[3]。这一发现引起了全世界的广泛关注，到目前为止已有400余篇关于氢气治疗的报道，涉及的器官和疾病有十余种，包括各种组织和器官的缺血再灌注、动脉粥样硬化、神经退行性疾病、视网膜病变等[4-5]。如今，氢气的生物学作用已经得到了广泛的关注，关于其发挥作用的具体机制也不再仅仅局限于对毒性氧自由基的清除，其抗氧化、抗炎、抗凋亡以及调节激素活性和miRNA表达的作用也日益受到重视。

1 氢气的抗氧化作用

氧化应激的发生是因为机体内自由基的产生与清除失衡，从而引起自由基在体内积聚并引起氧化损伤。机体在正常情况下，自由基的产生与清除处于平衡状态，不会对机体造成损伤，但在炎症、缺血、器官移植、缺血再灌注、糖尿病等病理情况下，自由基过量产生或者内源性抗氧化能力下降，致使自由基在体内大量聚集，从而对机体造成损伤[6-7]。存在于机体内的自由基包括氧自由基和氮自由基：超氧阴离子、羟自由基和过氧化氢等属于氧自由基；一氧化氮、二氧化氮和过氧化亚硝酸盐等属于氮自由基。并不是所有的自由基都具有非常强的毒性作用，有一部分自由基毒性很弱并具有生物学作用，它们是机体重要的信号分子，如过氧化氢和一氧化氮等。能够导致机体氧化损伤的自由基一般都具有很强的毒性，如羟自由基和过氧亚硝基阴离子等[8]。 氢气抗氧化作用的一大优点是氢气的自由基中和反应具有选择性，即氢气可选择性的中和具有强毒性的自由基，如羟自由基和过氧亚硝基阴离子等，而对具有生理活性作用的自由基并无中和作用。氢气是一种性质温和的抗氧化剂，因此在发挥抗氧化作用的同时对机体内部正常的生理反应过程影响极小。而其他强抗氧化物质在清除氧自由基的同时还破坏了机体的内源性氧化还原平衡状态，从而对机体造成更大的损伤[4]。

继发现氢气可以中和急性氧化应激条件下的羟自由基后[3]，又有研究发现含有饱和氢气的滴眼液可以直接减少视网膜缺血再灌注产生的羟自由基[9]。氢气可以通过降低氧化应激水平，减少大鼠脑缺血再灌注引起的损伤[10]。这些研究都证明氢气可以有效地减轻羟自由基产生的氧化损伤。氢气除了与羟自由基等强氧自由基直接作用发挥抗氧化作用外，还可以通过清除过氧亚硝酸盐等氮自由基来发挥其抗氧化作用。过氧亚硝酸盐可以修饰蛋白酪氨酸，从而产生硝基酪氨酸[10]，研究发现氢气可以通过降低硝基酪氨酸的产生减轻氮自由基对机体的氧化损伤[11-12]。

氢气除了直接与自由基发生中和反应外，还可以间接地作用于抗氧化系统保护机体免遭氧化应激带来的损伤。越来越多的研究表明，氢气可以通过增加抗氧化酶的活性发挥抗氧化作用，这些抗氧化酶包括血红素氧化酶1(hemeoxygenase-1，HO-1)[13]、超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, SOD)[14]、过氧化氢酶[15]和髓过氧化物酶[16]。研究发现，氢气可能是通过转录因子核因子E2相关因子(muclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)信号通路调控抗氧化酶的活性与表达水平的。Nrf2是体内非常重要的抗氧化应激转录因子，其可调控抗氧化酶的表达并影响着机体的氧化应激水平[17]。Kawamura等[18]发现在Nrf2敲低小鼠上，氢气减缓高氧导致肺损伤的作用是降低的，同时也伴随着HO-1表达下降。Zhai等[14]发现氢气可以通过Nrf2的激活增加SOD的活性，从而减轻大鼠大脑的缺血再灌注损伤。吸入氢气可以减轻溺水造成的兔急性肺损伤，其发生的可能机制为氢气激活了Nrf2通路，使得抗氧化蛋白Nrf2、HO-1的蛋白和mRNA表达明显增多[16]。近来的一项研究还表明，2%氢气可以显著增加重度脓毒血症大鼠的生存率，减轻氧化应激和炎症造成的损伤，增加抗氧化蛋白HO-1和高迁移率族蛋白(high mobility group box-1 protein，HMGB1)的释放，氢气发挥保护作用的机制与Nrf2的激活存在着紧密的联系[15]。

2 氢气的抗炎作用

炎症是多种疾病的共同病理过程，炎症造成机体损伤的机制包括促进免疫系统的过度激活以及炎症因子的释放等。近年的多项研究发现，氢分子作为一种无毒且高效的抗氧化剂，还可以减少炎症因子的生成并增加抗炎因子的释放，故氢气可用于治疗多种炎症相关的疾病，如脓毒血症、缺血再灌注引起的肾损伤、肺损伤等。

Xie等[19]发现氢气干预可以降低脓毒血症大鼠病死率及相关器官的炎症损伤，氢气可通过核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和Nrf2/HO-1信号通路发挥其抗氧化应激、抗凋亡和抗炎作用。Ishibashi等[20]报道，给予20例类风湿关节炎患者每日饮用富氢水治疗4周后，与安慰剂对照组相比，饮用富氢水患者尿8-OHdG水平显著下降，同时疾病活动性也明显降低。另外，有研究发现，富氢生理盐水可以明显增加SD大鼠腹部缺血再灌注皮瓣的存活率和血流灌注，并证明该治疗作用可能与减轻缺血再灌注导致的炎症反应有关。脓毒血症和多器官功能衰竭是危重患者死亡的首要原因，吸入氢气可以显著改善脓毒症小鼠的器官损伤并且提高其生存率[21]。研究表明将氢气溶于血液透析液中可以较好地控制肾衰竭患者的血压并且显著降低患者血液中硫酸吲哚酚和单核细胞趋化蛋白1的含量以及髓过氧化物酶的活性[22]。

以上临床和动物实验均表明氢气具有抗炎的药理作用。在众多的炎症动物模型中，氢气可以通过作用于细胞信号转导通路和调控基因的表达减少致炎因子的产生，从而发挥抗炎作用[4]。有研究称在肝移植手术前1 h，吸入2%氢气可以显著降低缺血再灌注引起的肝损伤，其可能的机制是激活了核因子NF-κB信号通路，从而降低了促炎因子肿瘤坏死因子α和白细胞介素6的产生[23]。氢分子对呼吸道炎症的治疗作用非常显著，最近的一项研究发现，氢气水对豚鼠的过敏性鼻炎病理模型有很好的治疗作用，氢分子可以显著的降低豚鼠体内的炎症因子白细胞介素4、白细胞介素13的蛋白和mRNA水平[24]。同时，Shi等[25]发现氢气可以通过减弱c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)的磷酸化以及NF-κB的激活缓解急性坏死性胰腺炎导致的急性肝损伤。富氢水可以有效地降低慢性肾移植动物模型体内的致炎因子水平，并且还可以抑制有丝分裂原激活蛋白激酶信号通路，从而发挥其肾保护作用[12]。有学者研究发现给予脓毒血症大鼠模型2%的氢气吸入治疗，可以明显缓解脓毒血症造成的大鼠肺损伤，同时，氢气治疗还可以降低模型动物体内炎症因子HMGB1的水平。氢气发挥这一治疗作用的机制可能与Nrf2及其下游分子HO-1的激活相关[26]。综上所述，氢分子可能是通过激活NF-κB、p38、JNK、AKT等信号通路，减少促炎因子的释放，增加抗炎因子的生成，从而发挥其抗炎作用的。

3 氢气的抗凋亡作用

凋亡的发生可以通过线粒体信号通路引起内源性刺激而发生，也可以通过外源性刺激细胞膜表面的死亡受体而发生。但是，无论通过哪条通路均需激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)，故认为凋亡与caspase的激活密切相关。另外，氢气作为一种小分子气体，易通过细胞膜等膜性结构，在细胞内发生简单的化学反应，特异性中和细胞内的氧自由基，保护 DNA、蛋白质等不被自由基破坏，维持正常的线粒体功能，阻止细胞凋亡。有研究报道，长期饮用富氢溶液具有防辐射作用，在人脐静脉内皮细胞、人小肠上皮细胞、小鼠小肠、心脏内，氢分子不仅可以有效清除辐射产生的毒性自由基还可以调控凋亡相关蛋白的表达，从而降低辐射对这些细胞的伤害[27]。另外，氢气对神经系统的保护和治疗作用与其抗凋亡的特性密切相关。低剂量吸入氢气能阻断新生鼠脑缺血和缺氧引起的海马和皮层神经元细胞的凋亡的数量，降低caspase-3以及caspase-12的活性。富氢水还可以发挥抗凋亡作用从而促进外周神经损伤的修复，低剂量氢水治疗有促进轴突再生和神经功能恢复的作用[28]。给予脊髓损伤大鼠模型饱和氢气生理盐水腹腔注射，与生理盐水对照组相比，饱和氢气生理盐水可显著降低脊髓细胞的凋亡，以及caspase-3和caspase-12的表达和活性，同时，富氢生理盐水还可明显地促进损伤脊髓的恢复[29]。氢分子可以通过减轻氧化应激、血管损伤、细胞凋亡延缓类固醇引起的骨坏死[30]。氢分子可以减少缺血再灌注后肾脏组织Bax、caspase-3、caspase-9、caspase-8等凋亡相关蛋白的表达，同时也减轻了肾脏组织的凋亡水平[10]。越来越多的研究证明氢气具有抗凋亡作用，可以显著减少凋亡相关蛋白的表达如Bax、caspase-3、caspase-9等。但是氢气是通过激活哪些信号通路实现对这些蛋白表达的调控呢？氢气是否能够影响线粒体的结构功能从而干扰细胞的凋亡过程呢？这些问题目前均不是特别清楚，还需要进一步的研究。

4 氢气的其他作用

氢气除了具有上述的抗氧化、抗炎以及抗凋亡作用外，还可对机体的激素水平和活性产生影响，从而对一些代谢性疾病发挥治疗性作用。氢气可增加体内脂肪酸和葡萄糖的消耗，降低db/db小鼠肝脏的氧化应激水平及脂肪肝的发生，长期饮用富氢水还可以降低db/db小鼠的血糖、胰岛素及三酰甘油水平，提示氢气可对肥胖、糖尿病、代谢综合征等代谢相关疾病发挥一定的保护作用[31]。Matsumoto等[32]报道，氢气可以增加胃肠中生长激素促泌素——gerelin的分泌，发挥神经保护作用，这可能是氢气治疗帕金森病的分子机制之一。虽然，关于氢气通过影响激素的分泌发挥治疗性作用的研究报道相对不多，但是仅有的一些研究也为了解氢气的治疗作用提供了新的思路。

随着氢气治疗作用研究的逐步深入，学者们开始从基因水平来研究氢气的作用机制。近年来，氢气对miRNA表达的调控作用引起了大家的关注。在脂多糖激活的小胶质细胞中，氢气治疗可以上调miR-9、miR-21的mRNA表达，下调 miR-199的mRNA表达。同时，氢气的应用降低了髓样分化因子(myeloiddifferentiationfactor88，MyD88)和NF-κB激酶抑制因子(inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase，IKK-β)的蛋白表达，增加了程序性细胞凋亡因子4(programmed cell death 4，PDCD4)的蛋白表达，从而降低了炎症反应，氢气的这一特性也解释了其抗炎作用的可能发生机制[33]。有研究通过对缺血再灌注病理状态下海马神经元miRNA表达的分析发现，氢气可以通过降低与细胞凋亡密切相关的miR-200家族的表达而发挥其对缺血再灌注状态下机体的保护作用[34]。虽然miRNA能从基因水平改变多种生物学作用相关蛋白的表达，但氢气的治疗作用并不能全部由其对miRNA的调控作用来解释，氢气对miRNA调控作用的具体机制还不是特别清楚，仍需要进一步的研究。

5 氢气治疗的前景

与传统的抗氧化剂相比，氢气治疗具有自身独特的优点。首先，氢气体积比较小，具有良好的组织穿透性，可以快速地透过膜屏障而到达作用部位。氢气的这一特性还决定了它可以到达一些大分子抗氧化剂不能进入的亚细胞器，如线粒体等。线粒体对于氧化磷酸化和众多代谢反应非常重要，线粒体的呼吸链是活性氧的主要来源，故线粒体的功能失调与许多疾病的发病机制密切相关。尽管线粒体的氧化损伤对疾病的发生有着如此重要的作用，但现有的抗氧化物质却很难到达线粒体发挥其抗氧化的作用。而氢气可以非常容易地进入线粒体和细胞核来发挥抗氧化作用，这是氢气这种抗氧化剂具有的独特优点。其次，氢气是一种性质温和且具有生物选择性的抗氧化物质。这些特性决定了氢气是一种新型、易取、低毒、有效的抗氧化剂，并具有潜在的临床应用价值。

6 结 论

氢气的抗氧化、抗凋亡、抗炎作用已经得到越来越多学者的证明和认可。不仅如此，氢气的其他作用机制，如对激素的影响以及对miRNA的调控也通过实验得到了验证，这为进一步认识氢气提供了新的可能。将来还需对氢气发挥作用的具体分子机制进入深入研究，从而为其临床应用提供更有力的理论依据。由于氢气取材易、毒性小、成本低，并且治疗作用独特而显著，使得氢气有望成为今后治疗多种疾病的新手段。

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(本文编辑：赵丽洁)

2017-04-07；

2017-04-20

焦晓翠(1988-)，女，河北石家庄人，河北医科大学第三医院医学博士研究生，从事糖尿病肾病及其发病机制研究。

R916.3

A

1007-3205(2017)08-0979-05

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.08.029

*通讯作者