氢气在肺癌治疗中的前景与展望

闫振锋 刘乐园 陈刚

河北医科大学第三医院呼吸一科，石家庄050051

随着生活方式的改变、生活环境的恶化以及人口老龄化的加剧，全球范围内肺癌的发病率越来越高，占所有恶性肿瘤的1/5，而在我国肺癌的发病率和病死率均居首位，给人类的经济及生活带来沉重负担。随着对肺癌的研究越来越深入，人们发现氧化应激、炎症反应与肺癌的发生、发展密切相关，氢气可以选择性抑制氧化应激反应、抑制相关的炎症反应，因此氢气在肺癌治疗中的作用越来越受到重视，为肺癌的治疗提供了新的方法和思路。

氢元素是自然界中最丰富的一种元素，占所有元素质量的75%。氢气是自然界中最小的气体分子，在常温、常压下无色、无味，化学性质稳定，以往认为氢气是一种惰性气体，无生物医学作用。2007年Ohsawa等[1]报道了氢分子对大鼠脑梗塞模型具有显著治疗作用，同时还发现氢分子可以特异性清除羟自由基及过氧亚硝酸盐，此后氢气的抗炎、抗过敏等特性逐渐被发现，其在医学领域的应用越来越受到人们的重视，目前报道氢气可应用于2型糖尿病、代谢综合征、血液透析、脑血管病、ARDS、脓毒症、恶性肿瘤等多种疾病，以往关于氢气治疗恶性肿瘤的研究多集中在乳腺癌、大肠癌、肝癌等恶性肿瘤，而氢气治疗肺癌的研究相对较少，本文就氢气在肺癌治疗中相关机制及应用前景进行综述。

1 氧化应激、肺癌与氢气

1.1 氧化应激概述 氧化应激是指机体内有毒性的活性氧(reactive oxygen species，ROS)与抗氧化系统之间作用失衡，最终导致细胞和组织损伤[2]。ROS是一类机体在有氧代谢过程中产生的具有高度反应活性的含氧原子或基团，可以修饰多种生物分子，改变他们的结构和功能。ROS可以产生于许多生理活动过程中，如:线粒体氧化磷酸化、内质网中蛋白质的折叠、各种内源性分子的分解等。常见的ROS包括:超氧阴离子、羟自由基、过氧化氢、次氯酸、一氧化氮、超氧、单线态氧以及其他类型的化合物及中间体等，对绝大多数细胞具有不良反应。同时机体内存在抗氧化系统，主要包括两大类。(1)酶类。如:超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等。(2)小分子有机抗氧化剂。如:维生素C、维生素E、β-胡萝卜素、还原型谷胱甘肽等。正常生理情况下，ROS不断产生的同时被还原系统不断清除，二者处于一种动态平衡。

1.2 氧化应激与肺癌 当机体受到内部或外部因素刺激后，导致氧化与抗氧化稳态失衡，从而导致ROS的升高，使机体局部或全身处于氧化应激状态，适度的氧化应激可以促进细胞的抗氧化能力，ROS也参与一些生理功能，如代谢信号传导和防御感染等，在一定条件下氧化应激可以促进癌细胞的凋亡[3]。然而过量产生的ROS可以攻击DNA、蛋白质、脂质等生物大分子[4]，从而引发一系列病理生理学改变。ROS的攻击可以引起DNA链的断裂，使DNA修复出现异常，引起遗传物质的改变，从而产生具有形成肿瘤潜力的细胞，同时DNA链的断裂可以引起癌基因的激活，抑癌基因的灭活，从而导致肿瘤的发生。ROS攻击蛋白质产生羰基衍生物，改变蛋白质的三级结构，导致蛋白质部分或全部伸展，并易于形成有害的蛋白交联产物，从而导致蛋白质生物学功能发生改变[5]。ROS攻击脂质，使其发生过氧化反应，从而产生脂氧自由基、不饱和脂肪酸链、脂质过氧化氢、丙二醛等代谢产物，进而改变细胞的功能[6]。以上这些变化被认为是ROS导致肺癌发生的重要起因。

此外，ROS可以造成恶性肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移，ROS抑制抑癌基因P21的表达，使细胞周期G2/M的阻滞得到解除，促进细胞的有丝分裂，ROS可以上调血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表达，进而促进肿瘤新生血管生成[7]；上调基质金属蛋白酶及细胞内黏附分子的表达，从而实现肿瘤的转移[8]；通过活化重组人锌脂转录因子进而实现上皮细胞间充质转化，上皮细胞间充质转化与多种肿瘤细胞的侵袭及转移密切相关[9]；激活受体酪氨酸激酶，生长因子与相应的结合从而促进肿瘤转移。有学者通过实验证实ROS可以通过激活蛋白激酶B而促进肺癌A549细胞的转移[10]。

1.3 氢气与氧化应激 氧化应激与恶性肿瘤的发生、发展密切相关，因此有学者提出可通过抑制氧化应激的作用来实现治疗肿瘤的目的。通过小鼠实验发现ROS清除剂可明显降低肿瘤细胞的转移能力，静脉注射超氧化物歧化酶可明显减少肺转移瘤小鼠模型肺内结节的数量。而氢气因为具有选择性抗氧化作用，逐渐被应用于恶性肿瘤的治疗。Dole等[11]于1975年将患有皮肤鳞癌的无毛白化小鼠放置于8个大气压的混合气体(2.5%氧气、97.5%氢气)环境中2周，结果发现肿瘤明显消退，提示高压氢气对皮肤恶性肿瘤有治疗作用，并推测其机制可能与氢气的抗氧化作用有关。中性p H富氢电解水可明显抑制舌癌细胞HSC-4的集落形成效率以及集落的大小，而对正常舌上皮样细胞没有显著抑制，推测其机制可能为氢分子通过癌细胞表面的水通道蛋白进入癌细胞内，抑制ROS而起作用。以上研究表明氢气可通过其抗氧化作用而治疗恶性肿瘤。理论上亦可以通过氢气的选择性抗氧化作用来抑制肺癌的发生、发展，但相关的具体机制需要更进一步的探索。

2 炎症、肺癌与氢气

2.1 炎症概述 炎症是指具有血管系统的活体组织对各种损伤因子刺激所发生的复杂防御反应，血管反应是炎症的中心环节。外源性和内源性损伤因子可引起机体细胞和组织各种各样的损伤性变化，与此同时，机体的局部和全身也发生一系列复杂的反应，以局限和消灭损伤因子，清除和吸收坏死组织和细胞，并修复损伤。机体这种复杂的以防御为主的反应即为炎症。炎症是损伤、抗损伤和修复的统一过程。

2.2 炎症与肺癌 大量的临床及实验研究结果表明约1/5的恶性肿瘤发生、发展与慢性炎症刺激有关，如慢性胰腺炎可导致胰腺癌[12]，炎症性肠病可明显增加大肠癌的风险[13]，肝癌与肝炎病毒感染密切相关[14]，胃癌与幽门螺杆菌感染密切相关[15]，宫颈癌与人乳头瘤病毒感染密切相关[16]等。长期慢性炎症的刺激可以诱导炎症细胞聚集，导致炎症细胞因子及趋化因子的持续释放，这两种因子可以导致细胞微环境的改变，从而造成ROS水平的升高、活性氮水平的升高、血管系统的改变、线粒体功能的改变以及破坏正常细胞信号传导，同时慢性炎症可以破环DNA的结构，激活癌基因，这些变化最终导致肿瘤的进展[17]。

肺部炎症性疾病与肺癌发生、发展密切相关，研究发现微生物可以通过脂多糖诱导环氧化酶2、表皮生长因子受体的表达，从而促进肺癌A549细胞的增殖，衣原体感染可以促进肺癌的发生。肺部慢性炎症性疾病(如COPD、肺结核)与肺癌的发生密切相关[18]，肺部慢性炎症性疾病减弱了肺组织对吸入的有毒物质和致癌物质的清除能力，从而增加了肺癌发生的风险，COPD患者其患肺癌的风险是正常人群的2.76倍，COPD患者长期慢性炎症后反复的肺组织损伤与修复，造成气道上皮增生、组织疤痕及肺组织的纤维化，从而促发癌变，同时长期慢性炎症刺激增加了基因突变的风险，促进血管生成、细胞增殖、转移、免疫抑制等变化，从而造成肺上皮细胞的癌变[19]。不分型流感嗜血杆菌造成的COPD样气道炎症可以促进小鼠肺癌的发生。机体感染结核后可以造成免疫功能的异常，使得机体对肿瘤的免疫监视能力减弱，免疫逃逸的癌细胞数量增加，从而促进肺癌的形成。机体感染结核菌后，炎症介质释放明显增加，诱导VEGF表达、促进细胞的增殖、抵抗细胞凋亡，形成有利于肿瘤生长的微环境，最终导致细胞癌变。结核感染后同样可以造成肺组织纤维化、瘢痕化，结核愈合后形成的钙化及淋巴结钙化可成为局部机械性刺激，可引起相邻支气管的癌变。肺组织感染结核后形成的局部肺组织结构的改变，有利于各种致癌物质的潴留。

2.3 氢气与炎症 氢气可以有效的抑制炎症反应，降低炎症因子的表达。Buchholz等[20]在大鼠肠移植研究中发现与吸入空气组相比，吸入2%氢气组移植诱导的炎症介质趋化因子配体2、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)、IL-6及IL-1的表达水平明显下降，表明氢气具有抗炎调节作用。随后在多项试验中氢气的抗炎作用得到证实。氢气通过抑制炎症反应减轻阿霉素造成的肝脏及心脏损伤[21]。氢气对脂多糖诱导的炎症损伤具有治疗作用，可以明显抑制炎症小体NOD样受体蛋白3的活化。在围产期脑损伤研究中发现，氢气可以降低胎儿脑中促炎因子的水平，提示氢气可以用来预防围产期炎症相关性脑损伤[22]。在心肌缺血再灌注损伤模型研究中发现，腹腔内注射富氢生理盐水可以降低炎症因子的表达水平来保护心肌细胞，提示氢气可以改善炎症相关的心肌损[23]。吸高浓度氢气后，COPD模型大鼠肺泡灌洗液中炎症细胞的数量明显下降，并显著降低炎症因子TNF-α、IL-6、IL-17、IL-23的水平[24]。氢气可明显降低支气管哮喘模型小鼠肺泡灌洗液中嗜酸粒细胞及淋巴细胞的数量，IL-4、IL-13、TNF-α和CXCL15等炎症因子的水平显著降低[25]。Han等[26]通过实验证实，氢气通过抑制丝裂原活化蛋白激酶通路增加热休克同源蛋白的表达，来改善急性胰腺炎早期炎症反应并降低炎症介质核因子κB、TNF-α和IL-1β的表达。在复苏严重烧伤大鼠研究模型中发现，富氢生理盐水可以显著改善烧伤后的炎症反应，下调核因子κB的表达，并明显降低复苏后死亡率[27]。

氢气对肺部炎症性疾病具有一定的治疗作用，对COPD具有治疗、预防作用。动物实验发现给予COPD模型大鼠腹腔内注射富氢盐水，气道阻力、潮气量及肺顺应性较对照组均明显改善，并且明显改善肺组织的病理改变[28]。吸入高浓度氢气可明显改善支气管哮喘模型小鼠的肺功能，降低气道阻力，氢气可以改善脓毒症造成的肺损伤、减少肺部炎症细胞浸润，保护肺泡上皮细胞功能[29]。

以上研究表明，炎症及炎症因子在肺癌的发生、发展过程中起重要作用，控制炎症及炎症因子的表达可能会抑制肺癌发生、发展。氢气可以慢性抑制炎症反应，降低炎症因子的表达，因此，氢气可通过抑制炎症反应来抑制肺癌的发生、发展。

3 氢气与肺癌化疗

化疗是肺癌治疗的主要方法之一，然而化疗具有较大的不良反应，常见不良反应包括:骨髓抑制、神经毒性、耳毒性、心脏毒性、胃肠道反应、肝肾功能损害等[30]，这些不良反应增加了患者痛苦、导致患者不能耐受化疗、限制了化疗药物的剂量及疗程的规范化实施。顺铂是目前临床常用的一种肺癌化疗药物，具有较强的肾毒性、耳毒性，并呈剂量依赖性[31]。有研究表明顺铂不良反应的出现与ROS密切相关[32]，顺铂进入细胞后，与细胞内的谷胱甘肽等抗氧化剂发生反应，造成抗氧化剂水平的下降，从而导致内源性ROS增加[33]，同时顺铂可诱发线粒体功能障碍，破坏氧化呼吸链，从而导致ROS产生增多[34]。Nakashima-Kamimura等[35]研究发现给大鼠吸入1%的氢气或饮用氢水可明显改善顺铂引起的死亡率和体质量下降，并减轻肾毒性；氢气治疗组大鼠的血清肌酐及尿素氮水平较对照组明显下降，然而顺铂的抗肿瘤活性并未受到抑制。提示吸入氢气及饮用氢水可以潜在的改善患者化疗期间的生活质量，并有可能通过减轻顺铂的不良反应而提高顺铂的应用剂量。Matsushita等[36]通过实验证实富氢水可显著减轻顺铂引起的肾毒性，并推测其可能通过降低ROS的水平来实现。

以上研究结果提示氢气可以通过降低ROS的水平及提高抗氧化酶的活性来减轻顺铂的不良反应，提高患者的生存质量，并且不影响化疗效果。

4 氢气与肺癌放疗

长期以来放疗是治疗肺癌的主要手段之一。放射治疗会产生大量的电离辐射，作用于肺组织，使水分子发生解离，产生大量具有细胞毒性的羟自由基，从而造成肺组织的放射性损伤。病理改变早期以炎性渗出、间质水肿为主，后期间质水肿转变为胶原纤维、出现肺组织的纤维化[37]。轻症患者可以无症状，重症患者可以出现肺纤维化，甚至出现导致呼吸衰竭。长期以来治疗放射性肺损伤主要手段包括:糖皮质激素、中医中药、血管紧张素转换酶抑制剂、角化细胞生长因子等，糖皮质激素抑制患者的免疫力，可能会造成更加严重的感染，中医、中药疗效并不确切，而氢分子已被证实具有选择性清除羟自由基的能力，已应用于预防及治疗放疗造成的组织损伤，并可以提高接受放射治疗患者的生活质量。

Qian等[38]在小鼠实验发现富氢水可明显减轻电离辐射导致心肌损伤，降低心肌内丙二醛及8-羟基脱氧鸟苷水平，并增加心肌内源性抗氧化剂的水平。Kang等[39]给予接受放疗的肝癌患者饮用富氢水6周，发现富氢水干预组患者血液中的ROS代谢产物较安慰剂组明显减少，并可以维持血液的抗氧化能力。放疗期间富氢水干预组患者的生活质量评分较安慰剂组患者明显改善，但2组患者间的放疗效果并无明显差异。

在预防与治疗放射性肺损伤方面，Chuai等[40]认为雾化吸入富氢溶液是一种新型的预防及治疗放射性肺炎方法，Terasaki等[41]给小鼠吸入氢气及饮用氢水，发现辐射后肺组织中氧化活性物质的水平显著减少，肺损伤明显减轻，肺纤维化程度明显减轻。

放射性肺损伤是肺癌放射治疗的主要并发症，其发生、发展与ROS炎症反应密切相关，氢气可以通过减少氧化应激活性产物及抑制炎症反应来预防及治疗放射性肺损伤。

5 氢气抗肺癌的可能机制及信号通路

信号通路调节细胞的增殖、分化和凋亡，通路中任何一个环节出现变化都会造成信号传递的异常，从而导致肿瘤的发生及发展。c-Jun氨基末端激酶和p38丝裂原活性蛋白激酶通路异常表达可以抑制癌细胞的凋亡，促进其增殖[42]，连续腹腔内注射富氢盐水10 d，可显著降低大鼠脑组织中c-Jun氨基末端激酶的活性；梁灿鑫等[43]发现吸入氢气后，大鼠肺组织中p38丝裂原活性蛋白激酶的表达明显降低。VEGF在肺癌血管生成中起关键作用，并与肺癌的复发及转移密切相关，多项研究表明氢分子可明显抑制组织及血浆中VEGF的表达[44]。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)与恶性肿瘤的浸润、侵袭、转移密切相关[45]，其中MMP2、MMP9促进肺癌的侵袭及转移[46]。Chen等[47]研究发现氢气可明显下调组织中MMP2、MMP9的表达，Hanaoka等[48]研究证实氢分子可以下调MMP3和MMP13的表达。环氧合酶2参与肺癌的发生、发展，是肺癌防治的一个新的靶点[49]。王东昌等[50]研究证实氢气通过抑制组织中环氧合酶基因的表达，从而抑制肺癌细胞的生长。核蛋白抗原、染色体结构维持蛋白3的过表达可以促进肺癌的生长，Wang等[51]研究发现氢气可以通过下调核蛋白抗原及染色体结构维持蛋白3的表达来抑制肺癌的生长。

以上研究表明氢气有可能通过调节基因表达以及信号通路来干预肺癌的发生、发展，但肺癌的生物学行为可能涉及多种不同、复杂的信号通路调节，而氢气只是参与其中的部分信号通路的调节，其具体机制及具体信号通路仍需进一步研究。

6 氢气治疗肺癌的应用前景及目前研究存在的问题

肺癌严重危及人类健康，常规的治疗方法疗效差，不良反应较多，临床上期待新的治疗方法的出现。氢气对恶性肿瘤具有预防、治疗和缓解等作用。肺癌的发生、发展与氧化应激、炎症反应、信号通路的异常密切相关，氢气具有选择性抗氧化、抑制炎症反应及调节信号通路的作用，因此氢气可以通过以上机制来抑制肺癌的发生、发展，并且氢气具有结构简单、制造容易、价格低廉、对人体无不良反应等优点，因此氢气在肺癌的治疗中具有广阔前景。

氢气在目前的研究及应用中仍面临一系列问题:(1)氢气发挥抗肺癌作用的详细机制目前仍不明确，相关实验数据相对较少，仍需进一步的实验来解释说明；(2)氢气在临床应用的具体途径主要有吸入氢气、饮用氢水、注射氢水等，在肺癌治疗中氢气应用的途径、治疗所需的浓度、以及疗程等问题同样缺乏相关数据，需要更多的学者通过更多的实验来阐述；(3)氢气的安全性较差，遇明火容易发生爆炸，如何使其更加安全的应用于临床也需要进一步研究；(4)目前的研究认为氢气对人体无毒、无害，伴随其在临床更广泛的应用，其对人体及某些疾病是否存在不利影响需进一步观察。

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