董文彬，鄭高利

(浙江省醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所，浙江 杭州 310013)

氧化應(yīng)激是指機體在遭受各種有害刺激時產(chǎn)生過量活性氧，導(dǎo)致了體內(nèi)氧化還原系統(tǒng)的失衡。研究表明，氧化應(yīng)激可直接或間接損傷DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等，引起多種疾病如缺血再灌注損傷、神經(jīng)退行性疾病、衰老、心血管疾病、高血壓、糖尿病、關(guān)節(jié)炎和腫瘤等的發(fā)生發(fā)展［1］。人們基于此進行了大量研究，開發(fā)了多種抗氧化劑，然而它們的臨床效果并不理想，因此迫切需要尋找一種新的物質(zhì)來治療各類氧化損傷［2］。

氫是自然界中含量最豐富也是最簡單的元素，氫氣是無色、無味、無臭、具有一定還原性且高度易燃的雙原子氣體。過去大部分學(xué)者認為，氫氣是生理惰性氣體，不具有生物學(xué)活性。只有少數(shù)人認為，氫氣在機體內(nèi)可發(fā)揮抗氧化保護作用。1975年Dole等［3］報道，高壓氫氣可通過抗氧化作用抑制動物皮膚腫瘤的形成，但并未引起學(xué)術(shù)界的重視。直到2007年，Ohsawa等［4］報道動物呼吸2%氫氣可有效清除自由基，顯著改善腦缺血再灌注損傷，并發(fā)現(xiàn)氫氣溶解在液體中可選擇性中和羥自由基和過氧亞硝酸陰離子，而二者是氧化損傷的最重要介質(zhì)，因此認為氫氣治療腦缺血再灌注損傷的基礎(chǔ)是選擇性地抗氧化作用。該報道掀起了研究氫氣治療疾病的熱潮，迄今已發(fā)表了近百篇相關(guān)論文，報道了氫氣對多種疾病的治療作用，為氫氣醫(yī)學(xué)的建立打下了堅實基礎(chǔ)。筆者在復(fù)習(xí)這些文獻的基礎(chǔ)上，對氫氣的研究進展做簡要概述，希望能為深入研究氫氣醫(yī)學(xué)提供參考。

1 利用氫氣治療疾病的給藥方式

1.1 吸入給氫

雖然氫氣易燃易爆，爆炸極限是4% ～75%(V/V)，但氫氣在空氣或氧氣中的濃度小于4%時是安全的，Ohsawa等最初就是采用吸入給氫的方法治療局灶性腦缺血再灌注損傷。

1.2 含氫鹽水注射或滴眼

吸入給氫法在氣體混合過程中存在一定風(fēng)險，且操作復(fù)雜，對設(shè)備要求也比較高，限制了該方法的應(yīng)用，故需要尋找一種更適用的給氫方式。2009年孫學(xué)軍等［5-8］在國際上首次報道了腹腔注射含氫鹽水(0.8 mmol·L-1)的給藥方法，并在缺血再灌注損傷、阿爾茨海默病、一氧化碳中毒性、遲發(fā)性腦病、動脈粥樣硬化等多種動物模型上取得了成功。

含氫鹽水滴眼用于治療視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷及角膜堿燒傷，也取得了良好的效果［9-10］。

1.3 飲用含氫水

雖然吸入給氫快速直接，注射含氫鹽水方便適用，但這兩種方法都不適合長期給藥。如果將氫氣溶解在水中(含氫水)，通過飲用給氫，則非常安全方便。目前的研究表明，飲用氫氣水和吸入給氫的治療效果類似［11］，而且由于飲用含氫水的便利性，其不僅可用于治療疾病，也適用于預(yù)防疾病如認知障礙［12］。

含氫水可通過多種方法制備，如高壓下將氫氣溶解在水中，電解水使之產(chǎn)生氫氣，將鎂金屬和水反應(yīng)生成氫氣等。

雖然飲用含氫水的方法安全方便，但仍存在一些缺點，如含氫易于從水中逸出，含氫水通過胃或小腸時會有部分損失，故給氫劑量不易控制。

1.4 促進腸道細菌產(chǎn)氫

人體腸道內(nèi)的部分細菌可通過發(fā)酵未消化的食物產(chǎn)生氫氣［13］，并通過呼吸將產(chǎn)生的大部分氫氣排出［14］。

流行病學(xué)資料顯示，α-糖苷酶抑制劑阿卡波糖具有獨立于降糖作用的心臟保護作用，他汀類藥物降脂外的心臟保護作用也非常顯著。據(jù)報道，阿卡波糖能顯著增加腸道中氫氣的產(chǎn)生;他汀類藥物可以抑制甲烷菌，而甲烷菌可利用氫氣生產(chǎn)甲烷，即抑制細菌代謝氫氣，從而間接增加腸道內(nèi)氫氣含量。因此，推測腸道中氫氣含量的增加是這兩類藥物產(chǎn)生心臟保護作用的原因［15-16］。

2 氫氣對多種疾病的預(yù)防和治療作用

2.1 器官缺血再灌注損傷

腦組織中富含膽固醇和不飽和脂肪酸，且抗氧化酶系統(tǒng)相對不足，故易遭受氧化應(yīng)激損傷。Ohsawa等在局灶性腦缺血再灌注損傷大鼠模型上發(fā)現(xiàn)，動物吸入2%氫氣能夠顯著減少腦梗死體積，改善運動能力及動物體質(zhì)量下降，對缺血再灌注損傷早期及晚期都具有明顯的改善作用。這一研究首次證明了氫氣能顯著減輕氧化應(yīng)激并具有腦損傷保護作用。隨后，孫學(xué)軍等［17］率先發(fā)現(xiàn)，吸入2%氫氣可治療新生大鼠腦缺血缺氧損傷，腹腔注射氫鹽水對新生大鼠腦缺血缺氧損傷后行為學(xué)、腦梗死體積和組織損傷程度均有明顯改善作用，且能明顯改善神經(jīng)功能和學(xué)習(xí)記憶能力［5］。最近又有人在全腦缺血再灌注大鼠模型上證明，腹腔注射含氫水能顯著降低缺血再灌注誘導(dǎo)的丙二醛(malondialdehyde，MDA)、胱天蛋白酶、腫瘤壞死因子 α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細胞介素 6(interleukin-6，IL-6)、核因子-κB(NF-κB)含量，并明顯減輕海馬組織損傷，再灌注6 h后給氫保護作用仍然存在［18］。

越來越多的研究顯示，氫氣對腦外組織的缺血再灌注損傷同樣有效。Ohsawa等［19］團隊在發(fā)表了第一篇氫氣論文后，隨后報道了吸入氫氣對肝缺血再灌注損傷的保護作用，并發(fā)現(xiàn)治療效果具有劑量依賴性。2008年，Ohsawa等［20］又發(fā)現(xiàn)，吸入2%氫氣可顯著減輕心肌缺血再灌注損傷后的氧化應(yīng)激和梗死體積，且不影響血流動力學(xué)參數(shù)，因此認為氫氣可以預(yù)防左心室重構(gòu)。最新研究表明，氫氣對腸、腎、脊髓等器官的缺血再灌注損傷也具有良好的保護作用［21-23］。

2.2 器官移植損傷

缺血再灌注損傷是器官移植早期非免疫性損傷的重要原因［24］，活性氧也參與了慢性移植性腎病后期腎間質(zhì)纖維化和腎小管萎縮的發(fā)生發(fā)展。Nokao等［25］在大鼠異種腎移植模型上證明，飲用含氫水改善了移植后的腎功能，減緩了移植性腎病的進展，減輕了氧化損傷并降低了炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生，最終提高了動物的存活率。這一研究表明，氫氣不僅具有抗氧化作用，還具有抗炎活性。Nokao等［26-27］團隊還證明了氫氣對腸和肺移植同樣具有顯著的保護作用。

2.3 神經(jīng)系統(tǒng)疾病

氧化應(yīng)激是引起許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素。研究表明，氫氣可通過抗氧化、抗炎作用保護神經(jīng)細胞，促進神經(jīng)再生，對多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病起到了良好的預(yù)防和治療作用。

2.3.1 神經(jīng)變性疾病

研究者發(fā)現(xiàn)，ip給予含氫水能顯著降低阿爾茨海默病模型大鼠的氧化應(yīng)激指標、炎癥介質(zhì)、NF-κB及神經(jīng)膠質(zhì)酸性蛋白的表達，同時動物的學(xué)習(xí)、記憶能力和運動功能得到明顯改善［28-29］。

在6-羥基多巴胺誘導(dǎo)的帕金森大鼠模型上發(fā)現(xiàn)，建模前或建模后給大鼠飲用含氫水都可以阻止黑質(zhì)-紋狀體多巴胺能神經(jīng)元的丟失，并發(fā)現(xiàn)其機制是緩解了6-羥基多巴胺引起的氧化損傷［30］。在另一種由 1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶誘導(dǎo)的小鼠帕金森病模型中，飲用含氫水減少了黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元丟失，改善了肢體運動功能［31］。這些研究表明氫氣可能能夠延緩帕金森病的發(fā)生發(fā)展。

長期應(yīng)激可引起腦內(nèi)氧化水平的升高，損害學(xué)習(xí)和記憶功能。研究表明，飲用含氫水能夠抑制應(yīng)激導(dǎo)致的氧化損傷，增強齒狀回神經(jīng)元的再生，從而阻止應(yīng)激對認知功能的損害，改善學(xué)習(xí)和記憶能力［12］。

2.3.2 一氧化碳中毒性遲發(fā)性腦病

目前，一氧化碳中毒性遲發(fā)性腦病尚無有效的治療手段，研究表明，一氧化碳中毒引起的氧化應(yīng)激和繼發(fā)性炎癥與該疾病有密切關(guān)系［32］。孫學(xué)軍等［7］采用一氧化碳中毒性遲發(fā)性腦病大鼠模型證明，ip給予含氫水能夠通過抗氧化、抗炎作用減輕腦組織炎癥反應(yīng)，改善神經(jīng)細胞死亡和認知功能障礙，這一研究為該疾病的治療提供了新的方案。

2.4 動脈粥樣硬化

在載脂蛋白E基因敲除小鼠上發(fā)現(xiàn)，飲用含氫水降低了主動脈的氧化應(yīng)激水平，阻止了動脈粥樣硬化的發(fā)生［33］，表明飲用含氫水可能能夠預(yù)防動脈粥樣硬化形成。隨后秦樹存等［8］進行了相關(guān)的分子機制研究，他們采用細胞和基因敲除小鼠證明，氫氣能夠抑制TNF-α等刺激因子引起的內(nèi)皮細胞植物凝集素樣氧化低密度脂蛋白受體-1(lectin-like oxidized LDL receptor-1，LOX-1)基因表達和蛋白水平上調(diào)，對NF-κB活性同樣具有抑制作用，因此認為氫氣可能通過抑制NF-κB活性，減少炎癥因子誘導(dǎo)的LOX-1表達，發(fā)揮抗動脈粥樣硬化作用。

2.5 代謝綜合征

已知氧化應(yīng)激促進了代謝綜合癥的發(fā)生發(fā)展，而抗氧化是治療該癥的有效手段［34］。研究發(fā)現(xiàn)，db/db小鼠長期飲用氫氣水能夠顯著降低動物肝中MDA水平，體質(zhì)量和脂肪含量，且不影響其攝食量和飲水量，而且還同時降低了小鼠血糖、胰島素和甘油三酯水平［35］。

臨床試驗表明，飲用含氫水能使2型糖尿病患者血液中的低密度脂蛋白及尿液中的8-異構(gòu)前列腺素顯著降低，明顯降低患者的血糖水平［36］;另一個臨床試驗發(fā)現(xiàn)，含氫水能夠增加代謝綜合征患者體內(nèi)的超氧化物歧化酶水平，并降低尿液中硫代巴比妥酸反應(yīng)物的含量，還能夠增加高密度脂蛋白水平［37］。這些研究說明氫氣能夠改善脂質(zhì)代謝紊亂和糖代謝異常，對代謝綜合征具有一定的治療作用。

2.6 減輕化療、放療的毒性作用

廣泛用于臨床的抗腫瘤藥物順鉑具有一定的腎毒性，這一毒性可能是由氧化應(yīng)激引起的［38］。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠吸入氫氣或飲用氫氣水能夠抑制順鉑引起的體質(zhì)量下降，減輕腎毒性，降低死亡率，且不影響順鉑的抗腫瘤作用［39］。

另外來自韓國的臨床試驗顯示，接受放療的肝癌患者飲用6周含氫水能降低血液中的活性氧代謝產(chǎn)物，顯著提高生活質(zhì)量評分，且不影響放療的抗腫瘤效果［40］。

2.7 炎癥及變態(tài)反應(yīng)

據(jù)報道，氫氣在多種動物模型上表現(xiàn)出了抗炎、抗過敏作用，如能夠降低TNF-α和IL-6水平，抑制變態(tài)反應(yīng)相關(guān)的磷酸化信號通路等［25-26，41］。通過降低血清和組織中的促炎因子，氫氣顯著改善了膿毒癥小鼠的存活率和器官損傷，表明氫氣能通過抗炎作用治療炎癥相關(guān)的膿毒癥［42］。Itoh等［41］報道，飲用含氫水能夠調(diào)節(jié)高親和力IgE受體FcεRI介導(dǎo)的磷酸化及下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制NADPH氧化酶活性并減少過氧化氫的生成，從而緩解了速發(fā)型超敏反應(yīng)，說明氫氣可能不僅僅是一種自由基清除劑，還能夠通過調(diào)節(jié)某些信號通路發(fā)揮作用。

3 展望

3.1 氫氣的優(yōu)勢

研究表明，活性氧中的過氧化氫和一氧化氮具有非常重要的信號作用，毒性作用比較弱，而羥自由基和過氧亞硝酸陰離子毒性強，是導(dǎo)致細胞氧化損傷的主要介質(zhì)［43-44］，然而目前的抗氧化劑如維生素E、褪黑素等還原性過強，可能會導(dǎo)致機體氧化還原狀態(tài)的失衡，并影響機體正常的信號傳遞系統(tǒng);它們一般難以穿透細胞膜到達線粒體等靶點部位;相對濃度較低，無法中和毒性強的自由基;難以降解 (如維生素C)，反而進一步加重了細胞的負擔(dān)，從而限制了這些藥物的應(yīng)用［2］。

氫氣與傳統(tǒng)抗氧化劑相比具有多種優(yōu)點:① 還原性相對較低，具有選擇性抗氧化作用，可以選擇性地清除羥自由基及過氧亞硝酸陰離子，而不影響超氧陰離子和過氧化氫等具有信號作用的活性氧;②相對分子質(zhì)量小，且具有較好的脂溶、水溶性，能自由擴散到線粒體等靶點部位;③ 潛水醫(yī)學(xué)的長期研究證明了氫氣對人體沒有毒性作用［45］。因此，作為一個抗氧化劑，氫氣具有較好的臨床應(yīng)用前景。

3.2 待解決的問題

自2007年以來，氫氣研究取得了許多成果，但仍有一些問題沒有解決:①目前的研究沒有發(fā)現(xiàn)氫氣有任何毒性作用，而且理論上氫與自由基的產(chǎn)物比較簡單，如與羥自由基反應(yīng)生成水，多余的氫可通過呼吸或擴散等方式排出體外。但這并不能完全證明氫氣的生物安全性，首先還沒人開展相關(guān)的毒理研究，可能只有通過長期、大劑量的給藥才能發(fā)現(xiàn)氫氣的毒性;其次藥理作用和毒性作用是相對而言的，既然氫氣的生物學(xué)作用如此強大，理論上也會產(chǎn)生相對應(yīng)的毒性作用，只是目前還沒被發(fā)現(xiàn)。②氫氣的作用機制還沒有完全解決。首先氫氣選擇性抗氧化機制的在體證據(jù)不足，迄今人們只用體外化學(xué)方法證明氫氣能選擇性地中和羥自由基和過氧亞硝酸陰離子，并不能確定在體也存在這種選擇性;其次氫氣的強大生物學(xué)效應(yīng)與氫氣的選擇性抗氧化作用不符，如果氫氣僅通過選擇性抗氧化起作用，則氫氣在體內(nèi)的作用時間應(yīng)該是影響其效應(yīng)的重要因素。但事實上氫氣在體內(nèi)維持的時間很短［20］，但生物學(xué)效應(yīng)卻非常強大。因此，關(guān)于氫氣治療疾病的具體機制仍需深入研究。

綜上，氫氣作為一個選擇性抗氧化劑，優(yōu)點鮮明，治療疾病種類廣泛，但這些結(jié)論大多只是在動物模型上得到，臨床效果尚不能完全確定，有待系統(tǒng)的臨床實驗進一步證實。鑒于氧化應(yīng)激損傷的廣泛性，氫氣新的藥理應(yīng)用也有待于被開發(fā)。

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