李 敏 薛雅卓 桑 慧 章麗英

(1.泰山醫(yī)學(xué)院護(hù)理學(xué)院； 2.泰山醫(yī)學(xué)院病理生理教研室，山東 泰安 271016)

氫氣是無色、無味、且密度最小的可燃性雙原子氣體,在自然界中分布很廣,大約占據(jù)宇宙質(zhì)量的75%。常溫常壓下，氫氣的溶解度比較低。過去大多數(shù)生物學(xué)家一直認(rèn)為，氫氣屬于生理性惰性氣體，僅僅被用于潛水領(lǐng)域。然而最近的研究發(fā)現(xiàn)，氫氣是一種重要的生理調(diào)節(jié)因子, 它不但具有抗氧化作用，而且還具有抗炎、抗凋亡及調(diào)節(jié)信號通路等作用，可能成為治療多種疾病的新的生物活性分子。

1 氫對機(jī)體的效應(yīng)

1.1內(nèi)源性氫

人和動物每天大約產(chǎn)生150 ml的氫氣[1]。未被吸收的碳水化合物進(jìn)入大腸后，結(jié)腸中的厭氧菌迅速將其發(fā)酵，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，并釋放二氧化碳、氫和甲烷[2]，因此盲腸中的含氫量最高[3]。據(jù)Maier RJ等[4]報道，小鼠胃和肝臟的氫濃度大約有20～80 μm。產(chǎn)生的這些氫被血液吸收后運送到身體各部分，發(fā)揮內(nèi)源性抗氧化物質(zhì)的作用。腸道細(xì)菌是體內(nèi)氫的唯一來源。由于大多數(shù)哺乳動物缺乏分解產(chǎn)生氫氣的代謝酶，因此，體內(nèi)的氫含量主要受外部因素的影響，如藥物和飲食因素等。Kajiya等[3]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過抗生素(磺胺甲惡唑和甲氧芐啶)處理過的小鼠的排泄物中腸道菌群明顯高于未處理組，抗生素處理組小鼠的體內(nèi)氫含量明顯低于未處理組。Suzuki等[5]通過對健康志愿者的測試，發(fā)現(xiàn)阿卡波糖(A-葡萄糖苷酶抑制劑)能夠顯著地增加氫氣的產(chǎn)量。Liu等[6]的試驗顯示，人類和動物口服甘露醇能顯著增加內(nèi)源性氫水平。飲食也可影響體內(nèi)氫濃度，姜黃可能激活結(jié)腸發(fā)酵碳水化合物，提高氫氣的產(chǎn)量和增強(qiáng)腸蠕動[7]。

雖然人類和許多動物的胃腸道本身可以產(chǎn)生氫氣，這些氫氣同樣可以被機(jī)體吸收，但到目前為止，并沒有證據(jù)證明它有明顯的治療效果。但是通過誘導(dǎo)胃腸道產(chǎn)生更多的氫氣，可以治療一些疾病。Kajiya等[3]通過給動物補(bǔ)充可產(chǎn)生氫氣的細(xì)菌，誘導(dǎo)胃腸道產(chǎn)生更多氫氣，從而抑制Concanavalin A對肝組織的炎癥誘導(dǎo)。這是目前唯一一項關(guān)于胃腸道內(nèi)細(xì)菌產(chǎn)生氫氣效應(yīng)的報道。

該研究作者通過觀察還發(fā)現(xiàn)，通過飲用氫氣水可以獲得比誘導(dǎo)胃腸道產(chǎn)生氫氣更有效的治療效果。內(nèi)源性氫相對于外源性氫的低效力，最有可能是因為腸粘膜或胃粘膜上存在能清除氫的其它細(xì)菌。此外，與補(bǔ)充外源性氫相比，產(chǎn)氫菌的腔內(nèi)管理有細(xì)菌過度生長的風(fēng)險。所以，目前大多數(shù)的研究是圍繞補(bǔ)充外源性氫開展的。

1.2外源性氫

氫分子是電中性的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比氧分子小，相對于其他水溶性抗氧化劑來說，它很容易穿透細(xì)胞和細(xì)胞器的膜，滲透到細(xì)胞和胞器內(nèi)。目前外源性氫分子的利用主要是通過呼吸低濃度氫氣、飲用飽和氫氣水、腹腔或靜脈注射飽和氫氣生理鹽水以及局部應(yīng)用等多種途徑來實現(xiàn)的。

1.2.1抗氧化作用

抗氧化是指能有效抑制自由基的氧化反應(yīng)的物質(zhì)，直接作用在自由基，或是間接消耗掉容易生成自由基的物質(zhì)，防止發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)。機(jī)體抗氧化作用可以通過血液中的酯質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛(Malondialdehyde，MDA)變化、以及肝臟勻漿中或血液中超氧化物歧化酶SOD和谷胱甘肽過氧化物酶GSH-PX的活力變化來測定。

早期曾有少數(shù)人認(rèn)為，氫氣在生物體內(nèi)具有抗氧化作用。1975年，Dole M[8]報道，連續(xù)呼吸8個大氣壓97.5%氫氣(2.5%氧)14天，可有效治療動物皮膚惡性黑色素腫瘤，并認(rèn)為是通過抗氧化作用來實現(xiàn)的，這是目前見到的關(guān)于氫氣抗氧化作用的最早的文章。2007年7月，Ohsawa I等[9]通過體內(nèi)外實驗證明，常溫常壓下呼吸2%氫氣可有效清除自由基，并選擇性中和羥自由基和亞硝酸陰離子，顯著改善腦缺血再灌注引起的細(xì)胞損傷，首次證明了小劑量氫氣的治療作用。Chihiro Shingu等[11]通過靜脈注射給予氫氣生理鹽水，發(fā)現(xiàn)急性腎臟缺血再灌注動物血漿中的MDA水平和腸組織8-羥基脫氧鳥苷(8-hydroxy-deoxyguanosine，8-OHdG)水平明顯降低，并提高了血漿SOD 和GSH 的水平，證明了富氫鹽溶液能夠通過對抗氧化應(yīng)激來減輕腎臟缺血再灌注引起的氧化損傷。隨后，大批研究者就氫氣的抗氧化性展開了廣泛的研究。

此外，還有大量的研究證實了氫氣的抗氧化作用，比如在心肌、肝臟、小腸、視網(wǎng)膜等器官的缺血再灌注模型上，都證實了氫氣能通過清除自由基來減輕缺血再灌注引起的氧化損傷。另外還有研究證明氫氣能作為移植供體的儲存液[11]，減輕移植供體在體外的氧化損傷。

1.2.2抗炎作用

氫氣的抗炎作用主要通過檢測各種炎癥細(xì)胞因子的水平來反應(yīng)。在眾多炎癥細(xì)胞因子中，起主要作用的是TNF-α 、IL-1β、IL-6、TGF-β、IL-8、IL-l0等。

2008年，美國Nakao教授發(fā)表了自己第一篇關(guān)于氫氣的作品[12]，首次檢測了炎癥因子，提出氫氣具有抗炎癥作用。孫學(xué)軍等[13]以心肌局部缺血再灌注損傷為模型，采用腹腔靜脈注射氫氣生理鹽水10 ml/kg的方法，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氫氣可顯著減少心臟局部缺血再灌注所致的心臟梗死面積，降低心臟組織ICAM-1、TNF-α、IL-1 β、髓過氧化物酶(myelo-peroxidase，MPO )水平及中性粒細(xì)胞浸潤。Qu Liu等[14]用膽道結(jié)扎術(shù)(BDL)制造小鼠梗阻性黃疸模型，發(fā)現(xiàn)組織腫瘤壞死因子，白細(xì)胞介素(IL)-1B，IL-6的水平都顯著下降。在葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的炎性腸道疾病模型中[15]，發(fā)現(xiàn)氫氣能顯著抑制結(jié)腸病變部位的IL-12, TNF-α和IL-1b水平，可以阻止葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎的發(fā)展。此外，最新的研究還表明，腹腔注射含飽和氫氣生理鹽水，可降低血清中IL-6，TNF-α水平，對野百合堿所致的大鼠肺動脈高壓具有改善作用[16]。

1.2.3抗凋亡作用

盡管凋亡過程的詳細(xì)機(jī)制尚不完全清楚，但是已經(jīng)確定Caspase即半胱天冬蛋白酶在凋亡過程中是起著必不可少的作用。在正常細(xì)胞Caspase處于非活化的酶原狀態(tài)，疾病狀態(tài)時，凋亡程序被激活，Caspase被活化隨后發(fā)生凋亡蛋白酶的層疊級聯(lián)反應(yīng)，發(fā)生不可逆的凋亡。

Jianmei Cai等[17]讓腦缺血- 缺氧的新生鼠持續(xù)吸入2%氫氣，發(fā)現(xiàn)海馬和皮層TUNEL染色陽性細(xì)胞數(shù)減少，caspase-3 和caspase-12的活性受到抑制，這些結(jié)果表明氫氣能通過抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡，對新生鼠腦缺血-缺氧損傷產(chǎn)生保護(hù)作用。還有人研究發(fā)現(xiàn)，腹腔給予急性脊髓損傷的大白鼠5 ml/kg飽和氫氣的生理鹽水，發(fā)現(xiàn)氫氣可明顯減少脊髓TUNEL陽性細(xì)胞數(shù)和抑制caspase-3，caspase-12 的活性[18]。此外，Shen 等[19]通過大鼠深低溫循環(huán)驟停模型，也證實了含飽和氫氣的生理鹽水能減少NOS的活性和抑制caspase-3 表達(dá)。

1.2.4信號通路調(diào)節(jié)作用

1.2.4.1氫氣與核因子NF-κB信號調(diào)節(jié)通路

參與免疫反應(yīng)早期和炎癥反應(yīng)各階段的許多分子都受NF-κB的調(diào)控。c-Jun氨基末端激酶(C-Jun N-terminalkinase ，JNK )信號通路是MAP激酶途徑的一種，可以被炎性細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子(TNF)和白細(xì)胞介素(IL)-1激活，從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性，滲透，或氧化應(yīng)激反應(yīng)等[20]。有研究表明，在腦室內(nèi)注射Aβ 1-42 所致的大鼠阿爾茨海默病模型中，連續(xù)腹腔內(nèi)注射含富氫鹽水，發(fā)現(xiàn)氫可顯著抑制其腦組織JNK和N-kB的活性。并推測，富氫鹽水減輕大鼠Aβ 1-42 誘發(fā)的神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激是通過降低JNK 和NF-κB活性實現(xiàn)的[21]。

1.2.4.2氫氣與細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶

細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated kinase1/2，ERK 1/2)能被脂多糖(LPS) 激活，并產(chǎn)生炎癥介質(zhì)如TNF-α、IL-6、NO等[22-23]。Qu Liu等[14]結(jié)扎雄性SD大鼠膽道后，通過蛋白印記和免疫組織化學(xué)技術(shù)證實，氫氣可顯著抑制ERK 1/2 的磷酸化，降低其活性，因此推測富氫鹽水降低炎癥反應(yīng)，與干擾了ERK 1/2 信號通路有關(guān)。

1.2.4.3氫氣與FcεRI- 介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)

Itoh等[24]使用大鼠RBL-2H3肥大細(xì)胞，用含氫培養(yǎng)基培養(yǎng)4 h后，發(fā)現(xiàn)氫氣抑制FcεRI相連的Lyn 的磷酸化作用和其下游分子Syk、PLCγ 1、PLCγ 2、Akt、ERK 1/2、JNK 、cPLA2的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，并指出在速發(fā)型超敏反應(yīng)中，氫氣的保護(hù)作用不是通過清除自由基，而是通過調(diào)節(jié)信號通路，推測氫氣和NO一樣是一種氣體信號分子。這是氫分子醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義的研究，將直接影響將來關(guān)于氫的生物學(xué)效應(yīng)的研究方向。

2 研究前景

氫氣具有制備容易、價格低廉、滲透性強(qiáng)等諸多優(yōu)點，具有很強(qiáng)的臨床應(yīng)用前景。到目前為止，國際上關(guān)于氫氣治療疾病的基礎(chǔ)與臨床研究已經(jīng)得到了廣泛的開展，這些研究涉及到器官缺血、動脈硬化、人類糖尿病、器官和系統(tǒng)炎癥、創(chuàng)傷、老年性癡呆等，以氫氣抗氧化為基礎(chǔ)，從而發(fā)揮抗炎、抗細(xì)胞凋亡等作用，但是其機(jī)制尚不明確，從分子機(jī)制上仍值得深入研究。另外，目前仍存在許多疑問，比如其抗氧化、抗炎、抗凋亡及調(diào)節(jié)信號通路功能等之間的交叉關(guān)系是怎樣的，氫氣是否是第4 種氣體信號，氫氣是否是“沒有任何毒性的藥物”等，這些都需要進(jìn)一步的研究探索，為氫氣真正成為一種臨床藥物奠定基礎(chǔ)。

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