王娟 曹潔

氫氣是一種無色無味氣體，以往因其相對的生理惰性，常被用于潛水醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。2007年Ohsawa等[1]首先報道氫氣在兔的大腦缺血再灌注模型中具有抗氧化作用，隨后其生物學(xué)效應(yīng)越來越受到關(guān)注，研究表明，氫氣具有選擇性抗氧化作用、抗炎作用及抗細胞凋亡作用[2]。目前發(fā)現(xiàn)氫氣在體內(nèi)幾乎所有器官中均具有生物學(xué)功能，氫氣可能在多種疾病的治療和預(yù)防中發(fā)揮作用，如腦缺血、神經(jīng)退行性疾病、器官移植損傷、膿毒癥、心血管疾病、高血壓、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等[3-5]。近幾年氫氣在肺部疾病中的作用也逐漸受到關(guān)注。

一、氫氣在肺損傷中的應(yīng)用

氫氣在肺損傷中保護作用的研究是氫氣應(yīng)用于呼吸系統(tǒng)疾病中最早起步的，目前也是呼吸系統(tǒng)疾病中研究最多的。大多數(shù)研究認為氫氣由于其抗氧化、抗炎及抗凋亡作用，能夠?qū)Ψ螕p傷起到保護作用。

1. 肺缺血再灌注損傷： 缺血再灌注損傷是指遭受一定時間缺血的組織恢復(fù)血供后，組織損傷程度加重的病理現(xiàn)象。目前認為活性氧自由基引起的氧化應(yīng)激是缺血再灌注損傷的重要發(fā)病機制。肺缺血再灌注損傷常發(fā)生在肺移植、體外循環(huán)、復(fù)張性肺水腫、休克以及心肺復(fù)蘇等多種臨床情況下。肺移植是終末期肺疾病的一種治療手段，缺血再灌注損傷仍然是影響移植器官短期和長期存活的重要因素之一。

有效改善缺血再灌注損傷可以明顯提高肺移植短期和長期療效。有研究采用同基因Lewis大鼠肺移植模型，在進行肺移植手術(shù)過程中和手術(shù)后1 h，根據(jù)分組給動物吸入不同混合氣體[6]：對照組吸入100%氧，98%氧和2%氮或者2%氦，實驗組吸入98%氧和2%氫。采用呼吸功能、病理學(xué)和分子生物學(xué)檢測技術(shù)判斷吸入氫氣對肺移植后缺血再灌注損傷的治療效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對照組動物氣體交換功能顯著受損。與對照組相比，吸入氫氣組動物在再灌注后2 h氣體交換有顯著改善。移植組織過氧化指標(biāo)血清丙二醛(malondialdehyde, MDA)檢測顯示氫氣有明顯抗氧化效應(yīng)。肺臟冷缺血可導(dǎo)致快速釋放大量促炎癥介質(zhì)如TNF-α、IL-6和肺臟上皮細胞凋亡。吸入氫氣可阻斷這些炎癥介質(zhì)釋放并抑制肺臟上皮細胞凋亡的發(fā)生，抑制凋亡蛋白Bcl-2，而Bcl-XL水平上調(diào)可能是重要原因。由此認為氫氣能防止肺移植后缺血再灌注損傷。該研究團隊給提供器官的大鼠術(shù)前吸入2%氫氣，術(shù)后移植物中同樣發(fā)現(xiàn)了與之前相似的結(jié)果，氫氣改善了移植肺臟的氣體交換能力，減輕了細胞凋亡程度，提示氫氣對肺缺血再灌注損傷具有持續(xù)的保護作用[7]。

另外由于供體肺缺乏，為了克服這一困難，心臟死亡后供體和體外肺灌注被已廣泛研究。有研究觀察氫氣在體外肺灌注中對心臟死亡后供體肺模型的保護作用[8]：10只豬被隨機分為對照組和氫氣吸入組。對照組在進行體外肺灌注時使用空氣，而氫氣組加入2%氫氣，氫氣組氧含量有所增高但與對照組沒有統(tǒng)計學(xué)意義。但氫氣組動物肺血管阻力和氣道峰壓明顯下降，IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α表達明顯下降，肺損傷嚴重程度評分和肺組織濕/干比值明顯下降。體外肺灌注時氫氣的應(yīng)用可以改善心臟死亡后供體的肺功能。Zhou等[9]給予器官供者與受者均吸入2%氫氣后，觀察氫氣對腦死亡大鼠供體肺缺血再灌注損傷的影響，結(jié)果也提示氫氣具有全身系統(tǒng)性抗氧化、抗炎和抗凋亡作用。

失血性休克后液體復(fù)蘇可以激發(fā)炎癥反應(yīng)，引起肺部炎癥反應(yīng)造成急性肺損傷。Du等[10]研究了氫水對失血性休克引起的肺損傷的影響，結(jié)果顯示氫水可減輕急性肺損傷病理損傷程度、減輕肺水腫，降低肺部TNF-α、IL-6等炎癥因子，減輕肺部氧化損傷程度。Kohama等[11]應(yīng)用失血性休克/再灌注誘發(fā)肺損傷大鼠模型，觀察1.3%的氫氣吸入是否可以改善肺損傷。結(jié)果顯示氫氣吸入可以改善氣體交換，減輕肺部細胞浸潤及出血。但是不能影響血流動力學(xué)狀態(tài)。氫氣吸入可以抑制一些炎癥因子的mRNA表達上調(diào)，減少脂質(zhì)過氧化。

2. 機械通氣相關(guān)肺損傷： 機械通氣相關(guān)肺損傷(ventilator-inducedlung injury, VILI)是由于肺泡過度擴張或肺內(nèi)壓過高導(dǎo)致的肺組織及間質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞和肺泡膜損傷，表現(xiàn)為肺水腫、肺順應(yīng)性降低和氧合功能障礙。機械通氣可以引起氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，伴隨而來的就是VILI，能夠誘導(dǎo)活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)產(chǎn)生并促進大量炎癥因子的表達、聚集，導(dǎo)致重度炎癥反應(yīng)細胞損傷，增加患者死亡率。Huang等[12]將小鼠進行氣管造口術(shù)并行機械通氣誘發(fā)小鼠肺損傷，給予2%氮氣或2%氫氣吸入。吸入氫氣組在機械通氣1 h后NFκB DNA 結(jié)合增加。這種NFκB的早期激活伴隨著抗凋亡蛋白Bcl-2的升高和Bax水平的下降。應(yīng)用SN50化學(xué)抑制NFκB的這種早期激活可以逆轉(zhuǎn)這一保護作用。因此認為NFκB的激活以及伴隨的Bcl-2表達增加參與了氫氣在機械通氣肺損傷時的細胞保護作用。同時吸入氫氣可增加氧含量，減輕肺水腫，減少炎性介質(zhì)的釋放，抑制炎癥因子mRNA的上調(diào)并誘導(dǎo)抗凋亡基因[13]。

3. 膿毒癥相關(guān)肺損傷： 膿毒癥是臨床常見的危重癥，急性肺損傷是其嚴重的并發(fā)癥，死亡率較高。氧化應(yīng)激在其中發(fā)揮重要的作用。Xie等[14]以盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)(cecal ligation and perforation, CLP)制作膿毒癥小鼠急性肺損傷模型，于術(shù)后1 h和6 h給小鼠吸入2%氫氣，結(jié)果顯示氫氣可降低中度與重度膿毒癥小鼠的死亡率，減少肺泡灌洗液中蛋白水平及肺組織病理損傷，降低肺部氧化損傷標(biāo)志物水平，增加超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)含量，同時降低髓過氧化物酶(myeloperoxida, MPO)、高遷移率族蛋白B-1 (high mobility group protein b-1, HMGBl)的水平。該研究團隊利用脂多糖誘導(dǎo)膿毒癥肺損傷模型[15]，同樣在1 h和6 h給予2%氫氣吸入，并且發(fā)現(xiàn)氫氣可以通過抑制NFκB活性，降低肺部巨噬細胞炎癥蛋白1α(macrophage inflammatory protein1α, MIP1α)、MIP-2及單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)等趨化因子濃度。氫氣對脂多糖誘導(dǎo)的肺損傷同樣具有保護作用。Liu等[16]利用脂多糖建立膿毒癥模型，發(fā)現(xiàn)與單純早期液體復(fù)蘇組相比，吸入2%氫氣能進一步改善氧合指數(shù)，顯著降低MDA、MPO、IL-6、IL-8和TNF-α水平，顯著提高SOD水平，同時明顯下調(diào)Fas和上調(diào)Bcl-2的表達，并顯著減少肺細胞凋亡數(shù)量。另外有一些研究也認為氫氣對膿毒癥肺損傷具有保護作用[17-18]。

4. 高氧性肺損傷: 高氧性肺損傷是由肺內(nèi)長時間高濃度氧環(huán)境引起的以肺組織內(nèi)皮細胞、上皮細胞損傷和肺水腫為特點的臨床綜合征。ROS的過度產(chǎn)生起著重要作用。Zheng等[19]在2.5個大氣壓條件下使SD大鼠暴露于98%氧濃度的環(huán)境5 h，于高氧環(huán)境暴露前30 min預(yù)防給予腹腔注射富氫生理鹽水，結(jié)果顯示氫水能夠減輕肺部病理損傷程度，減少肺水腫及蛋白滲出。Sun等[20]研究證明，腹腔注射富氫生理鹽水可減少高氧性肺損傷大鼠肺組織內(nèi)SOD、MPO表達，減少MDA及8-羥脫氧鳥苷(8- hydroxydeoxy glucoside, 8-OHdG)含量，同時降低肺組織TNF-α和IL-1β等炎癥因子水平。Kawamura等[21]以家兔制作高氧性肺損傷模型，證明吸入2%氫氣同樣可減輕肺水腫，降低肺部氧化損傷程度、炎癥水平，抑制細胞凋亡，并且認為氫氣是通過部分調(diào)節(jié)Nrf2-ARE通路，激活Nrf2的轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)HO-1生成，發(fā)生抗氧化起作用。

5. 其他肺損傷: 氫氣也被研究應(yīng)用于其他類型肺損傷，比如放射性肺損傷、海水淹溺肺損傷、吸入性肺損傷、百草枯引起肺損傷等。Terasaki等[22]在放射過程中給小鼠吸入氫氣及飲用氫水，發(fā)現(xiàn)可減少輻射后肺上皮細胞中·OH及ON00-水平，降低肺部MDA及8-OHdG含量，抑制肺部細胞凋亡，同時降低肺纖維化程度。Diao等[23]將兔子隨機分為對照組、2%氫氣吸入組、海水灌注組、海水+2%氫氣吸入組。發(fā)現(xiàn)氫氣吸入可以明顯改善肺上皮通透性降低肺組織MDA濃度和MPO活性；降低肺泡灌洗液TNF-α、 IL-1β和IL-6水平。也可以改善組織病理變化和細胞凋亡。此外，Nrf2和HO-1表達明顯激活，caspase-3表達被抑制。這些結(jié)果提示氫氣吸入可以改善海水淹溺所致肺損傷，這一保護作用可能與Nrf2途徑激活有關(guān)。Chen 等[24]將36只SD大鼠隨機分為3組，對照組、吸入損傷生理鹽水治療組、吸入損傷富氫生理鹽水治療組。結(jié)果發(fā)現(xiàn)富氫生理鹽水治療組TNF-α、MDA、NF-κB p65和細胞凋亡指數(shù)明顯下降，而SOD活性增加，肺泡結(jié)構(gòu)也有明顯改善。Liu 等[25]發(fā)現(xiàn)富氫生理鹽水可以緩解百草枯引起的急性肺損傷。

綜上，氫氣通過其抗氧化和抗炎作用，對大多數(shù)肺損傷都具有保護作用。

二、氫氣在慢性阻塞性肺病中的應(yīng)用

慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是嚴重威脅人類健康的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，氧化應(yīng)激在COPD發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用[26]，而氫氣具有選擇性抗氧化特性，理論上氫氣對COPD應(yīng)該具有保護作用。國內(nèi)氫醫(yī)學(xué)研究專家孫學(xué)軍教授曾發(fā)表假說推測氫氣可能對COPD具有治療作用[27]。耿文葉等[28]采用被動吸煙法建立了大鼠COPD模型，建模成功后對模型動物進行氫氣吸入治療，從而評價氫氣對COPD是否有治療作用。結(jié)果觀察到持續(xù)8周的煙熏造模，使大鼠體重Lee′s指數(shù)顯著降低，而氫氣治療2周后，Lee′s指數(shù)較模型組有明顯改善；持續(xù)煙熏使大鼠肺氣道阻力明顯增加，潮氣量和肺順應(yīng)性明顯降低，而氫氣吸入治療2周后，與模型組相比大鼠肺氣道阻力、潮氣量和肺順應(yīng)性均有明顯改善；并且通過肺組織病理觀察發(fā)現(xiàn)持續(xù)熏煙后大鼠肺內(nèi)氣管、血管和肺泡周圍出現(xiàn)白細胞浸潤，肺泡壁增厚，而吸入氫氣治療2周后，肺泡壁厚度和中性粒細胞數(shù)量相對于模型組明顯減少。另外氫氣對煙熏引起的血清及肺組織內(nèi)MDA、TNF-α、IL-1β水平升高具有明顯的抑制作用，其中MDA、TNF-α基本恢復(fù)到正常水平。初步證明氫氣可能是COPD臨床治療的潛在有效途徑。

吸煙是COPD最主要的危險因素，吸煙引起的黏液過度增加是COPD的重要病理生理表現(xiàn)，而氧化應(yīng)激在吸煙造成的黏液異常分泌中起重要的作用。大鼠經(jīng)腹腔注射富氫生理鹽水預(yù)處理，可以緩解香煙暴露引起的支氣管黏液積聚，氣管上皮內(nèi)杯狀細胞增生、muc5ac過表達及異常氣道內(nèi)皮細胞凋亡及支氣管肺泡灌洗液中MDA水平升高，還可以抑制香煙暴露引起的肺內(nèi)EGFR1068位Tyr磷酸化及Nrf2表達升高[29]。

三、氫氣在支氣管哮喘中的應(yīng)用

支氣管哮喘(簡稱哮喘)是呼吸系統(tǒng)疾病中的常見病、多發(fā)病。氧化應(yīng)激在哮喘發(fā)生發(fā)展中的作用日益受到關(guān)注，有研究認為氧化應(yīng)激介導(dǎo)氣道炎癥的發(fā)生、發(fā)展，并可能是組織損傷的最終共同通路，干預(yù)氧化應(yīng)激對哮喘進行抗氧化治療是近年來的研究熱點[30]。氫氣因其特殊的選擇性抗氧化特性和抗炎特性，對哮喘是否有治療作用也引起學(xué)者們的關(guān)注。2013年有學(xué)者首次研究了氫對哮喘小鼠的作用[31]。通過對卵蛋白誘發(fā)的小鼠哮喘模型腹腔注射不同劑量的富氫生理鹽水，觀察富氫生理鹽水對氣道炎癥和氣道重塑的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)富氫生理鹽水可以減少哮喘小鼠肺泡灌洗液的細胞計數(shù)及細胞因子IL-4, IL-5, IL-13 and TNF-α，還可以降低黏液指數(shù)、膠原沉積以及黏蛋白MUC5AC、膠原III和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)的表達，另外還可以減少NF-κB p65的磷酸化水平，并且這些作用是隨著富氫生理鹽水的劑量增加而增強的。由此認為富氫生理鹽水可以通過抑制NF-κB減輕卵蛋白暴露小鼠的氣道炎癥和氣道重塑。張寧等[32]建立了大鼠卵蛋白哮喘模型，之后對哮喘模型動物進行氫氣吸入治療1周。卵蛋白可誘發(fā)明顯的肺組織病理學(xué)改變，表現(xiàn)為細、小支氣管的管壁和伴行動脈周圍有較多嗜酸細胞、單核細胞、漿細胞和淋巴細胞浸潤，氣道、血管平滑肌及肺泡壁增厚，而氫氣治療后發(fā)現(xiàn)肺泡壁增厚減輕，并且未見嗜酸細胞浸潤。另外氫氣吸入治療有效抑制了卵蛋白激發(fā)引起的氣道阻力升高，并阻斷了卵蛋白引起的肺內(nèi)MDA水平升高，提示吸入氫氣對哮喘具有治療作用。

四、氫氣在肺動脈高壓中的應(yīng)用

肺動脈高壓在臨床上表現(xiàn)為肺動脈壓力逐漸增加以及右心室肥大，對于肺動脈高壓的治療目前仍沒有特別有效的方法。近年來，在肺動脈高壓的發(fā)病機制中氧化應(yīng)激以及炎癥反應(yīng)引起了更多的關(guān)注，而氫氣作為一種選擇性抗氧化劑給這一疾病的治療提供了一個新的選擇[33]。利用野百合堿建立肺動脈高壓大鼠模型，再分別給予口服氫水和腹腔注射氫水，研究氫作為抗氧化劑對肺動脈高壓的保護作用[34]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)口服氫水和腹腔注射氫水均能使野百合堿所致的平均肺動脈壓增高以及右心室肥大得到改善，肺組織的炎癥反應(yīng)、心房利鈉肽(atrial natriuretic peptide, ANP)、3-硝基酪氨酸(3-nitrityrosine)以及細胞間粘附分子-1(intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1)也能夠明顯降低。口服氫水和注射氫水對預(yù)防肺動脈高壓和右心室肥厚有類似的效果。同時考慮到口服氫水的方便經(jīng)濟，所以具有更廣闊的應(yīng)用前景。Wang等[35]利用野百合堿皮下給藥建立大鼠肺動脈高壓模型，之后每天經(jīng)腹腔注射富氫生理鹽水5 ml/kg，持續(xù)2～3周，發(fā)現(xiàn)給予富氫生理鹽水治療后平均肺動脈壓以及右心室收縮壓下降，給予富氫生理鹽水治療后可以明顯緩解肺動脈壁增厚、中層平滑肌細胞增生、肺動脈管腔狹窄阻塞、肺組織大量炎細胞浸潤以及右心室肥大的程度，并且給予富氫生理鹽水治療后血漿中炎性細胞因子(TNF-α、IL-6)、肺組織和血漿中的MDA及8-OHdG水平均明顯下降，由此認為富氫生理鹽水對肺動脈高壓有一定的治療作用。野百合堿可以誘發(fā)肺動脈高壓，使血管外膜巨噬細胞、8-OHdG陽性細胞明顯增加，基質(zhì)細胞衍生因子1(stromal cell derived factor-1, SCDF-1)和MCP-1表達明顯增加，平滑肌細胞中磷酸化信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活子3(signal transducers and activators of transcription3, STAT3)、活化T細胞核因子(nuclear factor of activated T cells, NFAT)過表達，而口服氫水可以使這些變化得到改善，提示氫分子可以通過抑制巨噬細胞聚集，減輕氧化應(yīng)激以及調(diào)節(jié)STAT3/NFAT軸來改善野百合堿誘導(dǎo)的肺動脈高壓[36]。

五、氫氣在睡眠呼吸暫停綜合征中的應(yīng)用

睡眠呼吸暫停綜合征是一種在睡眠期間反復(fù)發(fā)生呼吸暫停和/或低通氣的一種常見睡眠呼吸障礙性疾病。反復(fù)出現(xiàn)的呼吸暫停會伴隨不同程度的間歇低氧，炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激是其主要特征。睡眠呼吸暫停綜合征是一種全身多系統(tǒng)損害的疾病，尤其對心血管系統(tǒng)的損害已得到國內(nèi)外呼吸和心血管領(lǐng)域的普遍認可和關(guān)注。有研究將62只小鼠分為5組，分別暴露于正常氧、5%間歇低氧、間歇低氧低氧期間給予1.3%氫氣、間歇低氧復(fù)氧期間給予1.3%氫氣和間歇低氧全程給予1.3%氫氣，持續(xù)7 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)間歇低氧可以明顯增加血漿低密度脂蛋白和極低密度脂蛋白濃度，增加左心室心肌中4-羥基壬烯醛修飾蛋白含量[37]。間歇低氧還可以使TNF-α、IL-6、BNP的mRNA表達上調(diào)，過氧化物產(chǎn)量增加，引起心肌肥大、核變性、線粒體退化和間質(zhì)纖維化。氫氣吸入可以明顯抑制這些變化，特別是在復(fù)氧期間和全程給予氫氣吸入組的小鼠中，可以有效防止血脂異常并抑制過氧化物產(chǎn)生。這些結(jié)果提示氫氣吸入可以減輕間歇低氧所致的氧化應(yīng)激和左心室重構(gòu)。

另外有研究將22只正常倉鼠和33只心肌病倉鼠分別暴露于正常氧和5%間歇低氧，持續(xù)2周，其中部分心肌病倉鼠在低氧期間給予3.05%氫氣吸入，以研究間歇低氧對心臟衰竭的影響及氫氣的抗氧化效果[38]。間歇低氧增加正常倉鼠二尖瓣前向血流E波/二尖瓣環(huán)組織多普勒e′波(E/e′)比率，但不影響左心室射血分數(shù)。而心肌病倉鼠暴露于間歇低氧不但E/e′比率增加，同時左心室射血分數(shù)明顯降低，氫氣吸入可以明顯改善這些變化。心肌病倉鼠暴露于間歇低氧后，心肌細胞橫斷面積和間質(zhì)纖維化增加，左心室心肌過氧化物產(chǎn)生增加，BNP和β-MHC mRNA以及c-fos和c-junmRNA表達增加。氫氣吸入可以明顯抑制這些變化，從而保護心肌病倉鼠的心臟功能。

六、氫氣在肺癌化療中的應(yīng)用

肺癌在全球腫瘤相關(guān)死亡原因中占據(jù)首位。目前臨床上對肺癌的主要治療方法有手術(shù)、化療、放療、免疫治療等。以鉑類為主的聯(lián)合化療在肺癌治療中占據(jù)極為重要的地位，順鉑是化療的常用藥物，副作用包括腎毒性、神經(jīng)毒性等。如何減輕化療的副作用是大家非常關(guān)心的問題。研究表明腫瘤化療副作用的發(fā)生與體內(nèi)大量自由基的生成密切相關(guān)[39]。有研究觀察吸入氫氣或口服氫水對順鉑副反應(yīng)的改善情況，發(fā)現(xiàn)氫氣可以改善順鉑引起的小鼠死亡和體重下降，減輕順鉑的腎毒性而不影響其抗癌效果，可以改善化療后的生活質(zhì)量。因此認為氫氣可能對肺癌化療發(fā)揮防護作用[40]。

總之，氫氣應(yīng)用于呼吸系統(tǒng)疾病僅僅是剛剛起步，而且絕大多數(shù)研究都是動物模型基礎(chǔ)研究，盡管目前研究大部分認為氫氣對呼吸系統(tǒng)的各種疾病可能有保護作用，有很大的臨床應(yīng)用前景，但是其作用機制仍不十分明確，最終將氫氣應(yīng)用于臨床仍需要大量的基礎(chǔ)與臨床研究。

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