氢气在呼吸系统疾病模型中的应用

本论文概述来自中国呼吸与危重监护杂志
作者：林莹妮 , 周剑平, 李庆云

简介：氢气是密度最小且无色无味的气体，具有可燃性和一定还原性，曾被认为是一种生理性惰性气体。2007 年 Ohsawa 等提出氢气可选择性清除氧自由基，并在大鼠脑缺血再灌注模型中证实氢气的保护作用，开启了氢气医学研究和应用的新纪元。迄今研究已证实氢气对多个脏器缺血再灌注损伤、神经退行性疾病、骨关节疾病及呼吸系统疾病等具有潜在保护作用。本文就氢气在呼吸系统疾病模型中的应用及相关机制研究进展作一综述。

氢气对烟熏大鼠慢阻肺模型的保护作用

在熏烟前 30 min 予以腹腔注射含氢生理盐水可抑制气道黏液积聚、炎症细胞浸润及杯状细胞增生，抑制细胞凋亡，降低支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中脂质过氧化的标志物丙二醛（malondialdehyde，MDA）水平。进一步研究发现，氢气可能通过抑制表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）酪氨酸 1068 磷酸化、降低 Nrf2 表达量，进而减轻氧化应激损伤。另一研究发现在熏烟同时吸入氢气可改善烟熏大鼠体重下降程度、肺功能及肺组织病理改变，降低平均肺动脉压，抑制右心室肥厚，并减少 BALF 中炎症因子及凋亡相关因子水平，提示氢气可通过抑制炎症反应及细胞凋亡来延缓大鼠慢阻肺模型肺损伤的发生。应用维生素 C 合成障碍的 SMP30 基因敲除小鼠烟熏 8 周以建立肺气肿模型，给予富氢水可改善肺泡破坏程度及静态肺顺应性，并降低 DNA 损伤标志物（ɤH2AX、8-OHdG）、衰老标志物（β-半乳糖苷酶）及细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子 p16、p21 水平，提示氢气可通过抑制吸烟所致 DNA 氧化损伤及过早衰老来减轻肺气肿。

吸入氢气可降低气道阻力

在大鼠卵清蛋白哮喘模型中，吸入氢气可降低气道阻力，减少细、小支气管的管壁嗜酸性粒细胞、单核细胞、浆细胞和淋巴细胞的浸润，并改善气道、血管平滑肌及肺泡壁增厚等肺组织病理改变。研究也显示，给卵清蛋白诱导的哮喘小鼠模型腹腔注射含氢生理盐水可减少 BALF 总细胞数及炎症因子水平，减少黏蛋白 muc5ac、胶原蛋白Ⅲ及血管内皮生长因子表达，抑制气道重塑，提示氢气具有抗哮喘的作用，可能通过抑制核因子-κB（nuclear factor κB，NF-κB）信号通路实现。

氢气起抗氧化、抗炎及抗凋亡作用

氢气可改善 LPS 诱发的肺病理损伤，包括肺泡壁增厚、肺间质及肺泡腔炎症细胞浸润、肺实变及肺泡出血，降低肺湿/干重比，改善氧合，减少 BALF 中炎症细胞、炎症因子及趋化因子水平，降低肺组织硝基酪氨酸、MDA 水平，并抑制肺泡上皮细胞凋亡。相关机制研究显示氢气可抑制Ⅱ型肺泡上皮细胞自噬，并通过抑制 p38MAPK 通路、ROS-JNK-Caspase3 通路及 NF-κB 通路起抗氧化、抗炎及抗凋亡作用。另外，氢气可增加水通道蛋白 1 及水通道蛋白 5 的表达而对肺上皮细胞屏障起保护作用，并通过激活肺泡上皮细胞中磷脂酰肌醇 3-激酶（PI3K）/丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶（Akt）信号通路而上调紧密连接蛋白-5 表达，减少细胞旁路通透性而改善肺水肿。研究者还发现在盲肠结扎穿孔致急性肺损伤小鼠模型中，氢气可通过抑制 Ras 同源基因（Rho）/Rho 激酶（ROCK）信号通路活性调控内皮细胞骨架重塑而改善内皮通透性。蛋白组学研究显示，氢气治疗组与对照组间的差异表达蛋白涉及 PI3K/Akt 信号通路、趋化因子信号通路、缺氧诱导因子 1 信号通路、补体与凝血级联反应及过氧化物酶体增殖物激活受体信号通路等。此外，研究者还发现氢气对百枯草、油酸、海水淹溺、呼吸机治疗、萘/吉非替尼、烟雾吸入及烧伤等诱发的 ALI 和放射性肺损伤的动物模型均有类似保护作用。
长时间吸入高浓度氧气致氧中毒的发病机制与过多氧自由基所致氧化损伤相关。吸入 2% 氢气可改善高氧性肺损伤大鼠的氧合，减少炎症反应，诱导血红素氧合酶（HO-1）表达，延长平均生存时间，但在 Nrf2 基因敲除小鼠中未见氢气的类似作用，提示氢气对高氧性肺损伤的保护作用与 Nrf2 内源性抗氧化系统的激活相关。另一项研究显示氢气可通过上调沉默信息调节因子 1（Sirt1）、抑制内质网应激而抑制非折叠蛋白反应（UPR）来对高氧性肺损伤起保护作用。

氢气可减少吸入细微颗粒诱发的肺损伤

富氢水可通过增加巨噬细胞吞噬能力而加速大鼠肺及血液中吸入碳纳米颗粒及碳微颗粒的清除，减少肺组织的碳末沉积，并降低肺组织硫代巴比妥酸反应物（TBARS）水平。

氢气的作用机制

氢气选择性地清除强毒性的羟自由基（^.OH）和亚硝酸阴离子（^–ONOO）^[¹^]，以减轻蛋白质、DNA 等的氧化损伤，且不影响过氧化氢（H₂O₂）及一氧化氮（NO）等具有信号通路作用的自由基。但有学者指出，该经典假说并不能完全解释氢气的生物学效应，这是因为机体通过饮用氢气水或吸入氢气所获取的氢气量不足以中和正常或疾病状态下持续释放的氧自由基，且氢气作用的剂量-效应关系并不明确。因此，氢气可能通过其他非氧自由基清除机制来发挥作用。
氢气可调控多个信号通路，包括 NF-κB、Nrf2^]、p38MAPK、JNK、Wnt/β-catenin、PI3K/Akt、硫氧还蛋白互作蛋白（Txnip）/NLR3 炎性小体及 Rho/ROCK 等信号通路。通过影响上述信号通路，氢气调控多种基因和蛋白的表达水平，在多个动物模型中氢气可下调肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6、白细胞介素-1、髓过氧化物酶等多种炎症因子，上调 Bcl-2、Bcl-xl 等抗凋亡因子，并调节 HO-1、超氧化物歧化酶（SOD）等的表达，以及抑制 NF-κB 调控的基因表达，如 Bcl6、G6pc、Egr1 及 Dusp1 等。新近研究显示低浓度氢气（>1.3%）可通过抑制磷脂的自动氧化反应而减少细胞内钙离子浓度，从而抑制钙信号通路，并调控下游多个目标基因的表达。