【综述】氢气治疗脑外伤研究进展
颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI）在日常外伤中十分常见，目前临床上缺少具有确切干预效果的药物，因此开发针对TBI的新型治疗方法意义重大。氢气已被证实有抗氧化、抗炎症、抗凋亡等作用，并在多种疾病中显示出很好的保护作用。近十年来已有很多研究初步证实了氢气对TBI具有保护作用，并对氢气的作用机制进行了深入研究。重点介绍了不同氢气干预方式对TBI的保护效应和氢气的作用机制，同时也提出了目前研究中的不足之处和未来需要重点研究的方向，以期为对氢气临床和基础应用感兴趣的研究人员提供参考和帮助。
颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是指由外力作用于头部造成的脑组织器质性损伤，可能导致暂时或永久性认知、生理或心理功能受损［1］。据统计，全世界每年有超过5 000万新发TBI患者，TBI已成为所有国家青壮年死亡的主要原因［2］。目前，临床上所使用的药物在一定程度上可以促进神经功能的恢复，但是依然缺少明确临床疗效的药物，因此针对TBI开发新的药物或治疗方法具有重要意义。2007年，日本学者在《自然医学》杂志上报道了吸氢可以治疗缺血性脑卒中，治疗的基础是氢气可以选择性清除毒性氧自由基，即羟自由基和过氧亚硝基阴离子［3］。大量细胞、动物以及临床研究先后证明氢气对多种疾病均具有潜在的治疗作用。目前关于氢气的临床研究报道有60多项，其中包括神经退行性疾病、代谢性疾病、心脑血管疾病、血液透析、炎症及肿瘤等［4］。那么氢气在TBI治疗中是否也能发挥保护作用呢？经过十多年的研究，目前已经积累了很多动物和细胞实验证据已初步证实氢气对TBI有很好的保护作用。本文综述了氢气在TBI中的作用研究进展，以期为致力于氢气临床和基础研究的科研工作者们提供参考和帮助。
张景怡, 姜雪, 马思禺, 冯智超, 仪杨, 马晨, 宋怡菲, 谢飞. 氢气对颅脑损伤的保护作用研究进展. 生物技术进展[J], 2023, 13(2): 234-239
颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI）在日常外伤中十分常见，目前临床上缺少具有确切干预效果的药物，因此开发针对TBI的新型治疗方法意义重大。氢气已被证实有抗氧化、抗炎症、抗凋亡等作用，并在多种疾病中显示出很好的保护作用。近十年来已有很多研究初步证实了氢气对TBI具有保护作用，并对氢气的作用机制进行了深入研究。重点介绍了不同氢气干预方式对TBI的保护效应和氢气的作用机制，同时也提出了目前研究中的不足之处和未来需要重点研究的方向，以期为对氢气临床和基础应用感兴趣的研究人员提供参考和帮助。
颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是指由外力作用于头部造成的脑组织器质性损伤，可能导致暂时或永久性认知、生理或心理功能受损［1］。据统计，全世界每年有超过5 000万新发TBI患者，TBI已成为所有国家青壮年死亡的主要原因［2］。目前，临床上所使用的药物在一定程度上可以促进神经功能的恢复，但是依然缺少明确临床疗效的药物，因此针对TBI开发新的药物或治疗方法具有重要意义。2007年，日本学者在《自然医学》杂志上报道了吸氢可以治疗缺血性脑卒中，治疗的基础是氢气可以选择性清除毒性氧自由基，即羟自由基和过氧亚硝基阴离子［3］。大量细胞、动物以及临床研究先后证明氢气对多种疾病均具有潜在的治疗作用。目前关于氢气的临床研究报道有60多项，其中包括神经退行性疾病、代谢性疾病、心脑血管疾病、血液透析、炎症及肿瘤等［4］。那么氢气在TBI治疗中是否也能发挥保护作用呢？经过十多年的研究，目前已经积累了很多动物和细胞实验证据已初步证实氢气对TBI有很好的保护作用。本文综述了氢气在TBI中的作用研究进展，以期为致力于氢气临床和基础研究的科研工作者们提供参考和帮助。
1 颅脑损伤及治疗现状
1.1 颅脑损伤的分类及临床症状临床上根据损伤的严重程度可将TBI分为轻度（昏迷指数GCS评分13~15分）、中度（GCS评分9~12分）和重度（GCS评分<9分）。而根据损伤发生的时间可分为原发性损伤和继发性损伤［5］。原发性损伤是指外力作用造成的对脑实质的直接损伤，可以是局灶性或弥漫性脑损伤，多为脑血管、神经组织损伤，患者头颅可能出现神经纤维断裂、神经细胞死亡等问题。继发性损伤是由原发性损伤引起的损伤部位、周围组织甚至是远离损伤部位的脑组织进一步恶化，损伤范围更广、持续时间也更久，临床表现为脑肿胀、脑缺血、颅内压升高等［6］。除上述症状外，重度TBI患者还常伴有包括呼吸系统、心血管系统、凝血系统以及肾脏等在内的多个颅外器官功能障碍［7］。
1.2 颅脑损伤的发病机制
TBI原发损伤阶段的病理表现为血脑屏障破坏、神经元和神经胶质损伤。继发性损伤在原发性损伤数小时、数天或数月后出现，其病理生理过程非常复杂，可能涉及包括谷氨酸兴奋毒性、线粒体功能障碍、自由基生成和脂质过氧化、神经炎症、轴突变性、胶质瘢痕和髓鞘相关的轴突生长抑制、神经元和少突胶质细胞凋亡、自噬和溶酶体损伤、细胞钙稳态紊乱、神经元去极化等多个标志性事件［8-9］。原发性TBI无法逆转，但继发性TBI大多是可逆的，可以通过适当的手术干预和治疗措施来预防，针对继发性损伤开发有效的治疗药物是不断提高TBI患者预后疗效的有效手段。进一步深入探究TBI损伤的病理生理和分子机制是目前亟待解决的关键问题，同时也是寻找新的TBI治疗药物靶点的有效途径。
1.3 颅脑损伤的治疗现状
由于TBI的原发性损伤往往是急性物理损伤导致的坏死性细胞死亡，该过程难以逆转，因此TBI治疗的重点在于稳定损伤部位并防止继发性损伤，主要通过阻断或改善原发性损伤造成的颅内压升高、缺氧和脑血流下降等病理改变来实现。临床上治疗TBI的方法主要有手术治疗、药物治疗、高压氧和亚低温治疗等。在药物治疗方面，针对TBI的不同病理机制，目前已经开发出抗兴奋毒性药物、炎症级联抑制剂、细胞因子、生长因子、神经恢复剂、抗氧化剂和凋亡抑制蛋白等抑制急性脑损伤导致的细胞死亡或减轻随后的继发性损伤［10］。尽管这些药物在实验研究中取得了令人鼓舞的结果，但大多数药物在随后的临床试验中宣告失败。由于TBI病理学的复杂性，迄今为止还没有切实有效的治疗方法。因此，开发新的有效的TBI治疗药物迫在眉睫。
2 氢气在颅脑损伤中的保护作用研究进展
由于氢分子是自然界最小的分子，穿透性极强，可轻易穿过血脑屏障，无明显的毒副作用，同时大量研究表明氢气具有抗氧化、抗炎症、抗凋亡等功能。考虑到氢气的这些特性，目前已有多个研究团队先后开展了氢气对TBI保护作用的研究。2.1 氢气对颅脑损伤的保护效应
截至目前，已先后公开发表了15篇关于氢气对TBI保护作用的研究论文（表1），这些研究已初步证实了氢气对TBI具有潜在的保护作用。2010年，Ji等［11］采用大鼠控制性皮层撞击（controlled cortical impact，CCI）模型，发现建模5 min后持续呼吸2%氢气约5 h可以显著抑制TBI引起的血脑屏障通透性增加、脑水肿和神经功能缺损。随后吸氢对TBI的保护作用在多个研究中得以证实［12-17］，但这些研究中吸氢的浓度和时长略有不同。本课题组研究了吸氢浓度、时长以及介入时间点对TBI保护作用的影响，发现呼吸浓度为4%和67%的氢气对TBI后神经功能的保护作用无显著性差异，TBI后吸氢1 d和连续吸氢7 d对神经功能的保护作用也无显著性影响，但在对吸氢介入时间点研究时发现，TBI后立即吸氢对神经功能的保护作用最好［14］。由于实验条件有限，研究中并没有比较更多吸氢浓度的保护作用，也没有观察更长吸氢时长对保护作用的影响，仅就本研究而言，吸氢浓度和时长可能对TBI的保护作用并没有显著影响。在关于吸氢浓度对保护作用的影响研究中，Li等［15］发现吸入42%氢气可以减轻糖尿病大鼠由TBI引起的脑水肿和血脑屏障渗漏，改善神经功能，提高生存率，而吸入3%氢气则无此效应，推测这可能与糖尿病大鼠本身存在神经病变有关，同时也提示吸入42%氢气可能对正常大鼠TBI后神经功能的保护作用要比3%氢气效果更好。
除了发现吸氢对TBI后神经功能恢复有改善作用外，还有研究发现吸氢对TBI后颅外器官功能也有很好地保护作用。例如，琚芳迪等［16］研究发现吸氢对TBI后心脏和肝脏功能有保护作用；Li等［17］研究发现吸氢对TBI后肺功能损伤有很好的保护作用。综上所述，吸氢对TBI后神经功能恢复有改善作用，同时对颅外器官功能也有很好的保护作用。
目前，在氢气效应的研究中，常见的氢气干预方式有3种，即口服富氢水、注射富氢生理盐水和吸氢。Liu等［26］最早检测了这3种方式进行氢气干预后大鼠脑组织中的氢气浓度，发现口服富氢水、腹腔或静脉注射富氢生理盐水以及吸氢（1%~4%）后脑组织中能达到的最大氢气浓度为10~30 ppb·g-1，达到最大氢气浓度所需时间静脉注射富氢生理盐水最快（1 min），口服富氢水和腹腔注射富氢生理盐水稍慢（5 min），吸氢最慢（30 min）。观察脑组织中氢气浓度的保持时间，发现吸氢后60 min氢气浓度仍保持在20 ppb·g-1，口服富氢水和腹腔注射富氢生理盐水后氢气浓度约保持30 min，而静脉注射富氢生理盐水后氢气浓度仅持续约5 min。由此可见，3种方式干预后脑组织中氢气浓度的最大值近似，但达到最大值所需时间和氢气浓度保持时长有所不同。
除了吸氢外，富氢水或富氢生理盐水也被证实对TBI后神经功能恢复有改善作用。Dohi等［18］研究大鼠CCI模型发现，建模前24 h到建模后7 d自由饮用富氢水均可显著减轻脑水肿。除了饮用富氢水外，腹腔注射富氢水或富氢生理盐水对TBI后神经功能的恢复也有明显的保护作用［19-23］。在这些研究中，富氢水（0.6 mmol·L-1）或富氢生理盐水（6 mmol·L-1）中的氢气浓度差异较大，但氢气浓度似乎对TBI的保护作用并无显著影响，然而氢气的保护效应究竟是否存在剂量依赖关系还有待进一步深入研究。除了动物实验外，还有两项体外细胞实验研究均采用了细胞划痕损伤模型，结果表明采用富氢培养液培养可促进神经元突起再生，抑制细胞凋亡，提高细胞活力，这在一定程度上佐证了氢气对TBI损伤的保护作用［24-25］。
此外，新型产氢材料的出现可能会进一步提高现有干预手段的作用效果。Lee等［27］最近一项研究中通过口服氢化镁来治疗大鼠血管性痴呆。与TBI类似，血管性痴呆也涉及脑缺血引起的神经细胞损伤或死亡，氧化损伤是其重要的病理基础。结果发现，口服氢化镁可通过抗氧化和抗炎症作用发挥对海马神经元的保护效应。与传统的氢气干预方式（如口服富氢水或注射富氢生理盐水）相比，氢化镁具有释放氢气量大，能提供具有抗氧化作用的镁离子，同时副产物Mg（OH）2无毒副作用，在治疗脑缺血相关疾病中存在潜在的应用价值。除了氢化镁外，还有研究采用硅基释氢材料［28-29］、钯金释氢材料［30-31］等实现氢气的持续大量产生，这些新型释氢材料的应用可能会进一步提高氢气的作用效果。
2.2 氢气保护颅脑损伤的作用机理
关于氢气保护颅脑损伤的作用机理目前尚不明确，现有研究从不同角度提出了以下几个可能的氢气作用机制。
2.2.1 抗氧化
已有研究表明氢气可能通过激活Nrf2通路发挥抗氧化作用［19-21］。越来越多的证据表明，转录因子Nrf2在控制抗氧化基因表达方面起着关键作用，并最终发挥抗炎症功能［32］，Nrf2通路的激活可能起到抗氧化和抗炎症的双重作用。氢气的抗氧化作用已得到了学术界的广泛认可，而氧化应激也被认为是导致TBI后神经功能受损的重要原因之一，因此，抗氧化在理论上似乎可以解释氢气的保护效应。但是氢气是一个相对较弱的抗氧化剂，同时在研究中氢气的使用剂量并不高，例如有些研究仅在TBI后进行一次吸氢，而有些研究中注射的富氢水或富氢生理盐水仅有0.6 mmol·L-1，因此抗氧化似乎并不能很好地解释氢气的保护效应。
2.2.2 抗炎症
氢气对TBI引起的神经炎症反应的调节作用已在多个研究中被证实，但这些研究结果也有不一致之处，例如有研究发现与模型组相比，在TBI后吸氢24 h可以抑制脑组织中促炎症因子IL-1β的表达［14］，而在另一项研究中则促进了IL-1β表达［18］，出现这样的结果可能与两项研究中所使用的动物不同（大鼠和小鼠）或氢气干预方式不同（吸氢和饮用富氢水）有关。关于氢气干预TBI不同阶段对各种免疫细胞和炎症因子的影响还需要进一步深入研究。
2.2.3 抗凋亡
多项研究发现氢气通过抗凋亡作用来促进TBI后的神经功能恢复［13，15，17］。细胞凋亡即“程序性细胞死亡”，它的一个标志性事件是细胞色素C从线粒体释放，脱离的细胞色素C会导致线粒体电子传递受阻，进而导致上游电子泄露加剧，自由基产生更多，严重时导致线粒体功能丧失，使得细胞能量供应下降，进而引起细胞凋亡。因此，如果能及时阻断线粒体氧化损伤的发生，就可以抑制细胞凋亡，从这个角度讲，抗凋亡可以看作是抗氧化的一个延伸效应。此外，有两项体外细胞实验［24-25］发现，氢气处理划痕损伤的细胞可以抑制细胞凋亡，主要是通过激活PI3K/Akt/GSK-3β信号通路实现的，其中一项研究还发现氢气处理可以使miR-21表达上调进而激活PI3K/Akt/GSK-3β信号通路［24］，而氢气处理后miR-21表达上调在该课题组的另一项动物实验研究中也有发现［12］。
2.2.4 抗焦亡
最近一项研究发现，吸氢可以减轻TBI引起的肺损伤，并认为氢气可能是通过抗焦亡和抗凋亡作用来减轻炎症反应的。
2.2.5 增强线粒体有氧代谢，促进ATP生成［17］
Dohi等［18］研究永生的小鼠脑周细胞发现，细胞经富氢培养液培养24 h可显著增强线粒体基础呼吸、备用呼吸以及非线粒体呼吸，同时增加ATP生成。其中，非线粒体呼吸是指在关闭线粒体电子传递链后，由一部分细胞中酶继续耗氧而保留的氧消耗。作者认为氢气处理可能形成一个氢离子梯度，促进了不依赖于线粒体电子传递链的ATP生成，从而有助于缓解因TBI引起的线粒体损伤导致的ATP生成下降，然而氢气处理是否能够形成以及如何形成氢离子梯度目前尚不清楚，该假说还有待进一步证实。氢气的作用靶点可能有很多，其对TBI的保护作用可能是多种机制共同作用的结果。不同氢气干预方式（如不同氢气浓度、干预时长等）的作用差异可能是由损伤局部氢气浓度不同引起的。总之，目前的机制研究还远远不够，深入探索氢气作用机制是今后研究的重要方向，也是推动氢气应用于TBI临床治疗的有力保障。
