氢气对肺移植保护机制的研究

氢气对肺移植保护机制的研究

本论文概述来自中国呼吸与危重监护杂志
作者：张梦荻 , 周华成 
简介：当前肺移植是治疗终末期肺疾病的最终方案，但其长期存活率和成功率都偏低。其中肺缺血再灌注损伤（lung ischemia reperfusion injury，LIRI）是影响预后的关键因素。氢气作为一种新型绿色能源和能量储存媒介，已广泛用于深海潜水和烧伤的治疗中。此外，氢气对心、脑、肾等器官的氧化应激损伤也具有保护作用：可通过抗炎症反应、抗氧化应激、抗凋亡、稳定线粒体、保护细胞等机制保护器官功能。氢气对肺移植相关损伤的研究仍处于初级阶段，本文就氢气对肺移植保护的可能机制进行综述。
 
背景：肺移植相关肺损伤包括移植前损伤和移植后损伤。肺移植前，供体自身脏器功能的损害、供体脑死亡等肺外因素、机械通气等原因可导致肺损伤。取肺时，热缺血期对器官的损害最为严重，因为器官离体后虽无血供，但组织仍进行代谢，此时氧气和各种代谢底物供应严重缺乏，故器官缺血损害出现快且重。而冷缺血期时间较长、对血液和养分的需求多，同时低温灌注和长时间的冷保存都会导致钠泵失活、钙超载和铁离子释放，可引起细胞变性、炎症反应和氧化应激损伤。移植后损伤包括 LIRI 和急慢性排斥反应等。LIRI 是肺移植损伤的重要原因，它是指造成组织损伤的主要因素不是缺血本身，而是恢复血供后，过量的自由基攻击重新获得血供的组织内的细胞。LIRI 具有双向炎症反应，而在缺血再灌注后急性期，是由大量的中性粒细胞聚集引起活性氧（reactive oxygen species，ROS）释放，损伤肺实质。这是肺移植术后急性肺损伤的主要原因
 
 
氢气抗炎症反应
炎症是具有血管系统的活体组织对损伤因子的防御性反应。在肺移植过程中，肺组织的缺血激活了细胞中炎性因子的释放，诱发了炎症级联反应。炎症反应可引起机体血管内皮损伤、白细胞增多、体液渗出等症状，抑制肺功能、影响肺移植预后。氢气能够直接减少 TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8、ICAM-1、8-OHdG 等炎症因子 mRNA 的表达，抑制 CCL2 等趋化因子 mRNA 的产生，减少白细胞的聚集。Zhai 等发现饱和氢气水处理组中用 CD11b 标记的中性粒细胞表达量明显低于对照组。MPO 作为中性粒细胞聚集的标志，在饱和氢气水组也显著低于对照组。
 
 
氢气抗氧化应激
氧化应激（oxidative stress，OS）是指机体在遭受各种有害刺激时，体内高活性分子如 ROS 等产生过多，氧化程度超出氧化物的清除程度，氧化和抗氧化系统失衡，从而导致组织损伤。氢气可以选择性的降低羟自由基（·OH）和亚硝酸阴离子（ONNO^-），使其生成水。降低由氧化损伤产生的自由基，维持其生理平衡。MDA 是脂质过氧化反应的氧化终产物、氧化损伤的重要指标。应用 3% 氢气通气能提高 SOD 水平，同时降低 MDA 水平。氢气还可以自由进入线粒体，减少来自线粒体的 ROS，进而抑制脂膜过氧化反应、DNA 的破坏、蛋白质的变性，恢复器官功能。
 
氢气抗细胞凋亡
凋亡是通过调控细胞内基因及其产物而发生的细胞程序性死亡。肺泡上皮细胞的凋亡是导致 LIRI 和肺功能障碍的重要因素。凋亡的激活主要是由于大量半胱氨酸天冬酶级联反应（caspase cascade）的发生。其中以 caspase-3 最显著且重要。Zhang 等发现，氢气能够通过外源性途径抑制细胞凋亡，显著抑制 caspase-3、caspase-8 蛋白的表达、降低 ROS 的产生。氢气还可通过调节线粒体，中断电子运输、调整氧化磷酸化、改变 ATP 的产量、释放触发 caspase 家族的活化蛋白、调整细胞氧化还原电位等机制影响凋亡的发生。
 
氢气抑制肺泡上皮细胞水肿
LIRI 可引起肺血管内皮通透性增加、细胞渗出增多、肺间质水肿。肺泡是否能良好吸收肺泡内的液体是有无肺损伤的标志。氢气可以改善肺血管的通透性、减少组织水肿。Zhai 等发现，应用饱和氢气水处理后，急性肺损伤模型中肺内水容量以及肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中的蛋白浓度都明显下降。Kohama 等发现，氢气可以通过减少 ROS，减弱对肺泡上皮细胞的破坏和肺组织的水肿。
 
氢气对线粒体的影响
线粒体是真核生物进行氧化代谢的部位，是糖、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。线粒体能合成 ATP 为细胞提供能量、参与细胞增殖与代谢调控、控制细胞程序性死亡，是细胞至关重要的细胞器之一。线粒体是调节氧化应激的重要通路，Liu 等发现，氢气能提高肝脏组织中 mSOD、mCAT、mGpx 的含量，降低 mMDA 的含量。即氢气能抑制线粒体的脂质过氧化反应。氢气还能通过保护线粒体抑制细胞凋亡。其机制首先为氢气可以稳定线粒体的膜通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore，MPTP），降低线粒体膜的渗透性、维持线粒体膜的稳定性。其次，氢气能减少细胞色素 C 的释放，抑制下游 caspase 级联反应的发生。氢气可以通过增强线粒体的膜电位（mitochondrial membrane potential，MMP）提高细胞的生存状态。此外，氢气还可以增强线粒体的呼吸功能、提高 ATP 的含量。
 
氢气对内质网的影响
内质网（endoplasmic reticulum，ER）承担运输细胞内物质的作用，是细胞内举足轻重的细胞器。内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS）表现为 ER 腔内错误折叠、未折叠蛋白聚集以及钙离子平衡紊乱。可激活未折叠蛋白反应、内质网超负荷反应和 caspase-12 介导的凋亡通路等信号途径。IRI 过程中引发的氧化应激、钙超载、炎症等均可诱发内质网应激，而过度 ERS 介导的细胞功能障碍及凋亡又会参与 IRI。然而饱和氢气水能降低细胞葡萄糖调节蛋白 78（78-kDa glucose regulated protein，GRP78）、caspase-12、Bax、CCAAT/增强子结合蛋白同源蛋白质（C/EBP-homologous protein antibody，CHOP）蛋白表达，升高 Bcl-2 蛋白表达，从而抑制内质网应激，降低细胞凋亡，减轻IRI。
 
总结
氢气可通过抗炎症反应、抗氧化应激、抗凋亡、稳定线粒体、保护细胞等机制保护器官功能。由于氢气安全、高效能、分子小、低价、方便获取、不蓄积等特点，将来可作为一种药物应用于临床