氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时产生过量活性氧,导致了体内氧化还原系统的失衡。研究表明,氧化应激可直接或间接损伤DNA、蛋白质和脂质等,引起多种疾病如缺血再灌注损伤、神经退行性疾病、衰老、心血管疾病、高血压、糖尿病、关节炎和肿瘤等的发生发展[1]。人们基于此进行了大量研究,开发了多种抗氧化剂,然而它们的临床效果并不理想,因此迫切需要寻找一种新的物质来治疗各类氧化损伤[2]。
氢是自然界中含量最丰富也是最简单的元素,氢气是无色、无味、无臭、具有一定还原性且高度易燃的双原子气体。过去大部分学者认为,氢气是生理惰性气体,不具有生物学活性。只有少数人认为,氢气在机体内可发挥抗氧化保护作用。1975年Dole等[3]报道,高压氢气可通过抗氧化作用抑制动物皮肤肿瘤的形成,但并未引起学术界的重视。直到2007年,Ohsawa等[4]报道动物呼吸2%氢气可有效清除自由基,显著改善脑缺血再灌注损伤,并发现氢气溶解在液体中可选择性中和羟自由基和过氧亚硝酸阴离子,而二者是氧化损伤的最重要介质,因此认为氢气治疗脑缺血再灌注损伤的基础是选择性地抗氧化作用。该报道掀起了研究氢气治疗疾病的热潮,迄今已发表了近百篇相关论文,报道了氢气对多种疾病的治疗作用,为氢气医学的建立打下了坚实基础。笔者在复习这些文献的基础上,对氢气的研究进展做简要概述,希望能为深入研究氢气医学提供参考。
1利用氢气治疗疾病的给药方式
1.1吸入给氢
虽然氢气易燃易爆,爆炸极限是4%～75% (V/V),但氢气在空气或氧气中的浓度小于4%时是安全的,Ohsawa等最初就是采用吸入给氢的方法治疗局灶性脑缺血再灌注损伤。
1.2含氢盐水注射或滴眼
吸入给氢法在气体混合过程中存在一定风险,且操作复杂,对设备要求也比较高,限制了该方法的应用,故需要寻找一种更适用的给氢方式。2009年孙学军等[5,6,7,8]在国际上首次报道了腹腔注射含氢盐水(0.8 mmol·L-1)的给药方法,并在缺血再灌注损伤、阿尔茨海默病、一氧化碳中毒性、迟发性脑病、动脉粥样硬化等多种动物模型上取得了成功。
含氢盐水滴眼用于治疗视网膜缺血再灌注损伤及角膜碱烧伤,也取得了良好的效果[9,10]。
1.3饮用含氢水
虽然吸入给氢快速直接,注射含氢盐水方便适用,但这两种方法都不适合长期给药。如果将氢气溶解在水中(含氢水),通过饮用给氢,则非常安全方便。目前的研究表明,饮用氢气水和吸入给氢的治疗效果类似[11],而且由于饮用含氢水的便利性,其不仅可用于治疗疾病,也适用于预防疾病如认知障碍[12]。
含氢水可通过多种方法制备,如高压下将氢气溶解在水中,电解水使之产生氢气,将镁金属和水反应生成氢气等。
虽然饮用含氢水的方法安全方便,但仍存在一些缺点,如含氢易于从水中逸出,含氢水通过胃或小肠时会有部分损失,故给氢剂量不易控制。
1.4促进肠道细菌产氢
人体肠道内的部分细菌可通过发酵未消化的食物产生氢气[13],并通过呼吸将产生的大部分氢气排出[14]。
流行病学资料显示,α-糖苷酶抑制剂阿卡波糖具有独立于降糖作用的心脏保护作用,他汀类药物降脂外的心脏保护作用也非常显著。据报道,阿卡波糖能显著增加肠道中氢气的产生;他汀类药物可以抑制甲烷菌,而甲烷菌可利用氢气生产甲烷,即抑制细菌代谢氢气,从而间接增加肠道内氢气含量。因此,推测肠道中氢气含量的增加是这两类药物产生心脏保护作用的原因[15,16]。
2氢气对多种疾病的预防和治疗作用
2.1器官缺血再灌注损伤
脑组织中富含胆固醇和不饱和脂肪酸,且抗氧化酶系统相对不足,故易遭受氧化应激损伤。Ohsawa等在局灶性脑缺血再灌注损伤大鼠模型上发现,动物吸入2%氢气能够显著减少脑梗死体积,改善运动能力及动物体质量下降,对缺血再灌注损伤早期及晚期都具有明显的改善作用。这一研究首次证明了氢气能显著减轻氧化应激并具有脑损伤保护作用。随后,孙学军等[17]率先发现,吸入2%氢气可治疗新生大鼠脑缺血缺氧损伤,腹腔注射氢盐水对新生大鼠脑缺血缺氧损伤后行为学、脑梗死体积和组织损伤程度均有明显改善作用,且能明显改善神经功能和学习记忆能力[5]。最近又有人在全脑缺血再灌注大鼠模型上证明,腹腔注射含氢水能显著降低缺血再灌注诱导的丙二醛(malondialdehyde,MDA)、胱天蛋白酶、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素6(interleukin-6,IL-6)、核因子-κB(NF-κB)含量,并明显减轻海马组织损伤,再灌注6 h后给氢保护作用仍然存在[18]。
越来越多的研究显示,氢气对脑外组织的缺血再灌注损伤同样有效。Ohsawa等[19]团队在发表了第一篇氢气论文后,随后报道了吸入氢气对肝缺血再灌注损伤的保护作用,并发现治疗效果具有剂量依赖性。2008年,Ohsawa等[20]又发现,吸入2%氢气可显著减轻心肌缺血再灌注损伤后的氧化应激和梗死体积,且不影响血流动力学参数,因此认为氢气可以预防左心室重构。最新研究表明,氢气对肠、肾、脊髓等器官的缺血再灌注损伤也具有良好的保护作用[21,22,23]。
2.2器官移植损伤
缺血再灌注损伤是器官移植早期非免疫性损伤的重要原因[24],活性氧也参与了慢性移植性肾病后期肾间质纤维化和肾小管萎缩的发生发展。Nokao等[25]在大鼠异种肾移植模型上证明,饮用含氢水改善了移植后的肾功能,减缓了移植性肾病的进展,减轻了氧化损伤并降低了炎症介质的产生,最终提高了动物的存活率。这一研究表明,氢气不仅具有抗氧化作用,还具有抗炎活性。Nokao等[26,27]团队还证明了氢气对肠和肺移植同样具有显著的保护作用。
2.3神经系统疾病
氧化应激是引起许多神经系统疾病发生发展的关键因素。研究表明,氢气可通过抗氧化、抗炎作用保护神经细胞,促进神经再生,对多种神经系统疾病起到了良好的预防和治疗作用。
2.3.1神经变性疾病
研究者发现, ip给予含氢水能显著降低阿尔茨海默病模型大鼠的氧化应激指标、炎症介质、NF-κB及神经胶质酸性蛋白的表达,同时动物的学习、记忆能力和运动功能得到明显改善[28,29]。
在6-羟基多巴胺诱导的帕金森大鼠模型上发现,建模前或建模后给大鼠饮用含氢水都可以阻止黑质-纹状体多巴胺能神经元的丢失,并发现其机制是缓解了6-羟基多巴胺引起的氧化损伤[30]。在另一种由1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶诱导的小鼠帕金森病模型中,饮用含氢水减少了黑质多巴胺能神经元丢失,改善了肢体运动功能[31]。这些研究表明氢气可能能够延缓帕金森病的发生发展。
长期应激可引起脑内氧化水平的升高,损害学习和记忆功能。研究表明,饮用含氢水能够抑制应激导致的氧化损伤,增强齿状回神经元的再生,从而阻止应激对认知功能的损害,改善学习和记忆能力[12]。
2.3.2一氧化碳中毒性迟发性脑病
目前,一氧化碳中毒性迟发性脑病尚无有效的治疗手段,研究表明,一氧化碳中毒引起的氧化应激和继发性炎症与该疾病有密切关系[32]。孙学军等[7]采用一氧化碳中毒性迟发性脑病大鼠模型证明,ip给予含氢水能够通过抗氧化、抗炎作用减轻脑组织炎症反应,改善神经细胞死亡和认知功能障碍,这一研究为该疾病的治疗提供了新的方案。
2.4动脉粥样硬化
在载脂蛋白E基因敲除小鼠上发现,饮用含氢水降低了主动脉的氧化应激水平,阻止了动脉粥样硬化的发生[33],表明饮用含氢水可能能够预防动脉粥样硬化形成。随后秦树存等[8]进行了相关的分子机制研究,他们采用细胞和基因敲除小鼠证明,氢气能够抑制TNF-α等刺激因子引起的内皮细胞植物凝集素样氧化低密度脂蛋白受体-1(lectin-like oxidized LDL receptor-1,LOX-1)基因表达和蛋白水平上调,对NF-κB活性同样具有抑制作用,因此认为氢气可能通过抑制NF-κB活性,减少炎症因子诱导的LOX-1表达,发挥抗动脉粥样硬化作用。
2.5代谢综合征
已知氧化应激促进了代谢综合症的发生发展,而抗氧化是治疗该症的有效手段[34]。研究发现,db/db小鼠长期饮用氢气水能够显著降低动物肝中MDA水平,体质量和脂肪含量,且不影响其摄食量和饮水量,而且还同时降低了小鼠血糖、胰岛素和甘油三酯水平[35]。
临床试验表明,饮用含氢水能使2型糖尿病患者血液中的低密度脂蛋白及尿液中的8-异构前列腺素显著降低,明显降低患者的血糖水平[36];另一个临床试验发现,含氢水能够增加代谢综合征患者体内的超氧化物歧化酶水平,并降低尿液中硫代巴比妥酸反应物的含量,还能够增加高密度脂蛋白水平[37]。这些研究说明氢气能够改善脂质代谢紊乱和糖代谢异常,对代谢综合征具有一定的治疗作用。
2.6减轻化疗、放疗的毒性作用
广泛用于临床的抗肿瘤药物顺铂具有一定的肾毒性,这一毒性可能是由氧化应激引起的[38]。研究发现,小鼠吸入氢气或饮用氢气水能够抑制顺铂引起的体质量下降,减轻肾毒性,降低死亡率,且不影响顺铂的抗肿瘤作用[39]。
另外来自韩国的临床试验显示,接受放疗的肝癌患者饮用6周含氢水能降低血液中的活性氧代谢产物,显著提高生活质量评分,且不影响放疗的抗肿瘤效果[40]。
2.7炎症及变态反应
据报道,氢气在多种动物模型上表现出了抗炎、抗过敏作用,如能够降低TNF-α和IL-6水平,抑制变态反应相关的磷酸化信号通路等[25,26,41]。通过降低血清和组织中的促炎因子,氢气显著改善了脓毒症小鼠的存活率和器官损伤,表明氢气能通过抗炎作用治疗炎症相关的脓毒症[42]。Itoh等[41]报道,饮用含氢水能够调节高亲和力IgE受体FcεRI介导的磷酸化及下游的信号转导,抑制NADPH氧化酶活性并减少过氧化氢的生成,从而缓解了速发型超敏反应,说明氢气可能不仅仅是一种自由基清除剂,还能够通过调节某些信号通路发挥作用。
3展望
3.1氢气的优势
研究表明,活性氧中的过氧化氢和一氧化氮具有非常重要的信号作用,毒性作用比较弱,而羟自由基和过氧亚硝酸阴离子毒性强,是导致细胞氧化损伤的主要介质[43,44],然而目前的抗氧化剂如维生素E、褪黑素等还原性过强, 可能会导致机体氧化还原状态的失衡,并影响机体正常的信号传递系统;它们一般难以穿透细胞膜到达线粒体等靶点部位;相对浓度较低,无法中和毒性强的自由基;难以降解 (如维生素C),反而进一步加重了细胞的负担,从而限制了这些药物的应用[2]。
氢气与传统抗氧化剂相比具有多种优点:① 还原性相对较低,具有选择性抗氧化作用,可以选择性地清除羟自由基及过氧亚硝酸阴离子,而不影响超氧阴离子和过氧化氢等具有信号作用的活性氧;② 相对分子质量小,且具有较好的脂溶、水溶性,能自由扩散到线粒体等靶点部位;③ 潜水医学的长期研究证明了氢气对人体没有毒性作用[45]。因此,作为一个抗氧化剂,氢气具有较好的临床应用前景。
3.2待解决的问题
自2007年以来,氢气研究取得了许多成果,但仍有一些问题没有解决:① 目前的研究没有发现氢气有任何毒性作用,而且理论上氢与自由基的产物比较简单,如与羟自由基反应生成水,多余的氢可通过呼吸或扩散等方式排出体外。但这并不能完全证明氢气的生物安全性,首先还没人开展相关的毒理研究,可能只有通过长期、大剂量的给药才能发现氢气的毒性;其次药理作用和毒性作用是相对而言的,既然氢气的生物学作用如此强大,理论上也会产生相对应的毒性作用,只是目前还没被发现。② 氢气的作用机制还没有完全解决。首先氢气选择性抗氧化机制的在体证据不足,迄今人们只用体外化学方法证明氢气能选择性地中和羟自由基和过氧亚硝酸阴离子,并不能确定在体也存在这种选择性;其次氢气的强大生物学效应与氢气的选择性抗氧化作用不符,如果氢气仅通过选择性抗氧化起作用,则氢气在体内的作用时间应该是影响其效应的重要因素。但事实上氢气在体内维持的时间很短[20],但生物学效应却非常强大。因此,关于氢气治疗疾病的具体机制仍需深入研究。
综上,氢气作为一个选择性抗氧化剂,优点鲜明,治疗疾病种类广泛,但这些结论大多只是在动物模型上得到,临床效果尚不能完全确定,有待系统的临床实验进一步证实。鉴于氧化应激损伤的广泛性,氢气新的药理应用也有待于被开发。
参考文献
中国药理学与毒理学杂志. 氢气医学研究进展 董文彬 郑高利
