顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）在日常外傷中十分常見，目前臨床上缺少具有確切干預效果的藥物，因此開發(fā)針對TBI的新型治療方法意義重大。氫氣已被證實有抗氧化、抗炎癥、抗凋亡等作用，并在多種疾病中顯示出很好的保護作用。近十年來已有很多研究初步證實了氫氣對TBI具有保護作用，并對氫氣的作用機制進行了深入研究。重點介紹了不同氫氣干預方式對TBI的保護效應(yīng)和氫氣的作用機制，同時也提出了目前研究中的不足之處和未來需要重點研究的方向，以期為對氫氣臨床和基礎(chǔ)應(yīng)用感興趣的研究人員提供參考和幫助。

顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是指由外力作用于頭部造成的腦組織器質(zhì)性損傷，可能導致暫時或永久性認知、生理或心理功能受損［1］。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年有超過5 000萬新發(fā)TBI患者，TBI已成為所有國家青壯年死亡的主要原因［2］。目前，臨床上所使用的藥物在一定程度上可以促進神經(jīng)功能的恢復，但是依然缺少明確臨床療效的藥物，因此針對TBI開發(fā)新的藥物或治療方法具有重要意義。2007年，日本學者在《自然醫(yī)學》雜志上報道了吸氫可以治療缺血性腦卒中，治療的基礎(chǔ)是氫氣可以選擇性清除毒性氧自由基，即羥自由基和過氧亞硝基陰離子［3］。大量細胞、動物以及臨床研究先后證明氫氣對多種疾病均具有潛在的治療作用。目前關(guān)于氫氣的臨床研究報道有60多項，其中包括神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病、心腦血管疾病、血液透析、炎癥及腫瘤等［4］。那么氫氣在TBI治療中是否也能發(fā)揮保護作用呢？經(jīng)過十多年的研究，目前已經(jīng)積累了很多動物和細胞實驗證據(jù)已初步證實氫氣對TBI有很好的保護作用。本文綜述了氫氣在TBI中的作用研究進展，以期為致力于氫氣臨床和基礎(chǔ)研究的科研工作者們提供參考和幫助。

張景怡, 姜雪, 馬思禺, 馮智超, 儀楊, 馬晨, 宋怡菲, 謝飛. 氫氣對顱腦損傷的保護作用研究進展. 生物技術(shù)進展[J], 2023, 13(2): 234-239

顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）在日常外傷中十分常見，目前臨床上缺少具有確切干預效果的藥物，因此開發(fā)針對TBI的新型治療方法意義重大。氫氣已被證實有抗氧化、抗炎癥、抗凋亡等作用，并在多種疾病中顯示出很好的保護作用。近十年來已有很多研究初步證實了氫氣對TBI具有保護作用，并對氫氣的作用機制進行了深入研究。重點介紹了不同氫氣干預方式對TBI的保護效應(yīng)和氫氣的作用機制，同時也提出了目前研究中的不足之處和未來需要重點研究的方向，以期為對氫氣臨床和基礎(chǔ)應(yīng)用感興趣的研究人員提供參考和幫助。

顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是指由外力作用于頭部造成的腦組織器質(zhì)性損傷，可能導致暫時或永久性認知、生理或心理功能受損［1］。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年有超過5 000萬新發(fā)TBI患者，TBI已成為所有國家青壯年死亡的主要原因［2］。目前，臨床上所使用的藥物在一定程度上可以促進神經(jīng)功能的恢復，但是依然缺少明確臨床療效的藥物，因此針對TBI開發(fā)新的藥物或治療方法具有重要意義。2007年，日本學者在《自然醫(yī)學》雜志上報道了吸氫可以治療缺血性腦卒中，治療的基礎(chǔ)是氫氣可以選擇性清除毒性氧自由基，即羥自由基和過氧亞硝基陰離子［3］。大量細胞、動物以及臨床研究先后證明氫氣對多種疾病均具有潛在的治療作用。目前關(guān)于氫氣的臨床研究報道有60多項，其中包括神經(jīng)退行性疾病、代謝性疾病、心腦血管疾病、血液透析、炎癥及腫瘤等［4］。那么氫氣在TBI治療中是否也能發(fā)揮保護作用呢？經(jīng)過十多年的研究，目前已經(jīng)積累了很多動物和細胞實驗證據(jù)已初步證實氫氣對TBI有很好的保護作用。本文綜述了氫氣在TBI中的作用研究進展，以期為致力于氫氣臨床和基礎(chǔ)研究的科研工作者們提供參考和幫助。

1 顱腦損傷及治療現(xiàn)狀

1.1 顱腦損傷的分類及臨床癥狀

臨床上根據(jù)損傷的嚴重程度可將TBI分為輕度（昏迷指數(shù)GCS評分13~15分）、中度（GCS評分9~12分）和重度（GCS評分<9分）。而根據(jù)損傷發(fā)生的時間可分為原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷［5］。原發(fā)性損傷是指外力作用造成的對腦實質(zhì)的直接損傷，可以是局灶性或彌漫性腦損傷，多為腦血管、神經(jīng)組織損傷，患者頭顱可能出現(xiàn)神經(jīng)纖維斷裂、神經(jīng)細胞死亡等問題。繼發(fā)性損傷是由原發(fā)性損傷引起的損傷部位、周圍組織甚至是遠離損傷部位的腦組織進一步惡化，損傷范圍更廣、持續(xù)時間也更久，臨床表現(xiàn)為腦腫脹、腦缺血、顱內(nèi)壓升高等［6］。除上述癥狀外，重度TBI患者還常伴有包括呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、凝血系統(tǒng)以及腎臟等在內(nèi)的多個顱外器官功能障礙［7］。

1.2 顱腦損傷的發(fā)病機制

TBI原發(fā)損傷階段的病理表現(xiàn)為血腦屏障破壞、神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)損傷。繼發(fā)性損傷在原發(fā)性損傷數(shù)小時、數(shù)天或數(shù)月后出現(xiàn)，其病理生理過程非常復雜，可能涉及包括谷氨酸興奮毒性、線粒體功能障礙、自由基生成和脂質(zhì)過氧化、神經(jīng)炎癥、軸突變性、膠質(zhì)瘢痕和髓鞘相關(guān)的軸突生長抑制、神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞凋亡、自噬和溶酶體損傷、細胞鈣穩(wěn)態(tài)紊亂、神經(jīng)元去極化等多個標志性事件［8-9］。原發(fā)性TBI無法逆轉(zhuǎn)，但繼發(fā)性TBI大多是可逆的，可以通過適當?shù)氖中g(shù)干預和治療措施來預防，針對繼發(fā)性損傷開發(fā)有效的治療藥物是不斷提高TBI患者預后療效的有效手段。進一步深入探究TBI損傷的病理生理和分子機制是目前亟待解決的關(guān)鍵問題，同時也是尋找新的TBI治療藥物靶點的有效途徑。

1.3 顱腦損傷的治療現(xiàn)狀

由于TBI的原發(fā)性損傷往往是急性物理損傷導致的壞死性細胞死亡，該過程難以逆轉(zhuǎn)，因此TBI治療的重點在于穩(wěn)定損傷部位并防止繼發(fā)性損傷，主要通過阻斷或改善原發(fā)性損傷造成的顱內(nèi)壓升高、缺氧和腦血流下降等病理改變來實現(xiàn)。臨床上治療TBI的方法主要有手術(shù)治療、藥物治療、高壓氧和亞低溫治療等。在藥物治療方面，針對TBI的不同病理機制，目前已經(jīng)開發(fā)出抗興奮毒性藥物、炎癥級聯(lián)抑制劑、細胞因子、生長因子、神經(jīng)恢復劑、抗氧化劑和凋亡抑制蛋白等抑制急性腦損傷導致的細胞死亡或減輕隨后的繼發(fā)性損傷［10］。盡管這些藥物在實驗研究中取得了令人鼓舞的結(jié)果，但大多數(shù)藥物在隨后的臨床試驗中宣告失敗。由于TBI病理學的復雜性，迄今為止還沒有切實有效的治療方法。因此，開發(fā)新的有效的TBI治療藥物迫在眉睫。

2 氫氣在顱腦損傷中的保護作用研究進展

由于氫分子是自然界最小的分子，穿透性極強，可輕易穿過血腦屏障，無明顯的毒副作用，同時大量研究表明氫氣具有抗氧化、抗炎癥、抗凋亡等功能?？紤]到氫氣的這些特性，目前已有多個研究團隊先后開展了氫氣對TBI保護作用的研究。

2.1 氫氣對顱腦損傷的保護效應(yīng)

截至目前，已先后公開發(fā)表了15篇關(guān)于氫氣對TBI保護作用的研究論文（表1），這些研究已初步證實了氫氣對TBI具有潛在的保護作用。2010年，Ji等［11］采用大鼠控制性皮層撞擊（controlled cortical impact，CCI）模型，發(fā)現(xiàn)建模5 min后持續(xù)呼吸2%氫氣約5 h可以顯著抑制TBI引起的血腦屏障通透性增加、腦水腫和神經(jīng)功能缺損。隨后吸氫對TBI的保護作用在多個研究中得以證實［12-17］，但這些研究中吸氫的濃度和時長略有不同。本課題組研究了吸氫濃度、時長以及介入時間點對TBI保護作用的影響，發(fā)現(xiàn)呼吸濃度為4%和67%的氫氣對TBI后神經(jīng)功能的保護作用無顯著性差異，TBI后吸氫1 d和連續(xù)吸氫7 d對神經(jīng)功能的保護作用也無顯著性影響，但在對吸氫介入時間點研究時發(fā)現(xiàn)，TBI后立即吸氫對神經(jīng)功能的保護作用最好［14］。由于實驗條件有限，研究中并沒有比較更多吸氫濃度的保護作用，也沒有觀察更長吸氫時長對保護作用的影響，僅就本研究而言，吸氫濃度和時長可能對TBI的保護作用并沒有顯著影響。在關(guān)于吸氫濃度對保護作用的影響研究中，Li等［15］發(fā)現(xiàn)吸入42%氫氣可以減輕糖尿病大鼠由TBI引起的腦水腫和血腦屏障滲漏，改善神經(jīng)功能，提高生存率，而吸入3%氫氣則無此效應(yīng)，推測這可能與糖尿病大鼠本身存在神經(jīng)病變有關(guān)，同時也提示吸入42%氫氣可能對正常大鼠TBI后神經(jīng)功能的保護作用要比3%氫氣效果更好。

除了發(fā)現(xiàn)吸氫對TBI后神經(jīng)功能恢復有改善作用外，還有研究發(fā)現(xiàn)吸氫對TBI后顱外器官功能也有很好地保護作用。例如，琚芳迪等［16］研究發(fā)現(xiàn)吸氫對TBI后心臟和肝臟功能有保護作用；Li等［17］研究發(fā)現(xiàn)吸氫對TBI后肺功能損傷有很好的保護作用。綜上所述，吸氫對TBI后神經(jīng)功能恢復有改善作用，同時對顱外器官功能也有很好的保護作用。

目前，在氫氣效應(yīng)的研究中，常見的氫氣干預方式有3種，即口服富氫水、注射富氫生理鹽水和吸氫。Liu等［26］最早檢測了這3種方式進行氫氣干預后大鼠腦組織中的氫氣濃度，發(fā)現(xiàn)口服富氫水、腹腔或靜脈注射富氫生理鹽水以及吸氫（1%~4%）后腦組織中能達到的最大氫氣濃度為10~30 ppb·g-1，達到最大氫氣濃度所需時間靜脈注射富氫生理鹽水最快（1 min），口服富氫水和腹腔注射富氫生理鹽水稍慢（5 min），吸氫最慢（30 min）。觀察腦組織中氫氣濃度的保持時間，發(fā)現(xiàn)吸氫后60 min氫氣濃度仍保持在20 ppb·g-1，口服富氫水和腹腔注射富氫生理鹽水后氫氣濃度約保持30 min，而靜脈注射富氫生理鹽水后氫氣濃度僅持續(xù)約5 min。由此可見，3種方式干預后腦組織中氫氣濃度的最大值近似，但達到最大值所需時間和氫氣濃度保持時長有所不同。

除了吸氫外，富氫水或富氫生理鹽水也被證實對TBI后神經(jīng)功能恢復有改善作用。Dohi等［18］研究大鼠CCI模型發(fā)現(xiàn)，建模前24 h到建模后7 d自由飲用富氫水均可顯著減輕腦水腫。除了飲用富氫水外，腹腔注射富氫水或富氫生理鹽水對TBI后神經(jīng)功能的恢復也有明顯的保護作用［19-23］。在這些研究中，富氫水（0.6 mmol·L-1）或富氫生理鹽水（6 mmol·L-1）中的氫氣濃度差異較大，但氫氣濃度似乎對TBI的保護作用并無顯著影響，然而氫氣的保護效應(yīng)究竟是否存在劑量依賴關(guān)系還有待進一步深入研究。除了動物實驗外，還有兩項體外細胞實驗研究均采用了細胞劃痕損傷模型，結(jié)果表明采用富氫培養(yǎng)液培養(yǎng)可促進神經(jīng)元突起再生，抑制細胞凋亡，提高細胞活力，這在一定程度上佐證了氫氣對TBI損傷的保護作用［24-25］。

此外，新型產(chǎn)氫材料的出現(xiàn)可能會進一步提高現(xiàn)有干預手段的作用效果。Lee等［27］最近一項研究中通過口服氫化鎂來治療大鼠血管性癡呆。與TBI類似，血管性癡呆也涉及腦缺血引起的神經(jīng)細胞損傷或死亡，氧化損傷是其重要的病理基礎(chǔ)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，口服氫化鎂可通過抗氧化和抗炎癥作用發(fā)揮對海馬神經(jīng)元的保護效應(yīng)。與傳統(tǒng)的氫氣干預方式（如口服富氫水或注射富氫生理鹽水）相比，氫化鎂具有釋放氫氣量大，能提供具有抗氧化作用的鎂離子，同時副產(chǎn)物Mg（OH）2無毒副作用，在治療腦缺血相關(guān)疾病中存在潛在的應(yīng)用價值。除了氫化鎂外，還有研究采用硅基釋氫材料［28-29］、鈀金釋氫材料［30-31］等實現(xiàn)氫氣的持續(xù)大量產(chǎn)生，這些新型釋氫材料的應(yīng)用可能會進一步提高氫氣的作用效果。

2.2 氫氣保護顱腦損傷的作用機理

關(guān)于氫氣保護顱腦損傷的作用機理目前尚不明確，現(xiàn)有研究從不同角度提出了以下幾個可能的氫氣作用機制。

2.2.1 抗氧化

已有研究表明氫氣可能通過激活Nrf2通路發(fā)揮抗氧化作用［19-21］。越來越多的證據(jù)表明，轉(zhuǎn)錄因子Nrf2在控制抗氧化基因表達方面起著關(guān)鍵作用，并最終發(fā)揮抗炎癥功能［32］，Nrf2通路的激活可能起到抗氧化和抗炎癥的雙重作用。氫氣的抗氧化作用已得到了學術(shù)界的廣泛認可，而氧化應(yīng)激也被認為是導致TBI后神經(jīng)功能受損的重要原因之一，因此，抗氧化在理論上似乎可以解釋氫氣的保護效應(yīng)。但是氫氣是一個相對較弱的抗氧化劑，同時在研究中氫氣的使用劑量并不高，例如有些研究僅在TBI后進行一次吸氫，而有些研究中注射的富氫水或富氫生理鹽水僅有0.6 mmol·L-1，因此抗氧化似乎并不能很好地解釋氫氣的保護效應(yīng)。

2.2.2 抗炎癥

氫氣對TBI引起的神經(jīng)炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)作用已在多個研究中被證實，但這些研究結(jié)果也有不一致之處，例如有研究發(fā)現(xiàn)與模型組相比，在TBI后吸氫24 h可以抑制腦組織中促炎癥因子IL-1β的表達［14］，而在另一項研究中則促進了IL-1β表達［18］，出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能與兩項研究中所使用的動物不同（大鼠和小鼠）或氫氣干預方式不同（吸氫和飲用富氫水）有關(guān)。關(guān)于氫氣干預TBI不同階段對各種免疫細胞和炎癥因子的影響還需要進一步深入研究。

2.2.3 抗凋亡

多項研究發(fā)現(xiàn)氫氣通過抗凋亡作用來促進TBI后的神經(jīng)功能恢復［13，15，17］。細胞凋亡即“程序性細胞死亡”，它的一個標志性事件是細胞色素C從線粒體釋放，脫離的細胞色素C會導致線粒體電子傳遞受阻，進而導致上游電子泄露加劇，自由基產(chǎn)生更多，嚴重時導致線粒體功能喪失，使得細胞能量供應(yīng)下降，進而引起細胞凋亡。因此，如果能及時阻斷線粒體氧化損傷的發(fā)生，就可以抑制細胞凋亡，從這個角度講，抗凋亡可以看作是抗氧化的一個延伸效應(yīng)。此外，有兩項體外細胞實驗［24-25］發(fā)現(xiàn)，氫氣處理劃痕損傷的細胞可以抑制細胞凋亡，主要是通過激活PI3K/Akt/GSK-3β信號通路實現(xiàn)的，其中一項研究還發(fā)現(xiàn)氫氣處理可以使miR-21表達上調(diào)進而激活PI3K/Akt/GSK-3β信號通路［24］，而氫氣處理后miR-21表達上調(diào)在該課題組的另一項動物實驗研究中也有發(fā)現(xiàn)［12］。

2.2.4 抗焦亡

最近一項研究發(fā)現(xiàn)，吸氫可以減輕TBI引起的肺損傷，并認為氫氣可能是通過抗焦亡和抗凋亡作用來減輕炎癥反應(yīng)的。

2.2.5 增強線粒體有氧代謝，促進ATP生成［17］

Dohi等［18］研究永生的小鼠腦周細胞發(fā)現(xiàn)，細胞經(jīng)富氫培養(yǎng)液培養(yǎng)24 h可顯著增強線粒體基礎(chǔ)呼吸、備用呼吸以及非線粒體呼吸，同時增加ATP生成。其中，非線粒體呼吸是指在關(guān)閉線粒體電子傳遞鏈后，由一部分細胞中酶繼續(xù)耗氧而保留的氧消耗。作者認為氫氣處理可能形成一個氫離子梯度，促進了不依賴于線粒體電子傳遞鏈的ATP生成，從而有助于緩解因TBI引起的線粒體損傷導致的ATP生成下降，然而氫氣處理是否能夠形成以及如何形成氫離子梯度目前尚不清楚，該假說還有待進一步證實。氫氣的作用靶點可能有很多，其對TBI的保護作用可能是多種機制共同作用的結(jié)果。不同氫氣干預方式（如不同氫氣濃度、干預時長等）的作用差異可能是由損傷局部氫氣濃度不同引起的?？傊?，目前的機制研究還遠遠不夠，深入探索氫氣作用機制是今后研究的重要方向，也是推動氫氣應(yīng)用于TBI臨床治療的有力保障。

3 展望

免責聲明：本文轉(zhuǎn)載自氫思語，納諾巴伯氫友會不對其科學性、有效性等作任何形式的保證。若內(nèi)容涉及健康建議，僅供參考勿作為健康指導依據(jù)。溫馨提示：氫氣不是藥物，不能代替藥物治療疾病。