摘要：
近年研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以有效抑制體內(nèi)部分活性氧繼而產(chǎn)生抗氧化效應(yīng)，在動物實(shí)驗(yàn)中顯示出對多種氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的良好防治作用，并在初步的臨床試驗(yàn)中取得類似的防治效果。有關(guān)氫氣生物學(xué)效應(yīng)的報(bào)道從少到多，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
目前氫氣防治疾病的作用機(jī)制尚不清楚，氫氣防治多種疾病的現(xiàn)象難以解釋，不少研究者認(rèn)為氫氣可能是繼一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)等氣體之后又一個(gè)具有重要生物活性的氣體分子，在疾病防治方面可能具有獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：氫氣，生物學(xué)活性，疾病防治，抗氧化
氫氣是自然界中最小的分子，長期以來生物學(xué)家誤認(rèn)為它是生理上的惰性氣體，不能與生物體內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如潛水醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使用高壓氫作為呼吸介質(zhì)，是一種先進(jìn)的潛水技術(shù)，世界上最大潛水深度記錄(700m)就是采用呼吸氫-氧混合氣的潛水方式。
氫氣是自然界中最小的分子，長期以來生物學(xué)家誤認(rèn)為它是生理上的惰性氣體，不能與生物體內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如潛水醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使用高壓氫作為呼吸介質(zhì)，是一種先進(jìn)的潛水技術(shù)，世界上最大潛水深度記錄(700m)就是采用呼吸氫-氧混合氣的潛水方式。
他們利用在體大鼠插線阻斷大腦中動脈腦缺血再灌注損傷模型，發(fā)現(xiàn)呼吸少量氫氣(2%，呼吸35分鐘)能有效清除動物大腦內(nèi)氧化損傷終產(chǎn)物水平，顯著改善大鼠腦缺血后腦梗死體積，并抑制小膠質(zhì)細(xì)胞增生，其治療腦缺血的效果類似免疫抑制劑FK-506，治療作用明顯超過目前臨床上唯一的抗氧化藥物衣達(dá)拉奉。
這一報(bào)道的問世，立即引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，有關(guān)氫氣生物活性以及在多種疾病防治中的作用迅速成為研究熱點(diǎn)，氫氣對其他多種疾病的防治作用相繼被學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)。
例如，氫氣對實(shí)驗(yàn)動物的放射損傷、器官缺血、動脈硬化、肝硬化、氧中毒、糖尿病、器官和系統(tǒng)炎癥、創(chuàng)傷、巴金森病、老年性癡呆、一氧化碳中毒、百草枯中毒等，均有很好防治作用，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的研究發(fā)展前景。
氫氣具有選擇性抗氧化作用的發(fā)現(xiàn)，徹底推翻了氫氣屬于生理性惰性氣體的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。
但是，目前絕大部分的研究集中在氫氣防治疾病的現(xiàn)象觀察上面，對其作用機(jī)理基本處于研究起步階段，仍是以氫氣抗氧化，從而發(fā)揮抗炎、抗細(xì)胞凋亡為基礎(chǔ)，許多現(xiàn)象尚難解釋，隨著對其作用機(jī)制研究的不斷深入，很可能還有其它未知的重要作用。
相信氫氣對傷病的防治作用還將有重要新發(fā)現(xiàn)，加之已有研究尚未發(fā)現(xiàn)分子氫對機(jī)體有毒副作用，經(jīng)過全面系統(tǒng)的毒理學(xué)評價(jià)證實(shí)之后，極有可能在臨床上得到推廣應(yīng)用。
目前認(rèn)為人體內(nèi)沒有可催化產(chǎn)生氫氣的酶類，機(jī)體新陳代謝過程中一般不產(chǎn)生氫氣，但是，人類和高等動物體內(nèi)存在極微量的氫氣，即內(nèi)源性氫氣。
內(nèi)源性氫氣來自于機(jī)體大腸內(nèi)厭氧細(xì)菌的代謝，這些細(xì)菌降解腸道內(nèi)未被吸收的多糖，通過氫化酶產(chǎn)生氫氣，氫氣再經(jīng)腸道擴(kuò)散至全身。
在腸道內(nèi)，細(xì)菌可將氫氣轉(zhuǎn)化為硫化氫(H2S)、甲烷(CH4)和乙酸(CH3COO?)，在腸道外，氫氣可以從肺臟和皮膚排出。
正常生理?xiàng)l件下，人體每天大腸內(nèi)厭氧細(xì)菌產(chǎn)生大于12L的氫氣，終末呼氣時(shí)氫氣的濃度可達(dá)5-10ppm。在小鼠的某些組織器官中也可檢測到較高濃度的氫氣，如結(jié)腸、胃粘膜、肝和脾等，小鼠肝臟內(nèi)氫氣濃度可達(dá)42μM。
值得注意的是，在Ohsawa等的實(shí)驗(yàn)中，采用PC12細(xì)胞氧化損傷模型的研究表明，只要培養(yǎng)體系內(nèi)氫氣濃度達(dá)到25?mol/L(一個(gè)大氣壓下水中可溶解氫氣6mmol/L)，就可以顯示出顯著的抗氧化效果。
這說明了生物體內(nèi)內(nèi)源性氫氣的水平已達(dá)到氫氣發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)所需的濃度，暗示內(nèi)源性氫氣可能具有一定的生理功能，例如影響腸道菌群的抗生素產(chǎn)生的一些副作用也許與其抑制內(nèi)源性氫氣的生成有關(guān)。
法國著名化學(xué)家拉瓦錫是最早研究氫氣生理作用的科學(xué)家。早在1789年，拉瓦錫和塞奎因曾經(jīng)將氫氣作為呼吸介質(zhì)進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)研究。
實(shí)驗(yàn)中，拉瓦錫等把豚鼠放入鐘形玻璃容器內(nèi)，使容器中維持生命的氮和氧保持一定量，然后添加氫，豚鼠在容器內(nèi)呼吸氫氮氧三元混合氣，歷時(shí)8-10h，未發(fā)現(xiàn)來自外界的氫氣(外源性氫氣)給機(jī)體帶來任何不利影響。
為了解決大深度潛水氮麻醉問題，增加人員潛水深度，科學(xué)家把氫氣作為潛水呼吸氣進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)研究。例如，1937年，英國Case和Haldane把人暴露于1.1MPa壓力下，呼吸氫氧混合氣5min，未發(fā)現(xiàn)明顯的生理變化。
1941年前蘇聯(lián)Lazarev等把小鼠加壓到9.1MPa，呼吸氫氮氧混合氣，停留3min，爾后經(jīng)過約1h的減壓，獲得成功；在數(shù)十個(gè)大氣壓下，應(yīng)用氫氧、氫氦氧混合氣潛水取代氮?dú)?，潛水員呼吸氫氣未發(fā)現(xiàn)任何毒副作用。
在輻射化學(xué)領(lǐng)域，Buxton等發(fā)現(xiàn)溶解在水中的氫氣可以減少光解水與輻解水來源的羥自由基，但對生命體系中氫氣是否具有同樣的作用未做研究。
在潛水醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，氫-氧混合氣的潛水過程中存在著潛水員呼吸數(shù)十個(gè)大氣壓高壓氫氣的情況，于是Kayar等試圖應(yīng)用同位素的方法，希望在高氣壓條件下證明氫氣能與體內(nèi)溶解狀態(tài)下的氧氣或其它高活性自由基直接反應(yīng)，但由于氫氣能反應(yīng)的目標(biāo)物質(zhì)較少，他們的研究未獲得任何發(fā)現(xiàn)。
長期以來，潛水醫(yī)學(xué)家認(rèn)為氫氣屬于生理性惰性氣體，氫氣在生物體內(nèi)不能表現(xiàn)出還原性，氫氣無法與生物體內(nèi)的任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。但少數(shù)人依然認(rèn)為氫氣具有抗氧化作用，最早報(bào)道氫氣生物學(xué)作用的是Dole等，他們發(fā)現(xiàn)在8個(gè)大氣壓下，連續(xù)呼吸97.5%的氫氣，兩周后小鼠皮膚鱗狀細(xì)胞癌顯著縮小，他們推測氫氣可能是一種自由基反應(yīng)的催化劑，由于實(shí)驗(yàn)條件特殊，可重復(fù)性差，這一研究未能繼續(xù)進(jìn)行下去。
隨后Gharib等發(fā)現(xiàn)呼吸7個(gè)大氣壓的氫氣對小鼠肝臟寄生蟲感染后的炎癥具有顯著治療作用，首次證明氫氣具有抗炎作用，并提出氫氣與OH的直接反應(yīng)是其治療炎癥損傷的分子基礎(chǔ)，但他們同樣沒有展開任何后續(xù)的研究工作。雖然這些個(gè)別研究顯示了氫氣在治療某些疾病中的一些現(xiàn)象，但是由于機(jī)理不明、研究不深、需要高氣壓條件等原因，未引起其他學(xué)者興趣。
真正使得分子氫進(jìn)入醫(yī)學(xué)和生命科研究領(lǐng)域并且迅速成為研究熱點(diǎn)的是Ohsawa等。他們通過多年的深入研究，在2007年5月Nature Medicine上發(fā)表研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在非高壓條件下，給予小量氫氣能夠治療大鼠腦缺血再灌注損傷，并提出了氫氣具有選擇性抗氧化作用的觀點(diǎn)。
所謂選擇性抗氧化是指氫氣只與OH和ONOO-發(fā)生反應(yīng)，并不與其它在生理過程中發(fā)揮作用的活性氧反應(yīng)，如O2-·、H2O2和NO·等。
細(xì)胞內(nèi)的O2和H2O2是重要的信號傳導(dǎo)分子，同時(shí)它們調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、增殖和分化等生理過程；H2O2可以通過髓過氧化物酶轉(zhuǎn)變?yōu)榇温人?，后者在?xì)菌入侵機(jī)體時(shí)起到保護(hù)作用；NO·是重要的神經(jīng)遞質(zhì)，也是血管舒張過程的重要參與者。
因?yàn)闅錃獾倪€原性比較溫和，不足以干擾體內(nèi)正常的氧化還原代謝反應(yīng)，也不足以破壞與活性氧相關(guān)的細(xì)胞信號傳導(dǎo)，不像很多強(qiáng)還原性的抗氧化劑那樣會影響到體內(nèi)必須的生理過程。
目前，OH是學(xué)界公認(rèn)的活性最強(qiáng)的自由基，ONOO-的活性也明顯高于其它活性氧。OH和ONOO-比其它活性氧活潑的多，Setsukinai等使用HPF、APF和DCFH三種熒光素研究了OH、ONOO-、次氯酸根(ClO-)、單態(tài)氧(1O2)、O2、H2O2和NO，發(fā)現(xiàn)OH對上述三種熒光素的反應(yīng)活性是其它活性氧的100到400倍，而ONOO-的反應(yīng)活性也是其它活性氧的20到60倍，還原性比較溫和的氫氣只與這些強(qiáng)自由基發(fā)生反應(yīng)。
除抗氧化作用溫和以外，氫氣的高氣體擴(kuò)散性也是其他抗氧化劑所不具備的，目前大多數(shù)的抗氧化劑是無法高效到達(dá)作用靶點(diǎn)的，但氫氣可以輕而易舉穿透生物膜，到達(dá)細(xì)胞質(zhì)、線粒體和細(xì)胞核等，有效地清除OH。
因此從理論上分析，使用氫氣可能不會產(chǎn)生任何副作用，與已有其他抗氧化物質(zhì)相比醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景可能更樂觀。自O(shè)hsawa論文發(fā)表之后，有關(guān)氫氣生物活性以及對多種疾病防治的研究，呈現(xiàn)飛速發(fā)展的強(qiáng)勁態(tài)勢。
良好的血液循環(huán)是維持機(jī)體組織器官正常代謝和功能的必要條件，缺血再灌注損傷是指當(dāng)各種原因造成器官血流供應(yīng)停止或下降導(dǎo)致組織缺血缺氧損傷，但血流恢復(fù)后反而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的組織損傷和炎癥反應(yīng)。
缺血再灌注誘導(dǎo)活性氧增多而引發(fā)氧化損傷被認(rèn)為是缺血再灌注損傷發(fā)生的重要機(jī)理。缺血再灌注發(fā)生時(shí)，位于細(xì)胞線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈復(fù)合物Ⅰ(NADH脫氫酶)和復(fù)合物Ⅲ(輔酶Q-細(xì)胞色素c還原酶)將產(chǎn)生大量O2-·，在超氧化物歧化酶的作用下，O2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2，當(dāng)存在Fe2+和Cu+時(shí)，H2O2將被催化產(chǎn)生出?OH。
OH將不加選擇的破壞核酸、蛋白質(zhì)和生物膜，造成脂質(zhì)過氧化、DNA氧化損傷和線粒體去極化等，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡與死亡。
Ohsawa等認(rèn)為，氫氣中和OH，生成無毒的水分子[H2+OH=H2O+H],從而減輕這一缺血再灌注病理過程中的氧化損傷，達(dá)到保護(hù)缺血再灌注器官的目的。
人們將富含氫氣的水用于各種缺血再灌注損傷的動物實(shí)驗(yàn)研究，觀察發(fā)現(xiàn)富氫水中的氫氣在包括大腦、心肌、肝臟、肺臟、腸道、腎臟和視網(wǎng)膜等發(fā)生缺血再灌注時(shí)，可以顯著保護(hù)這些器官。
另外實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)氫氣可以保護(hù)腦缺血后認(rèn)知功能、治療蛛網(wǎng)膜下腔出血、減小心肌梗死和腦梗死的面積等。
除飲用氫水外，有人利用氫氣的高擴(kuò)散性，將氫氣擴(kuò)散入密封的生理鹽水袋中，制備富氫生理鹽水，并證明注射此富氫生理鹽水對腦干中風(fēng)患者具有顯著治療作用。
目前認(rèn)為氫氣減輕缺血再灌注損傷的機(jī)理是氫氣的選擇性抗氧化作用，在上述動物模型中，氫氣顯著減少了氧化損傷的標(biāo)志產(chǎn)物，如DNA氧化損傷終產(chǎn)物8羥基2脫氧鳥苷(8-OHdG)、脂質(zhì)過氧化終產(chǎn)物丙二醛(MDA)和4羥基壬烯醛(4-HNE)，并且顯著減輕病灶組織細(xì)胞的凋亡和壞死。
需要指出，以上所有研究均僅觀察了氫氣治療的效果，如減輕氧化損傷、緩解凋亡和保護(hù)組織功能等，并沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明氫氣直接清除了缺血再灌注時(shí)病灶中產(chǎn)生的·OH，氫氣對缺血再灌注損傷的防治機(jī)理，合理的推斷是其抗氧化作用，而更綜合、更確切的作用機(jī)理有待深入探討。
移植過程中也存在著缺血再灌注情況，經(jīng)常造成移植器官的炎癥、功能障礙、甚至器官衰竭等。
氫氣對缺血再灌注損傷顯示的良好治療作用，使得人們意識到氫氣也許還可以作為器官保護(hù)劑應(yīng)用于器官移植中。
2008年Nakao等首次報(bào)道連續(xù)呼吸2%的氫氣可預(yù)防大鼠小腸移植后的蠕動障礙，顯著增強(qiáng)空腸平滑肌的收縮性，緩解腸粘膜形態(tài)學(xué)損傷，移植物內(nèi)脂質(zhì)過氧化終產(chǎn)物MDA水平顯著下降，并用定量PCR測定了幾個(gè)重要炎癥分子的mRNA，如CC族趨化因子2(CCL2)、細(xì)胞因子白介素1β(IL1-beta)、細(xì)胞因子白介素6(IL-6)和腫瘤壞死因子α(TNF-alpha)等，發(fā)現(xiàn)氫氣可以顯著抑制移植誘導(dǎo)的炎癥因子表達(dá)上調(diào)。
隨后他們又證明呼吸氫氣對心臟移植后損傷、肺移植后肺損傷和慢性移植腎病均有防護(hù)作用。除抗氧化以外，他們提出氫氣的這種保護(hù)可能與增強(qiáng)機(jī)體抗炎癥作用和誘導(dǎo)抗氧化酶HO-1有關(guān)系。
HO-1是一種抗氧化蛋白，同時(shí)也是可以產(chǎn)生CO的酶，提示氫氣的生物學(xué)效應(yīng)可能通過提高CO的濃度來實(shí)現(xiàn)，提示氫氣對CO信號通路的潛在影響。隨著移植器官體外保存時(shí)間的延長，器官移植后的存活率會顯著下降。
人們使用低溫和細(xì)胞保護(hù)劑等方法保存器官，但仍不能明顯延長其保存時(shí)間，目前10小時(shí)以上運(yùn)輸?shù)钠鞴僖浦彩请y以實(shí)現(xiàn)的。
最近Tan等發(fā)現(xiàn)只要把氫氣溶解到器官保存液中，待移植心臟細(xì)胞凋亡蛋白基因表達(dá)水平顯著下降，氧化損傷顯著減輕，體外4°C下保存心臟，對照組的心臟恢復(fù)跳動的時(shí)間約為4分鐘，而含氫氣保護(hù)液中的心臟恢復(fù)跳動時(shí)間降低到1分鐘，心臟保存的效果明顯提高。上述研究說明了從離體器官保存到器官移植后損傷，氫氣均有器官保護(hù)的潛在應(yīng)用價(jià)值。
電離輻射對生物體的損傷通過直接作用和間接作用兩種途徑來實(shí)現(xiàn)。直接作用是指電離輻射將能量直接傳遞給生物大分子造成DNA、蛋白質(zhì)和生物膜等的損傷，因此只能通過物理屏蔽的方法來防護(hù)。
間接作用是指電離輻射通過輻射分解水分子產(chǎn)生多種自由基來損傷生物體，這是電離輻射對生物體造成損傷的主要方式，而其中·OH占自由基損傷因素的70%以上。在無細(xì)胞系統(tǒng)的研究中，我們使用芬頓反應(yīng)產(chǎn)生·OH證明過飽和的富氫溶液(8mmol/L)可以有效清除71.2%的·OH，使用5Gy60鈷源輻解水分子同樣證明過飽和的富氫溶液可以有效清除88.7%的·OH。
在細(xì)胞水平，富氫溶液可以顯著減少電離輻射產(chǎn)生的·OH，緩解氧化應(yīng)激損傷，減少細(xì)胞凋亡和提高受照細(xì)胞活力。
我們發(fā)現(xiàn)照射前給予富氫溶液可以顯著提高照后30天小鼠的生存率，7Gy全身照射13天后，對照組90%的動物死亡，而給氫組30天后仍有80%存活。
實(shí)驗(yàn)小鼠之后30天內(nèi)的死亡主要與其造血系統(tǒng)和胃腸道損傷，和繼而引起的出血、感染有關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)照射前給予富氫溶液可以顯著減輕造血系統(tǒng)和胃腸道的輻射損傷，提高照后小鼠脾臟重量、內(nèi)源性脾結(jié)節(jié)形成、骨髓有核細(xì)胞數(shù)和外周血白細(xì)胞數(shù)，同時(shí)顯著緩解小腸上皮的組織損傷與白細(xì)胞浸潤。
最近，我們選擇對電離輻射極為敏感的睪丸來研究氫氣輻射防護(hù)作用的分子機(jī)制，我們發(fā)現(xiàn)電離輻射可以顯著提高照射時(shí)小鼠睪丸內(nèi)的·OH濃度，照射前給予氫氣可以顯著降低睪丸內(nèi)的·OH濃度，但在照射后給予氫氣時(shí)發(fā)現(xiàn)這種降低將不明顯，提示氫氣的輻射防護(hù)作用與其清除·OH的能力有一定關(guān)系。
富氫溶液不僅對急性放射損傷有良好的防護(hù)效果，對于電離輻射導(dǎo)致的纖維化也有顯著抑制作用，我們發(fā)現(xiàn)照射前飲用富氫水24小時(shí)，受照小鼠的心肌纖維化過程顯著減輕，說明氫氣可以緩解電離輻射后的慢性損傷。
Terasaki等也證明放療時(shí)呼吸2%的氫氣可以顯著抑制小鼠放射性肺纖維化的發(fā)展。另外有趣的是，我們通過與經(jīng)典抗輻射藥物WR-2721的對比研究發(fā)現(xiàn)，雖然氫氣的輻射防護(hù)效果較WR-2721弱，但當(dāng)氫氣與其聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，氫氣不僅可以提高WR-2721的輻射防護(hù)效果，而且可以使WR-2721的用藥量減少50%左右，從而降低WR-2721的毒副作用[待發(fā)表]。
目前國際上除WR-2721外，沒有其它抗輻射藥物被批準(zhǔn)應(yīng)用于人體，但WR-2721的諸多毒副作用卻嚴(yán)重限制其臨床應(yīng)用，氫氣的上述作用特點(diǎn)為輻射防護(hù)劑的發(fā)展帶來了新的希望]。Kang等在一隨機(jī)雙盲安慰劑對照實(shí)驗(yàn)中，觀察飲用富氫水對放療后患者生活質(zhì)量的影響，在49例接受放射治療的肝癌患者中，發(fā)現(xiàn)富氫水降低了血液中活性氧代謝產(chǎn)物，顯著提高放療患者生活質(zhì)量評分，但同時(shí)又不影響放療對肝臟腫瘤的殺傷效果。
炎癥是與氧化應(yīng)激緊密相關(guān)的常見基本病理過程，在炎癥組織中可以檢測到高濃度的活性氧，氫氣的選擇性抗氧化作用可以減輕炎癥反應(yīng)對機(jī)體組織細(xì)胞的損傷。
最初，Gharib等證明呼吸高壓氫氣對肝臟血吸蟲感染后的炎癥具有治療作用，在他們的動物模型中，高壓氫氣顯著抑制感染后肝臟的纖維化過程，改善肝臟血流動力學(xué)，提高動物機(jī)體的抗氧化能力，降低循環(huán)中TNF-α的水平。
但這項(xiàng)研究沒有展開任何后續(xù)工作，留下諸多疑問，例如，為何使用血吸蟲感染作為觀察對象，氫氣抗炎癥的分子基礎(chǔ)是什么，使用高壓氫氣在實(shí)際應(yīng)用中是否安全，等等，因此未得到學(xué)者們的重視。直到Ohsawa等的報(bào)道之后，有關(guān)分子氫對炎癥性疾病的防治作用的報(bào)道才真正引起大家的興趣，相關(guān)研究報(bào)道不斷出現(xiàn)，顯示氫氣在動物模型中可以顯著治療胰腺炎、肝炎、結(jié)腸炎、牙周炎、梗阻性黃疸和膿毒癥等炎性疾病。
例如，目前臨床上最有效的治療方法是應(yīng)用胰酶抑制劑，但治療費(fèi)用非常昂貴。Chen等使用腹腔注射富氫溶液的方法治療急性胰腺炎動物模型，發(fā)現(xiàn)氫氣可以減輕胰腺組織損傷，降低NFкb水平，減少細(xì)胞凋亡，并能促進(jìn)胰腺腺細(xì)胞的增殖，采用淀粉酶和氧化損傷指標(biāo)分別證明了氫氣對胰腺功能和氧化損傷均有明顯的改善作用。大部分實(shí)驗(yàn)證實(shí)，給予氫氣后炎癥病灶中的促炎癥因子的表達(dá)顯著下調(diào)，炎癥細(xì)胞的滲入顯著被抑制，IL-6、IL-12、TNF-α、γ干擾素(IFN-γ)等炎癥細(xì)胞因子濃度顯著下降。
再例如，長期血液透析誘導(dǎo)的慢性炎癥是尿毒癥患者預(yù)后不良的重要原因之一，但對其的治療手段卻十分有限，有人將氫氣溶解于血液透析液中，發(fā)現(xiàn)加氫氣的透析液對患者血壓控制效果良好，患者血液中代表炎癥反應(yīng)的單核細(xì)胞趨化蛋白-1含量和髓過氧化物酶活性顯著下降，能有效控制炎癥反應(yīng)。這項(xiàng)技術(shù)用于尿毒癥患者的透析治療，在不增加很多治療費(fèi)用的前提下，將為患者控制慢性炎癥帶來新希望。
值得注意的是，氫氣減輕炎癥的反應(yīng)除了與選擇性抗氧化作用有關(guān)以外，研究提示它還可能在調(diào)節(jié)細(xì)胞信號傳導(dǎo)和基因表達(dá)上發(fā)揮作用。Cardinal等在一項(xiàng)治療大鼠慢性腎炎模型研究中，給氫動物體內(nèi)有關(guān)炎癥的有絲分裂原激活蛋白激酶信號通路顯著被抑制，包括JNK、p38、ERK1/2等和一些上游的激酶級聯(lián)。
Itoh等發(fā)現(xiàn)口服富氫水可以緩解小鼠的急性皮膚過敏反應(yīng)(屬于Ⅰ型超敏反應(yīng))，證明在大鼠肥大細(xì)胞氫氣可以緩解FceRI相關(guān)的酪氨酸的磷酸化作用，抑制其下游的信號傳導(dǎo)，進(jìn)而抑NADPH氧化酶的活性，減少H2O2的生成。
他們隨后又報(bào)道口服富氫水可以緩解小鼠的風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(屬于Ⅱ型超敏反應(yīng))，在鼠類巨噬細(xì)胞，氫氣通過一氧化氮合酶途徑減少LPS/IFNc誘導(dǎo)的一氧化碳釋放，抑制LPS/IFNc誘導(dǎo)的凋亡信號激酶1的磷酸化作用，及其下游分子如p38、MAP、JNK和IкBa，提出氫氣可能影響炎癥細(xì)胞的信號，與CO相關(guān)信號通路之間可能有相互作用的觀點(diǎn)。Itoh等甚至提出氫氣可能是繼NO、CO和H2S后的又一氣體信號分子。
將來如果通過深入研究證實(shí)氫氣是一種新的信號分子，無疑將成為氫分子醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具的里程碑，可以更好的解釋氫氣廣泛的有效的治療作用。
氫氣的信號傳導(dǎo)通路也許是生物進(jìn)化過程中生物體系內(nèi)殘存的古老的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但遺憾的是上述研究均未發(fā)現(xiàn)氫氣潛在作用的直接靶點(diǎn)。關(guān)于氫氣對基因表達(dá)的影響，Nakai等使用基因芯片技術(shù)，發(fā)現(xiàn)口服富氫水四周后，大鼠肝臟中有548個(gè)基因上調(diào)和695個(gè)基因下調(diào)，基因組學(xué)分析顯示，包括羥基甲基戊二?；?coa還原酶等與氧化還原反應(yīng)相關(guān)的基因上調(diào)最為顯著。
Ueda等給早衰動物SAM/P-8飼養(yǎng)一種名為coral calcium hydride的供氫食品連續(xù)8周，對照動物為SAM/R-1，然后取動物海馬組織提取mRNA，進(jìn)行基因表達(dá)芯片分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)等基因受到較大影響。
氫氣對基因表達(dá)的影響結(jié)果是提高機(jī)體的抗氧化、抗凋亡和抗炎能力。這與已有的氫氣生物學(xué)效應(yīng)是主要影響氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)相符，但上述兩個(gè)有關(guān)氫氣基因組學(xué)的研究并不完善，例如均沒有使用PCR和Western等方法進(jìn)一步驗(yàn)證一些重要的基因，未來需要深入展開氫氣的蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)研究。
對代謝性和神經(jīng)退行性疾病的作用
一般代謝性疾病是指由于機(jī)體代謝異常而引起慢性疾病，如血脂異常、糖尿病、肥胖和高血壓等。
在氫氣對代謝性疾病影響方面，Ohsawa等證明apoE基因缺陷動物從出生開始喝富氫水，6個(gè)月后其動脈硬化情況顯著改善，隨后Song等發(fā)現(xiàn)氫氣可以促進(jìn)泡沫細(xì)胞釋放脂蛋白，同時(shí)減少脂蛋白的氧化水平。
另外，氫氣的抗氧化應(yīng)激作用對治療高血壓可能也有益，因?yàn)檠趸瘧?yīng)激是高血壓患者血管功能異常的重要因素，等發(fā)現(xiàn)雖然氫氣對實(shí)驗(yàn)動物的血壓變化無明顯影響，但卻可以改善自發(fā)性高血壓大鼠的血管功能異常，顯著降低血管的氧化損傷和炎癥反應(yīng)。
Kamimura等研究發(fā)現(xiàn)氫氣可以促進(jìn)肝臟糖原的聚集，在缺乏瘦素受體的db/db小鼠，證明氫氣可以治療動物Ⅱ型糖尿病，對高脂飲食引起的脂肪肝也具有治療效果，減輕肝臟氧化損傷，長期飲用富氫水可以在不減少食量的條件下降低動物體重，提示氫氣對糖尿病、代謝綜合征和肥胖具有潛在治療價(jià)值。
日常飲用富氫水安全無毒，易于應(yīng)用于慢性疾病的長期治療與維持，所以有不少關(guān)于氫氣治療代謝性疾病的初步臨床研究。
Nakao等在20名代謝綜合癥的患者中進(jìn)行初步研究，發(fā)現(xiàn)每天飲用1.5-2L富氫水8周后，人血液和尿液中的氧化指標(biāo)顯著改善，他們的研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)雖然簡單，但卻證實(shí)了氫氣對治療這類常見疾病的安全性和有效性。
Kajiyama等在30名Ⅱ型糖尿病患者中采用隨機(jī)、雙盲和安慰劑對照研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)連續(xù)飲用0.9L富氫水8周可以改善患者異常的糖代謝和脂代謝，發(fā)現(xiàn)富氫水可使血液中LDL，尿液中8-異構(gòu)前列腺素顯著降低。在6名糖耐量異常患者中，富氫水使4人的糖耐量恢復(fù)正常。該研究表明氫氣對人類糖尿病具有一定的治療作用。
Ito等采用隨機(jī)雙盲安慰劑對照，觀察了富氫水對線粒體病和炎癥肌病患者的治療效果，結(jié)果顯示給氫組病人雖然未明顯減輕臨床癥狀，但肌病患者(共10人)的乳糖/丙酮酸比例，和線粒體病患者(共12人)的血清基質(zhì)金屬蛋白酶3仍有顯著改善。
氫氣具有的特殊優(yōu)點(diǎn)(安全性、無毒性、有效性)使其有望在臨床治療中應(yīng)用，但由于其作用機(jī)理尚未完全明確，系統(tǒng)的完善的氫氣臨床試驗(yàn)仍必須進(jìn)行。
在帕金森病，黑質(zhì)內(nèi)多巴胺能神經(jīng)元丟失的主要原因之一被認(rèn)為是患者線粒體功能障礙和與之相關(guān)的氧化應(yīng)激。
Fu等使用6-羥基多巴胺建立大鼠帕金森病模型，證明飲富氫水可以保護(hù)腦內(nèi)黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元，減輕動物的行為學(xué)改變，從而治療帕金森病的發(fā)展與演進(jìn)。
隨后Fujita等又使用MPTP誘導(dǎo)的帕金森病，證明飲富氫水可緩解動物腦內(nèi)的氧化損傷，顯著減輕神經(jīng)的退行性變。
這兩項(xiàng)帕金森病的研究思路相近，但Fujita等的研究中重要發(fā)現(xiàn)是并不需要大劑量的給氫，只需要小劑量的(1.5ppm)持續(xù)的(8小時(shí)/天)給氫，即可有效達(dá)到對疾病的治療目的，而過去研究氫氣的人們從抗氧化的角度認(rèn)為氫氣的治療效果應(yīng)該與其濃度成正比，體內(nèi)氫氣濃度越高，對疾病的治療效果就應(yīng)該越好。
Fujita等的研究說明只要連續(xù)給藥，即使很低濃度也同樣有效果，此時(shí)體內(nèi)氫濃度與內(nèi)源性氫濃度十分接近，提示我們內(nèi)源性氫氣存在著一定的生理功能。
在阿爾茨默爾病，Sun等采用腦內(nèi)注射amyloidβ的實(shí)驗(yàn)動物模型，證明氫氣可以減輕腦內(nèi)氧化應(yīng)激水平，降低IL-6和TNF-α等炎癥細(xì)胞因子的濃度，減輕動物的行為學(xué)改變，他們的研究認(rèn)為氫氣可能是通過抑制信號分子JNK和NFк-B發(fā)揮抗氧化和抗炎癥作用。
阿爾茨默爾病是當(dāng)前老年病研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，抗炎癥是未來阿爾茨默爾病的一條有希望的治療方向，若能有臨床試驗(yàn)支持氫氣的療效，將是這一領(lǐng)域的重要進(jìn)展。
目前的研究主要集中在氫氣對化療藥物和抗生素的影響上，發(fā)現(xiàn)氫氣可以減低一些藥物的毒副作用。
順鉑是對肉瘤、惡性上皮腫瘤、淋巴瘤及生殖細(xì)胞腫瘤都有治療功效的常用化療藥物，它的副作用很多，包括腎臟毒性、耳毒性、神經(jīng)毒性和惡心嘔吐等，氧化應(yīng)激是順鉑產(chǎn)生毒副作用的重要原因。
Nakashima等報(bào)道氫氣可以在不影響化療效果的前提下，減輕順鉑誘導(dǎo)的腎臟的氧化損傷，減少細(xì)胞凋亡，降低實(shí)驗(yàn)動物血肌酐和尿素氮水平；Murase等應(yīng)用CT和MRI研究證實(shí)了氫氣減輕順鉑引起的腎臟毒性的效果，與之前的病理學(xué)、功能學(xué)研究結(jié)果一致。
隨后，Qu等通過腹腔注射順鉑16mg/kg制備動物模型，給實(shí)驗(yàn)動物呼吸含2%氫氣的空氣，應(yīng)用聽覺腦干誘發(fā)電位評價(jià)聽力功能，Phalloidin染色觀察聽毛細(xì)胞病理變化，檢測血清和內(nèi)耳組織氧化損傷指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)氫氣可以顯著降低順鉑導(dǎo)致的聽力下降，減輕耳蝸聽毛細(xì)胞的組織學(xué)損傷，減輕順鉑誘導(dǎo)的耳蝸聽毛細(xì)胞的氧化損傷。
氫氣減輕藥物誘導(dǎo)損傷的機(jī)理是氫氣緩解由藥物誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，有趣的是，如順鉑類化療藥物發(fā)揮抗癌作用的方式就是其產(chǎn)生的細(xì)胞毒性，而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氫氣可以減輕這些藥物的毒副作用，但竟然不會影響到藥物本身對腫瘤的治療作用，暗示氫氣減輕藥物毒副作用的機(jī)理并非抗氧化這一單獨(dú)方式。
慶大霉素是氨基糖苷類抗生素，能與細(xì)菌核糖體30s亞基結(jié)合，阻斷細(xì)菌蛋白質(zhì)合成，但對于腎功能不全者或長期用藥者應(yīng)進(jìn)行藥物監(jiān)測。Murase等研究發(fā)現(xiàn)氫氣能通過減輕動物腎皮質(zhì)內(nèi)氧化損傷來降低慶大霉素誘導(dǎo)的腎毒性。
除此之外，我們在研究中發(fā)現(xiàn)，氫氣可以在不降低WR-2721輻射防護(hù)效果的前提下，大大減少WR-2721的用藥量，從而降低藥物的毒副作用[待發(fā)表]。
WR-2721是目前美國FDA唯一認(rèn)可的輻射防護(hù)劑，它的作用機(jī)理是通過體內(nèi)代謝為WR-1065后釋放出巰基而起到自由基清除劑的作用，氫氣與WR-2721協(xié)同作用的機(jī)理目前尚不明確，但這種協(xié)同作用將為臨床上更安全有效的應(yīng)用WR-2721創(chuàng)造條件。
多國學(xué)者的研究證實(shí)，氫氣能清除?OH和ONOO-，可以減輕細(xì)胞和組織的氫氣損傷，對多種傷病具有較好防治作用。
氫氣選擇性清除?OH和ONOO-的特點(diǎn)及其抗氧化效應(yīng)，在對這些疾病的防治作用中發(fā)揮了作用。但隨著研究的深入，國內(nèi)外學(xué)者在分析氫氣對一些疾病的防治作用時(shí)感到十分困惑，許多現(xiàn)象難以解釋。
例如，Wood等學(xué)者提出質(zhì)疑，外界給予的氫氣的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有機(jī)體內(nèi)還原性物質(zhì)的含量，氫分子與羥自由基發(fā)生反應(yīng)的速率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于體內(nèi)還原性物質(zhì)，難以解釋在如此低的反應(yīng)速率下少量氫氣依然可以起到清除自由基和表現(xiàn)出顯著的抗氧化作用這一現(xiàn)象。
還有，在肝炎、胰腺炎、結(jié)腸炎、阻塞性黃疸、以及敗血癥等發(fā)病機(jī)理中，?OH和ONOO-并非是主要的致病因子，氫氣為什么對它們也有很好的防治作用；再有，進(jìn)入體內(nèi)的氫氣經(jīng)代謝途徑很快(15min左右)排出體外,但對疾病的防治作用卻非常顯著和持久，為什么分子氫在體內(nèi)停留時(shí)間非常短暫，但是它對多種傷病的防治作用卻非常高效和持久；這些問題的存在，一定程度上制約了氫氣由實(shí)驗(yàn)研究向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化。
對于氫氣在濃度低和反應(yīng)速率低的情況下依然可以發(fā)揮抗氧化作用的問題，我們結(jié)合?OH與生物分子相互作用的特點(diǎn)和分子氫的擴(kuò)散能力分析認(rèn)為，·OH與生物分子反應(yīng)時(shí)需要與生物分子直接緊密地接觸，而水分子是生物體內(nèi)含量最豐富的物質(zhì)，在·OH與生物分子結(jié)合前，·OH必須穿過由水分子構(gòu)成的天然屏障與生物分子相結(jié)合，才會對生物分子造成損傷。氫氣與·OH反應(yīng)有其優(yōu)勢，原因在于其分子量小，在生物介質(zhì)中擴(kuò)散性極高，相比機(jī)體內(nèi)的其他還原性物質(zhì)分子，氫氣可以更好的突破水分子層與·OH發(fā)生反應(yīng)。
簡而言之，誰越容易接觸·OH，誰就將更順利的和·OH發(fā)生反應(yīng)。這些邏輯推理，在一定程度上解釋了氫氣雖濃度低和反應(yīng)速率低，但依然可以通過清除自由基表現(xiàn)出顯著的抗氧化作用這一現(xiàn)象。
對于氫氣生物學(xué)效應(yīng)分子機(jī)制中存在的其他疑問，我們和國內(nèi)外一些學(xué)者的近期研究強(qiáng)烈提示，氫氣極有可能還有未知的重要作用機(jī)制。
氫氣可能具有影響某些信號傳導(dǎo)途徑的作用。Itoh T等認(rèn)為富氫水緩解小鼠急性皮膚過敏反應(yīng)的機(jī)理可能與抑制肥大細(xì)胞FceRI介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)有關(guān)；氫氣緩解小鼠風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎可能與抑制LPS/IFNc誘導(dǎo)的凋亡信號激酶1的磷酸化有關(guān)，或與一氧化氮相關(guān)信號通路之間有相互作用。
Song G等的報(bào)道也提示氫氣可以通過影響信號分子JNK和NFк-B發(fā)揮抗氧化和抗炎癥作用。氫氣的生物學(xué)作用也可能與改變某些基因表達(dá)有關(guān)。
Nakai等發(fā)現(xiàn)口服富氫水四周后，大鼠肝臟中有數(shù)百個(gè)基因上調(diào)或下調(diào)，又以與氧化還原反應(yīng)相關(guān)的基因變化最為顯著；Ueda等發(fā)現(xiàn)給動物飼養(yǎng)供氫食品，連續(xù)8周后細(xì)胞死亡、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等基因受到較大影響；
Song G等研究顯示，氫氣能通過影響內(nèi)皮細(xì)胞NFк-B活性抑制腫瘤壞死因子誘導(dǎo)的凝集素樣氧化LDL受體1表達(dá)，促進(jìn)泡沫細(xì)胞釋放脂蛋白，同時(shí)能減少脂蛋白的氧化水平；Kamimura等研究發(fā)現(xiàn)氫氣治療二型糖尿病的機(jī)理，可能與氫氣能提高肝臟的一種能夠促進(jìn)脂肪酸和葡萄糖的利用重要激素—成纖維細(xì)胞生長因子21(FGF21)的表達(dá)水平有關(guān)。氫氣的抗氧化效應(yīng)還可能有其他重要作用途徑。
Hiraok等實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)氫氣不能直接中和活性氧，但能間接通過影響生物酶活性發(fā)揮“抗氧化”的效應(yīng)，認(rèn)為氫氣可能沒有直接抗氧化作用，Keit等實(shí)驗(yàn)顯示氫氣可能具有催化氧化還原反應(yīng)的氫化酶活性的作用；Naka等提出氫氣抗炎癥的作用與抗氧化酶HO-1作用的增強(qiáng)有關(guān)系。
另外，最近Dick等對業(yè)內(nèi)目前氧化應(yīng)激的某些共識提出懷疑，認(rèn)為一些疾病中氧化損傷的作用可能被夸大。例如動脈粥樣硬化和冠心病、帕金森和阿爾茨默爾病等神經(jīng)變性疾病、腫瘤或老齡化進(jìn)程本身，在一定程度上被認(rèn)為是由氧化性應(yīng)激引起或加速其進(jìn)展的。
然而，到目前為止，沒有人能直接證明一個(gè)活體內(nèi)的氧化性改變，而且也不能證明這些改變與疾病進(jìn)展中的關(guān)系，氧化損傷在這些疾病發(fā)生發(fā)展中不是主要的因素，僅僅是不確定的或間接的觀察到氧化過程確實(shí)發(fā)生在組織中。
但是，許多研究發(fā)現(xiàn)氫氣在這些疾病中治療效果十分顯著，僅僅用氫氣具有選擇性抗氧化作用來解釋其防治機(jī)制顯然難以令人信服。
綜合氫氣生物學(xué)效應(yīng)分子機(jī)制研究的現(xiàn)有報(bào)道可以看出，氫氣通過抗氧化、抗凋亡和抗炎的作用防治疾病的現(xiàn)象被普遍認(rèn)可，其作用機(jī)理可能是多方面的。
除了抗氧化，抗凋亡和抗炎作用機(jī)理開展了一些研究，有了部分明確的解釋以外，其它如調(diào)節(jié)細(xì)胞信號傳導(dǎo)和基因表達(dá)等機(jī)制的研究均較簡單，只有一些提示性的研究結(jié)果，尚未有明確的結(jié)論。
近五年，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，氫氣對缺血再灌注、電離輻射和炎癥損傷等多種疾病具有十分顯著的防治作用。
不少人認(rèn)為氫氣很可能是繼NO、H2S和CO之后的又一具有重要生物活性的氣體分子，加之由于尚未發(fā)現(xiàn)氫氣有任何毒副作用，它在疾病防治方面可能具有獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢。
但是，目前絕大部分研究集中在氫氣防治疾病的現(xiàn)象觀察層面，對其作用機(jī)理研究基本處于起步階段，了解甚少，許多現(xiàn)象還難以解釋。
另外，有關(guān)氫氣安全、無明顯毒副作用的認(rèn)識，主要來自潛水醫(yī)學(xué)中應(yīng)用高壓氫氣對人體無明顯影響的理論推斷，未見系統(tǒng)的生物安全性評價(jià)研究報(bào)道。這些問題的存在，制約了氫氣由實(shí)驗(yàn)研究向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化發(fā)展。
鑒于當(dāng)前氫氣作用機(jī)制和安全評價(jià)方面的研究不足，氫氣的人體臨床試驗(yàn)還應(yīng)慎重。今后的研究重點(diǎn)應(yīng)放在氫氣防治疾病的作用機(jī)理方面，探討氫氣除了抗氧化作用以外的其他重要機(jī)制，包括它對細(xì)胞影響信號通路或基因表達(dá)等的影響，與抗氧化反應(yīng)相關(guān)生物酶的作用，對除·OH和ONOO-之外其他重要自由基的作用，等等；
還需要開展氫氣的毒理學(xué)評價(jià)研究，尤其是長期使用氫氣的安全性或短期使用高濃度氫氣對機(jī)體健康的遠(yuǎn)期影響。以促進(jìn)氫氣生物效應(yīng)研究盡早由實(shí)驗(yàn)室向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化，推動該方面基礎(chǔ)研究向科學(xué)前沿深入發(fā)展。
注：本文轉(zhuǎn)自《氫思語》 作者：解放軍第二軍醫(yī)大學(xué)海軍醫(yī)學(xué)系教授孫學(xué)軍
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