氫氣生物學機制的研究進展

林賢豐，趙晨晨，金可可

（溫州醫科大學 病理生理學教研室，浙江 溫州 325035）

2007年，Ohsawa等[1]通過建立大鼠腦缺血再灌注模型，首次發現氫氣具有選擇性中和氧自由基的功能。在抗氧化作用的基礎上有學者提出氫氣可能在緩解炎癥反應、抑制癌細胞生長、減輕電離輻射損傷等方面有一定作用[2-4]。本綜述對氫氣分子的四大生物學作用機制進行了歸納整理，以期全面系統地認識氫氣的生物學機制。

1 氫氣傳統的生物學應用

氫是世界上分子量最小、最豐富的元素，約占整個宇宙質量的90%。氫氣是一種無色無味的雙原子氣體，氫氣密度小，在標準大氣壓下密度僅為0.0899 g/L，難溶于水，比熱大，擴散速度快。氫氣的化學性質活潑，無毒無害，具有可燃性。氫氣還具備一定的還原性，能與氧化劑發生反應，但其還原能力較弱。

氫氣作為潛水呼吸的遞質性氣體，具有資源豐富、價格低廉、呼吸阻力小等特點，因而被認為是中等深度或大深度潛水的理想遞質，廣泛運用于潛水領域。人們發現氫氣在體內可由腸道細菌發酵代謝產生，當胃腸道功能障礙時，由于過多的碳水化合物未經吸收就到達結腸，使腸道細菌發酵產氫增加，進入血液的氫氣可經循環系統到達肺部呼出。有學者通過檢查患者呼出氣體中氫氣濃度的變化來檢測胃腸道功能，首次建立了氫呼氣試驗（hydrogen breath test，HBT）[5]。HBT作為一種無創性的胃腸動力檢測方法可運用于乳糖（蔗糖）吸收不良、小腸細菌過度生長、胃排空障礙、小腸傳遞時間等一系列胃腸道功能狀態的判斷。此外，氫氣可以有效地抑制高壓神經綜合征（high pressure nervous syndrome，HPNS），高壓氫氣還具有麻醉作用[6]。

2 氫氣現代的生物學應用

2.1 氫氣的抗氧化作用 自由基是含有未成對電子的原子、原子團或分子，包括·OH、O2-等，他們是維持正常生命所必需的物質，自由基反應是能量代謝的基礎，部分自由基還是細胞內重要信號分子，也是生物大分子、細胞的危險殺手[7]。正常生理狀態下，體內自由基不斷產生又不斷被清除，達到一個動態平衡。當氧化反應增強和/或抗氧化能力受損時，氧化還原反應的動態平衡遭到破壞而向著有利于氧化損傷的方向發展，即產生氧化應激（oxidative stress，OS）。氧自由基（reactive oxygen species，ROS）占體內自由基的絕大多數，可導致脂質、蛋白、DNA和RNA的氧化損傷，引起致生理機能紊亂和細胞形態的損害。

近幾年國內外研究發現氫氣可作為一種還原性氣體參與中和體內的氧自由基，并且選擇性中和·OH、ONOO-，而不影響其他介導正常生理過程的ROS，如O2-、H2O2等。Ohsawa等[1]通過建立因缺血-再灌注（ischemiareperfusion，I/R）而引起強烈氧化應激的腦部損傷大鼠模型，讓實驗鼠吸入2%的氫氣，結果顯示腦部氧化應激水平顯著降低，I/R損傷得到緩解。該項研究證明氫氣可中和體內毒性大的氧自由基如·OH和ONOO-，而對其他氧自由基沒有影響。因此認為，選擇性抗氧化作用是氫氣治療腦I/R損傷的基礎。Fukuda等[8]通過夾閉肝左葉和左中葉血供，建立大鼠肝I/R模型，吸入1%～4%的含氫氣體，發現氫氣可以有效抑制肝細胞凋亡，同時檢測到血清中谷丙轉氨酶和丙二醛（malondialdehyde，MDA）均有所下降。繼氫氣在腦、肝臟缺血再灌注研究之后，Hayashida等[9]將離體心臟放入100%氫氣的環境中40 min，結果表明氫氣可以迅速擴散到缺血心肌中，減小心肌梗死壞死的面積，從而防止有害的心室重構，促進心室功能的恢復。此后又有腸[10]、肺[11]、睪丸[12]等I/R模型出現，這些實驗均在一定程度上證明氫氣的抗氧化效應。

近年來越來越多的研究提示氫氣在治療神經系統疾病上可能具有一定效果。Fu等[13]通過紋狀體內注射6-OHDA建立帕金森大鼠模型，立體定位前后分別給予半飽和富氫水，觀察大鼠帕金森病是否得到改善。結果顯示，氫氣可減少多巴胺能細胞的損失。進一步研究發現，氫氣是緩解6-OHDA引起的氧化應激損傷來保護多巴胺能神經元，而不是直接與6-OHDA起作用。Li等[14]通過腦室內注射β樣淀粉蛋白建立大鼠阿爾茨海默病模型，連續腹腔注射氫水14 d，觀察腦組織氧化應激情況，結果顯示MDA、IL-6和TNF-α指標顯著下降，同時水迷宮測試證明大鼠記憶、運動功能明顯改善。Oharazawa等[15]在其他神經損傷方面也做了嘗試，研究者在眼球表面滴飽和含氫水，可緩解視網膜損傷引起的脂質過氧化和DNA的氧化反應，而且能夠抑制炎癥細胞的激活。

氫氣在抗氧化的同時還可減少細胞凋亡。Ge等[16]在I/R大鼠模型腦室內注射2%的氫氣，運用TUNEL染色，發現凋亡的神經細胞明顯減少，皮質和海馬中的caspase-3和caspase-12活性明顯下降，這表明氫氣可以通過抑制神經細胞凋亡發揮保護腦的作用。另外，研究證明氫氣還可以減少聽神經和視網膜神經的凋亡[17-18]。

2.2 氫氣的抗感染作用 清除ROS被認為是緩解炎癥反應最根本的方法[19]。與其他抗氧化的物質相比，氫氣能夠輕易通過細胞膜和細胞器膜，到達所需部位進行還原反應，有選擇性地清除ROS。同時由于其本身性質不活潑，因此不會造成機體生理功能的損傷和新陳代謝的紊亂[1]。與其他的抗氧化劑相比，氫氣還能顯著地降低脂質過氧化作用[20]。

Gharib等[21]證明呼吸8個大氣壓高壓氫氣可治療肝血吸蟲感染引起的炎癥反應，實驗結果顯示氫氣能降低肝纖維化，改善血流動力學，增加一氧化氮合酶II（NOSII）及抗氧化酶活性，降低脂質過氧化物濃度，降低血漿中TNF-α水平。該實驗首次證明氫氣具有抗感染作用，并提出氫氣與羥自由基直接反應是治療炎癥損傷的基礎。Buchholz等[20]在小腸移植手術中給予捐獻者和受捐者氫氣治療，以減輕手術造成的胃腸運動遲緩和空腸肌肉循環性收縮的衰竭，并通過測定炎癥遞質，如CCL2、IL-1b、IL-6以及TNF-α含量觀察氫氣的治療效果，結果表明上述炎癥遞質明顯減少。另外，在給予氫氣治療的患者肺組織中發現：炎癥性的rnRNA電磁反應顯著降低，并且中性粒細胞增殖減弱。Zhang等[22]的局部心肌I/R大鼠模型，以是否在實驗大鼠喂養的鹽水中添加氫氣為變量設置對照組，通過測定炎癥反應、梗死面積，心肌功能，得出氫氣能夠減輕局部心肌I/R損傷的結論。該實驗結果顯示氫氣能夠通過緩解由I/R引起的ICAM-1濃度增加，抑制炎癥細胞活性，減少白細胞與受損心肌層的黏附從而減少心肌損傷，并通過降低炎癥反應中的重要因子ONOO-的含量以減輕炎癥反應。同時，經過氫氣治療的大鼠體內TNF-α、IL-1b和MPO的濃度以及多核中性粒細胞數量降低，達到了減緩炎癥反應的作用。

2.3 氫氣的抗腫瘤作用 腫瘤細胞較正常細胞可產生更多的活性氧，預示細胞的增殖、DNA的合成以及血管生成等，并且氧自由基作為第二信使在細胞內信號傳導中扮演重要角色，可誘導和維持癌細胞的致癌能力。

氫氣作為一種抗氧化劑具備選擇性中和氧自由基的功能，其在治療腫瘤疾病方面的潛力引起了醫學界的關注。Dole等[23]建立了患有鱗狀細胞癌的白化無毛小鼠模型，實驗將小鼠暴露在由2.5%的氫氣和97.5%的氧氣組成（氣體總壓相當于8個大氣壓強）的混合氣體中長達2周，用以觀察氫氣是否能作為一種自由基衰退催化劑緩解皮膚腫瘤，事實證明氫氣具備該功能。Saitoh等[3]用由微孔氣體鼓泡制備的富氫水輔以由0.003～1 ppm的白金和PVP聚合物組成的白金納米膠體（platinum nano colloid，Ptnc），觀察兩者結合對治療舌癌的影響。結果顯示，富氫水結合Pt-nc能降低人體舌上皮惡性腫瘤細胞形成速率和腫瘤細胞群的大小，其作用效果優于單獨運用富氫水、Ptnc或者PVP聚合物。此外，實驗還證明富氫水結合Pt-nc可通過抑制細胞線粒體功能、減少細胞數量而達到抑制肝星狀細胞-4高密度細胞群的效果。

2.4 氫氣的抗輻射作用 研究表明，輻射生物損傷的根本原因是自由基，但輻射引起的自由基與身體自身產生自由基的方式是不同的，核輻射具有電離、激發等特性，使被照射物質的原子、分子產生自由基。自由基增加引起各種生物化學反應，研究發現67%的DNA和細胞脂質的損傷由自由基引起的致電輻射誘導形成，此外自由基還破壞谷胱甘肽和酶等內源性抗氧化防御系統的平衡。研究者根據氫氣具備選擇性抗氧化功能，推測其能作為一種抗輻射劑對抗自由基引起的致電輻射。

Liu等[4]根據氫氣具有選擇性抗氧化作用結合輻射損傷的基本原理是輻射引起的自由基損傷這一結論，提出氫氣可以治療各種急性輻射并發癥的假說。Qian等[24]通過設置富含氫氣緩沖劑培養的細胞與正常細胞兩個組對照，觀察輻射后細胞發生的各項生理指標變化。結果顯示經富含氫氣緩沖劑培養的細胞較未經處理的細胞具有更強的存活能力，乳酸脫氫酶的滲出低且相對正常細胞的凋亡壞死率低，同時實驗發現氫氣處理的緩沖劑能夠改善機體內生抗氧化系統，還可以明顯降低因輻射而導致的脂質過氧化反應和核DNA氧化。Qian等[25]還在另一項實驗中證明氫氣具有保護電離輻射損傷的心肌細胞功能。該實驗結果顯示氫可以降低心肌MDA和8-羥基脫氧鳥苷的含量，增加心肌內源性抗氧化劑，從而保護心肌免受輻射引起的損傷。

3 氫氣的未來展望

目前氫氣作為一種特異性的抗氧化劑被廣泛的運用于各種疾病模型的研究，其抗氧化、抗感染、抗腫瘤及防止輻射損傷等一系列生物學效益漸漸得到證實[26]。然而目前對于氫氣的分子層面研究還相對較少，氫氣特異性作用于哪些細胞內靶位點還不清楚。而且最近有學者指出氫氣的這一系列生物學效益可能并不是其抗氧化作用，而是作為一種細胞內信號傳導分子特異性作用于某些信號通路[27]。

氧化應激反應是許多疾病的共同發病機制，氫氣作為抗氧化劑被廣泛的用于治療缺血再灌注、炎癥、慢性疼痛等病理改變，在心血管系統、神經系統、消化系統、泌尿系統均有大量的有關這些方面的動物模型研究，而當前臨床研究[26，28]甚少。所以需要更多的臨床試驗以便探索氫氣合適的給藥時機、方式、劑量及藥物療效等，相信大規模的臨床試驗研究將對進一步明確氫氣的生物學效應及其機制具有重要的意義。

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