氫對心肌缺血再灌注損傷保護作用相關機制研究進展

劉宣辰 劉福林

【摘要】心肌缺血再灌注損傷是建立體外循環手術后的常見并發癥，關于治療這種并發癥的方法是當下的研究熱點。氛醫學研究作為近些年剛興起的研究，其在動物實驗中表現出的對于心肌缺血在關注損傷的保護作用也受到廣泛關注。本文就氫對心肌缺血再灌注損傷保護作用相關機制研究進展作一綜述。

【關鍵詞】氫；MIRI；保護作用；綜述

1 前言

心肌缺血再灌注損傷（myocardialischemia reperfusion injury，MIRI）是圍手術期最常見、最嚴重的病理生理現象，嚴重影響著病人的預后。如何治療心肌缺血再灌注損傷已經成為醫學上研究的重點。MIRI的產生主要歸因于ROD的產生。有研究表明，抑制線粒體呼吸鏈酶復合物（mitochondrial respiratory complex Ⅰ and Ⅲ）可以減少ROS產生。但臨床上沒有效方法可以通過減少ROS的產生來控制MIRI。有研究顯示。氫可以有效地抑制腸道、肝臟、心臟缺血再灌注引起的氧化應激反應[1]。但是其具體作用尚不清楚，本文就近些年來對于氫作用的研究進展作一綜述。

2 氫的抗氧化應激的功能

氧化應激反應是機體內部抗氧化和氧化兩個過程失衡的一種表現，而且更加傾向于氧化。這會造成受損組織各種炎性細胞浸潤，蛋白酶滲出增多。目前認為，氧化應激反應是由自由基ROS增多引起來的。大量增多的ROS引起組織損傷，這也是業內普遍認可的引起生物體衰老死亡的主要原因。氧化應激反應是ROS活性過高的病態表現，很多心血管疾病與氧化應激有關。最近研究顯示，抑制MIT呼吸鏈抑制ROS的產生可以有效減輕再灌注損傷，提高細胞活力。

在MIRI中的缺血期和再灌注期均可有ROS產生，尤其是再灌注期生成量最大。ROS可以直接損傷細胞膜和胞內各種細胞器，這可以導致心肌細胞壞死。ROS也可以激活凋亡信號通路引起心肌細胞凋亡。減輕氧化應激反應是保護心臟功能的重要方法。

發生氧化應激反應時會有大量的超氧化物自由基（O2-），超氧化物自由基（O2-），過氧化氫（H2O2），高毒性的羥自由基（·OH）、硝基自由基（·ONOO-），高毒性的羥自由基（·OH）、硝基自由基（·ONOO-）產生。超氧化物自由基和過氧化氫毒性較低，參與了機體很多重要的生物進程，羥自由基和硝基自由基毒性高，它們主要導致了氧化應激反應的發生。

在人體內，活性簇不斷發生著生成和清除兩個過程，是一個動態平衡的過程，但體內含量不會很多。只有某些病理情況出現時，比如再灌注損傷、炎癥反應，過量的活性簇會大量釋放，加重組織損傷。活性簇的產生也是缺血再灌注損傷的重要條件之一。除此之外，活性氧自由基會加強一些趨化因子表達，會使免疫細胞在病灶富集，加劇炎癥反應[2]。

氫是一種很好地清除ROS。07年，有日本學者研究發現，讓實驗動物呼吸一定濃度的氫氣可以明顯改善腦缺血再灌注損傷，其機制可能和其選擇性清除活性氧自由基ROS有關。經過更為細致的研究，人們發現溶解在生理鹽水中的氫可以中和·OH和·ONOO-，這兩種物質是導致缺血I/R損傷最主要的物質。如果不能及時清除這兩個物質會導致很多疾病的發生。隨后這組研究員使用肝缺血再灌注模型和心肌缺血再灌注在體實驗模型證實了呼吸混合有一定濃度氫的氣體可以有效減輕缺血再灌注損傷。

跟氧相比，分子氫可以輕松穿越細胞膜，這比其他抗氧化劑更具優越性，因為其他抗氧化劑大都無法穿越細胞膜。除此之外，氫氣可以和ROS發生反應，清除其選擇性和有效性。一些研究人員發現，氫對于·OH等物質選擇性降低，對于大多數有細胞毒性的ROS均具有清除作用，可以有效防止器官損傷，比如心肌缺血再灌注損傷。這說明氫可以用于預防性治療MIRI。

劉雪聰等研究發現氫氣飽和生理鹽水可以降低心肌中丙二醛的含量，提高超氧化物歧化酶的活性，抑制ROS產生。在之前的研究報道中提到在再灌注期開始時，氫抑制活性氧自由基ROS的產生，保護了膜電位，維持ATP生成量，保護了染色體免受破壞，減小了脂質過度氧化。這些作用保護了心臟免受損傷。

目前的實驗研究大多為離體實驗研究，大量的數據顯示氫具有一定的選擇性抗氧化作用，但是在體證據極少[3]。氫在體內是否還有很強的抗氧化作用還有待進一步實驗驗證。

3 抑制細胞凋亡

細胞為了維持內環境穩定，在生長過程中，由凋亡基因與編碼的蛋白所控制的程序性死亡的過程稱為細胞凋亡，這是自然界普遍存在的現象。細胞凋亡不同于細胞壞死，凋亡是一種主動地死亡過程，而壞死是一種非自然死亡過程，是被動的。凋亡是在生長發育繁殖的過程中細胞出現的程序性死亡過程。

在MIRI過程中，心肌細胞凋亡是存在的，這兩者是一種相互關聯、相互滲透的過程，密不可分。M]RI中有心肌細胞凋亡的參與，同時MIRI也會加速心機細胞凋亡。

3.1 Caspase蛋白

氧化應激反應和炎癥均可以激活Caspase蛋白，它是觸發細胞凋亡信號通路的關鍵蛋白。Caspase蛋白與細胞凋亡密切相關。其中caspase3蛋白在目前被認為是細胞凋亡過程中的關鍵酶，通過檢測這種蛋白可以了解凋亡是否發生，所以這種蛋白也是凋亡發生的標志蛋白。它既可以執行凋亡過程也是凋亡的效應分子。Caspase蛋白可以激活核酸內切酶、抑制DNA修復、瓦解骨架蛋白進而引起細胞死亡。有學者在動物實驗中發現，在MIRI發生5min前腹腔注射富含氫氣的水溶液可以抑制Caspase蛋白的激活，從而降低了心肌細胞的凋亡。近些年來，很多研究都表明分子氫可以下調Caspase 3蛋白的水平，減輕MIRI損傷。這說明抑制Caspase-3的表達和激活可以降低心肌細胞的凋亡，減輕MIRI損傷。

3.2 Bcl-2

原癌基因Bcl-2具備抑制細胞凋亡的功能[4]。已知的Bel蛋白家族中，有些可以抑制細胞凋亡比如X系列蛋白，有些相反能夠加速凋亡，比如Bax蛋白、Bad蛋白等。這些控制凋亡的很多是相互制約、相互平衡的蛋白。其中Bel-2與Bax蛋白可以相互制約、相互平衡，兩者一起控制細胞凋亡。Bax蛋白的激活表達可以抑制Bcl-2蛋白對心肌細胞的保護效應。caspase-3蛋白和Bcl-2蛋白也是相互制約的關系。這種相互牽制的關系維持了新陳代謝的正常進行，這些蛋白在其中發揮的效應是不可替代的。很多動物實驗的研究數據表明，富含氫氣的水溶液可以通過調節Bcl系列蛋白、Bad蛋白、Bax蛋白的表達來抑制MIRI中心肌細胞的凋亡。

總的來說，各種實驗研究的結果都顯示：氫具有抗心肌凋亡的作用，尤其是將氫氣溶解于水中，雖然溶解度很低，但是微量高效，可以明顯抑制MIRI損傷的發生。氫制劑可以通過上調Bcl系列蛋白家族的表達，下調Bax、Caspase系列蛋白的表達來降低細胞凋亡率。

在MIRI發生時應該制定出有效的方法來抑制凋亡蛋白的激活表達，增強抗凋亡蛋白的表達，這樣才能有效抑制細胞凋亡，保護心臟免受MIRI損傷危害。當然，MIRI發生過程中細胞凋亡發生的原因仍然是個謎，我們需要進一步研究，明確凋亡的發生機制，為氫制劑應用于臨床提供理論依據。

4 總結與展望

MIRI損傷嚴重威脅著人類的健康，但是其具體機制仍然不清楚。隨著經皮冠狀動脈介入手術的不斷發展以及一些抗血栓藥物不斷被開發出來，MIRI的治療水平也在不斷提高。然而，現在臨床上還沒有有效治療MIRI的方法，這制約著冠心病手術的發展。

氫作為人體重要的物質，也是宇宙中最簡單的元素，來源于生物體內部氣化的過程和從大氣中吸入。人體的氫大多是由消化道內一些產氫細菌微生物產生。氫也可以像糖類、脂肪、蛋白質一樣產生能量，只不過產生量很少。多余的部分氫氣可以轉化為脂肪等物質。

目前醫學界普遍認為自由基ROS的產生是導致MIRI損傷的主要原因。大量動物實驗證明氫可以有效中和ROS，對于氧化應激疾病和一些其他再灌注損傷疾病具有良好的治療和預防作用。氫作為非極性物質，不能直接被人體吸收，目前實驗中大多使用富氫水將氫導入體內，即富含氫氣的水溶，從而對ROS起到還原的效果。

富氫水是一種簡單、有效、安全、新穎的保護心臟免受MIRI損傷的方法。但是目前這種新型藥物仍處在實驗室階段，處在動物實驗研究的階段，距離推向臨床還有很長一段路要走。不過在不久的將來，通過國內外學者的不斷研究，氫注定會走向臨床。

（通訊作者：劉福林）

參考文獻

[1]連瑞珍.內皮功能障礙、氧化應激與心肌缺血再灌注損傷[J].疾病監測與控制，2013，7（07）：416-419.

[2]馬菲菲，譚永星，林高翔.氫氣治療心肌缺血-再灌注損傷相關機制的研究進展[J].廣東醫學，2014，35（03）：469-470.

[3]劉穎，孫強，張威等.氮氣飽和生理鹽水對大鼠腦缺血再灌注損傷的保護作用[J].第二軍醫大學學報，2010，31（03）：238-241.

[4]邵文生，王江，王帆帆.HMGB-1在肝缺血再灌注損傷中的作用及其與細胞凋亡的關系[J].中國現代普通外科進展，2016，19（03）：175-178.