氫氣對缺血再灌注心肌代謝的影響

李翔子，孫曉宇，李良同，劉福林 綜述，周玉娟 審校

(1.河北大學醫學院，河北保定 071000;2.河北大學附屬醫院科研處，河北保定 071000)

氫元素是人體和許多生命機體的基本元素，是地球生命起源的關鍵能量分子，在真核生物進化過程中發揮關鍵作用，同時它也是宇宙中含量最多的一種氣體。氫氣作為一種相對分子質量極小的氣體，能夠輕易地進入生物體細胞內的任何位置，為作用于機體提供了一個十分重要的前提。氫氣是一種類似于一氧化氮(NO)、硫化氫(H2S)、一氧化碳(CO)等的新型的具有生物活性的氣體，它對多種疾病都有治療作用。OHSAWA等[1]是最先研究并發現氫氣醫學作用的學者，他們發現氫氣具有較強的抗氧化作用，腦缺血再灌注損傷模型大鼠呼吸少量氫氣 (2%，35 min)后，大鼠大腦內氧化損傷終產物被有效清除，大鼠腦缺血后腦梗死體積明顯減小。隨后，更多的學者對氫氣進行了研究，發現其對各類組織器官缺血再灌注損傷、動脈硬化、癌癥、糖尿病等都具有很好的療效[2]。本文就氫氣對缺血再灌注后心肌代謝的影響作一綜述。

1 氫氣對缺血及再灌注后心肌糖代謝的影響

正常情況下，葡萄糖及糖原經過糖酵解途徑產生丙酮酸，有氧條件下丙酮酸在線粒體基質中經丙酮酸脫氫酶作用轉變成乙酰輔酶A (Ac Co A)，進入三羧酸循環，最終生成二氧化碳(CO2)和水(H2O)并產生一定量的三磷酸腺苷(ATP)為心肌細胞提供能量。

缺血缺氧情況下，心肌細胞內葡萄糖攝取及糖酵解速度加快，葡萄糖大量消耗，含量減少，ATP生成減少。同時，缺氧情況下，葡萄糖轉變為丙酮酸后無法進一步分解為CO2和H2O，最終生成乳酸，乳酸可在乳酸脫氫酶(LDH)催化下產生ATP。但有研究發現，心肌缺血時，心肌組織中乳酸含量會降低[3-4]，乳酸在心肌細胞中的代謝能力下降[5]，可見葡萄糖轉化為乳酸后，提供ATP能力大大降低，心肌細胞功能會受到抑制。SAMBANDAM等[6]研究發現心肌缺血再灌注期間缺血引起的AMPK[Adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase]活性增加致使心肌細胞糖酵解的增加及糖原的貯積，缺血時葡萄糖氧化的降低導致質子的積累，會導致心臟效率的降低和細胞的損傷。

心肌細胞的糖代謝與線粒體和心肌細胞本身都有著密切的關系，心肌缺血再灌注后，心肌細胞的糖代謝也隨著細胞及線粒體的受損而發生變化。趙悅等[7]在研究飽和氫鹽水對大鼠心肌細胞線粒體損傷的影響時發現飽和氫鹽水可通過降低心肌細胞PKC和 HSP90蛋白表達，減少線粒體CX45和CX43蛋白表達，從而減輕線粒體和心肌缺血再灌注損傷。當線粒體損傷減輕時，心肌細胞糖代謝也隨之得到一定恢復。NODA等[8]在研究富氫水對移植心臟的保存作用時同樣發現富氫水能夠減輕離體心臟的線粒體損傷。據報道，氫氣飽和生理鹽水能夠減少心肌細胞的凋亡[9-10]，這也從另一方面降低了心肌缺血及再灌注對細胞糖代謝的影響。有氧時，乳酸的代謝需要LDH的作用，而氫氣可以降低缺血再灌注后LDH水平[11]，說明氫氣可調節缺血再灌注后機體內乳酸代謝，即氫氣對缺血及再灌注后心肌糖代謝有調節作用。

糖原合成激酶-3β、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶、己糖激酶、異檸檬酸脫氫酶、糖原磷酸化酶、丙酮酸脫氫酶等都是糖代謝中的關鍵酶，當心肌中這些關鍵酶的水平發生變化時，心肌缺血再灌注損傷程度也會發生變化(表1)。氫氣能夠減輕心肌缺血再灌注損傷，但對于心肌糖代謝關鍵酶的影響研究較少，氫氣是否可通過改變糖代謝關鍵酶減輕心肌缺血再灌注損傷需要進一步驗證。AMPK是維持機體葡萄糖平衡的關鍵酶，當被激活時，能夠減輕心肌缺血再灌注損傷，氫氣可以調節AMPK的活性[12-13]，作者推測氫氣或可通過調節AMPK的活性調節心肌糖代謝，減輕心肌缺血再灌注損傷。

2 氫氣對缺血及再灌注后心肌脂質代謝的影響

脂類包括脂肪和類脂(磷脂、糖脂、膽固醇等)，正常情況下，非酯化脂肪酸的β氧化是心肌細胞能量的主要來源途徑，占其總量的60%～90%[19]。有氧時，脂肪酸先在細胞質中活化為脂酰輔酶A，之后脂酰輔酶A在轉運系統作用下進入線粒體基質進行β-氧化生成乙酰輔酶A，經過三羧酸循環產生能量。

缺血缺氧時，非酯化脂肪酸代謝受到抑制，代謝減弱，導致細胞質中脂酰輔酶A和線粒體中的乙酰輔酶A等中間產物的積累及脂肪酸水平的明顯升高。脂肪酸含量過高時，會加劇心肌細胞缺血性損傷，抑制丙酮酸脫氫酶活性，加重酸中毒。

表1 糖代謝關鍵酶對心肌缺血再灌注損傷的影響

氧自由基反應及脂質過氧化反應與機體的生理代謝有著密切的關系。正常情況下，氧自由基反應與脂質過氧化反應處于協調與動態平衡之中，缺血再灌注后，氧自由基增多，氧自由基反應及脂質過氧化反應的平衡被打破，進而導致脂質代謝的紊亂，脂質過氧化產物(如丙二醛)的增多。研究發現，缺血再灌注損傷后，氫氣能夠降低缺血心肌中丙二醛的水平[20]，即氫氣可以在一定程度上減少脂質過氧化產物，對脂代謝紊亂有調節作用。同時，氫氣還可以與有細胞毒性的氧自由基發生反應[1]，降低氧自由基水平使氧自由基反應及脂質過氧化反應平衡得到一定恢復。另一方面，氫氣能調節血漿中血脂水平，降低低密度脂蛋白和游離脂肪酸的水平[21-22]，減輕了由于脂肪酸含量過高引起的心肌細胞缺血性損傷。薛乾[23]發現氫飽和生理鹽水預處理可改善心肌細胞膜磷脂水平，改善膽固醇水平，并具有一定的濃度相關性，在應用20 mL/kg氫水處理時保護作用最為明顯。

過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)是人體脂代謝中的關鍵受體，PPAR-γ是其中一種亞型。研究證明，PPAR-γ水平升高，總膽固醇(TC)、三酰甘油(TG)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL)、低密度脂蛋白膽固醇(LDL)等水平降低能夠減輕心肌缺血再灌注損傷[24-25]。氫氣能夠增加正常飲食C57BL/6小鼠體內PPAR-γ水平，減輕TC和TG水平，同時降低代謝綜合征患者體內TC/HDL比例[26-27]。因此，氫氣可能通過提高PPAR-γ水平，降低TC、TG、HDL水平影響缺血再灌注后心肌脂代謝，進而減輕缺血再灌注損傷，但需進一步驗證。

3 氫氣對缺血及再灌注后心肌氨基酸代謝的影響

氨基酸是一種重要的能源物質，氨基酸代謝也是心肌細胞能量來源途徑之一。正常情況下，氨基酸通過脫羧基作用和脫氨基作用兩種途徑進行分解代謝。在脫氨基作用途徑中主要進行氧化脫氨基作用，先在氨基酸脫氫酶催化下脫氫生成亞胺，之后在氨基酸氧化酶催化下脫氨基生成α-酮酸和氨，α-酮酸可進一步分解為水及二氧化碳并產生ATP供能。在脫羧基途徑中，氨基酸在氨基酸脫羧酶催化下脫羧基生成二氧化碳和伯胺，伯胺在胺氧化酶催化下進一步生成氨和脂酸。氨是一種有毒物質，可以合成其他物質排出體外或體內再利用，在含量過多時也有一定毒性。

有研究發現，缺血缺氧早期，心肌細胞出現凋亡，線粒體等細胞器發生損傷，蛋白質降解加速，氨基酸含量上升，隨著缺血時間的延長，部分氨基酸含量下降。SANSBURY等[28]發現小鼠心肌梗死(心肌缺血)5 d后，氨基酸水平發生明顯變化，說明小鼠心臟氨基酸水平的多少與心肌缺血有密切的關系。簡維雄等[3]則發現大鼠心肌梗死后組甘氨酸、谷氨酸、賴氨酸等的水平發生了改變。酪氨酸是心肌缺血的代表性標志物之一[29]，心肌缺血會導致氨基酸代謝通路發生變化，谷氨酸、酪氨酸、精氨酸、脯氨酸等氨基酸的合成受阻，酪氨酸的水平下降，這也是心肌細胞凋亡的原因之一[4]。

丙氨酸氨基轉移酶參與體內蛋白質的新陳代謝，能夠加快氨基酸在體內轉運速度，通常存在于胞漿中。器官缺血后，丙氨酸氨基轉移酶水平增高，導致氨基酸水平的降低。研究發現大鼠缺血前腹腔注射氫氣鹽溶液，再灌注后2、6、12、24 h血清丙氨酸氨基轉移酶水平明顯降低[30]，說明氫氣對缺血器官再灌注后氨基酸代謝有一定調節作用。另有研究發現，氫氣飽和生理鹽水能夠降低大鼠腎缺血再灌注導致的尿素氮升高[10]，而尿素氮是氨基酸代謝的終產物之一，證明氫氣能夠調節缺血腎再灌注后的氨基酸代謝。氫氣對缺血心肌再灌注后氨基酸代謝的影響不夠明確，還需要進一步研究。

4 氫氣對缺血及再灌注后心肌能量代謝的影響

能量代謝是伴隨物質代謝進行的，正常情況下，氨基酸、葡萄糖、脂肪酸等物質均是機體能量代謝的底物。心肌細胞利用底物通過糖酵解、氧化磷酸化、糖原氧化分解、脂肪酸氧化、酮體氧化分解、三羧酸(TCA)循環、磷酸肌酸分解等途徑產生ATP為機體生命活動提供必需的能量。機體能量代謝過程十分復雜，必須依靠多種途徑協同合作，共同維持內環境的穩定。

缺血缺氧時，心肌細胞結構、功能及能量代謝都會發生變化。缺血缺氧導致線粒體結構受損及細胞的凋亡[31]，線粒體有氧氧化代謝受到抑制，三羧酸循環減慢，葡萄糖和游離脂肪酸氧化代謝效率降低，同時，心肌中磷酸肌酸轉化為ATP為心肌提供所需的能量[32]，磷酸肌酸水平下降。Ca2+對肌肉收縮及酶活性的調節具有重要作用，心肌缺血時，Ca2+循環能力下降，再灌注后細胞內 Ca2+超負荷，會導致心臟收縮功能障礙及線粒體依賴性細胞凋亡[33]，這也對缺血心肌能量代謝產生很大影響。

HAN等[34]研究氫氣對腦缺血再灌注的保護作用時發現，氫氣對缺血導致的細胞 Ca2+超負荷有一定調節作用，氫氣可以降低缺血細胞內過高的 Ca2+水平。同時，氫氣通過增強缺血心肌Na+-K+-ATP酶活性、降低Ca2+ATP酶活性等方式調節心肌離子水平[35]，對缺血心肌離子平衡的恢復有重要作用，對細胞能量代謝具有重要的調節作用。肌酸和磷酸肌酸可防止細胞內ATP的消耗和內部酸化，增強缺血后的蛋白質合成回收率，促進細胞膜上自由基清除，肌酸激酶可以在缺氧期間增強肌酸代謝[36]。研究發現，氫氣可以降低缺血心肌肌酸激酶水平[11,35,37]，肌酸或者肌酸激酶的減少代表著心肌功能得到一定恢復，說明氫氣對心肌缺血及再灌注損傷有保護作用，同時對心肌能量代謝有調節作用。NODA等[8]在研究富氫水對移植心臟的保存作用時還發現富氫水能夠提高心臟ATP水平。

AMPK既能調節糖代謝，同時也是能量代謝的關鍵分子。缺血時，AMPK會被激活，使ATP合成系統活性增強，同時減少ATP的消耗，而氫氣對AMPK活性有增強作用，氫氣或可通過調節AMPK活性調節缺血再灌注后心肌能量代謝[13，17]。

綜上所述，氫氣對缺血再灌注后心肌糖代謝、能量代謝、氨基酸代謝、脂質代謝等有調節作用，其調節作用與線粒體有著密切聯系。但對于部分具體的物質代謝，如氨基酸、葡萄糖等的代謝證據較少，需要進一步研究。同時，氫氣對心肌代謝中各種酶的影響也需進一步驗證。從氫氣對缺血再灌注后心肌糖代謝、能量代謝、氨基酸代謝、脂質代謝等的探討中可以發現，氫氣可以通過抗凋亡、調節信號通路、抗氧化、清除自由基等方式調節心肌代謝。因此，研究氫氣對缺血再灌注后心肌代謝的影響對研究氫氣治療疾病的機制有著重大意義。