氫氣在疾病治療中的應用

郝怡萌 譚永星

1 桂林醫學院，廣西桂林市 541004； 2 桂林醫學院附屬醫院

作為世界上分子量最小和功能最豐富的化學元素，氫分子(H2)大量存在于水和有機化合物中，游離氫的數量卻較為稀少。自從最初發現其功能以來，氫氣已經被廣泛應用于各個領域。20世紀70年代科學家首次報道氫氣可作為自由基的清除劑應用于臨床疾病的診療。為防止減壓病，它常被用作深海潛水員的外來呼吸氣體的混合物。世界各研究機構的動物研究和臨床試驗也表明，攝入適量氫氣會減少氧化應激反應。氫氣常作為氣體用于臨床，也可通過其他應用方式來產生作用，如注射用富氫鹽水以及飲用富氫鹽水等。氫氣產生的副作用很少，因此使氫氣成為針對心血管、腦血管、癌癥以及代謝性疾病等疾病的新型治療策略的理想候選藥物。但是目前對于氫氣治療疾病的具體機制仍未完全明確，現階段的實驗與研究發現表明可能與其具有選擇性抗氧化作用、減輕炎癥反應和抑制細胞凋亡等有關[1]。

1 氫氣的使用方式

目前，氫氣用于疾病治療的三種最常見的方式是：(1)吸入氫氣，(2)注射富含氫氣的鹽水，(3)飲用富含氫氣的水。因為氫氣沒有異味，很容易被病人所接受而吸入體內，所以通常可以通過鼻導管、面罩以及呼吸機輕松吸入[2]。氫氣也可以通過高壓將其溶解在生理鹽水中，由于富氫生理鹽水能夠提供更準確的進入人體的氫濃度，因此可用產生富含氫氣的鹽水作為媒介進行靜脈注射。而通過將已經電離的氫溶解在水中或通過在高壓下將分子氫溶解在水中而產生富氫水，可以直接被作為飲用水供人體飲用。當然，還有其他形式的分子氫應用方式，包括局部用藥和通過室內氣體給藥等方式。

2 氫氣在疾病模型中的應用

2.1 氫氣對器官缺血再灌注損傷的保護作用 有研究表明[3]，氫在缺血再灌注引起的腦缺血、腎損傷和心肌缺血再灌注損傷中均具有器官保護功能。因為當自由基或ROS(Reactive Oxygen Species，活性氧)積累時，會產生氧化應激反應，從而對組織造成嚴重損傷，而氫氣能夠特異性清除因為缺血再灌注或者炎癥反應等原因產生的羥自由基(OH) 和過氧化硝酸鹽(ONOO-)，從而減少自由基誘導產生的氧化產物并且減少ROS的產生，以達到清除目前人類已知最有效的氧化劑—羥基自由基的目的，并阻止脂質過氧化和細胞核 DNA 損傷，從而改善因缺血再灌注損傷導致的多種疾病。并且氫分子可通過調節巨噬細胞信號轉導抑制LPS/IFNγ誘導的NO生成，從而改善炎癥反應。

細胞的氧化應激和凋亡與缺血再灌注損傷密切相關，細胞內外源性基因酶類和信號轉導途徑對各種細胞凋亡信號有調控作用，腦缺血再灌注損傷(I/R)后神經細胞凋亡發生是一個多環節調控過程，其中包括炎癥反應、鈣穩態失衡、蛋白合成受抑制、熱休克蛋白表達受阻、蛋白酶的激活等過程，最終導致細胞凋亡[4]。

由于氫氣具有選擇性抗氧化作用，其能夠與具有細胞毒性的氧自由基反應并防止氧化損傷，從而使血管閉塞引起的腦缺血損傷減少。在吸入氫氣的條件下，經缺血缺氧誘導的新生大鼠神經細胞的凋亡會受到抑制，腦梗死體積明顯減少，其機制可能與氫氣抑制大腦海馬和皮層的caspase-3和caspase-12并使其活性降低有關。有研究表明[5]，腎臟缺血再灌注損傷后，BUN、Cr、Bcl-2、caspase-3、caspase-9、caspase-8、IL-6和TNF-α均顯著增加，而經富氫鹽水治療后腎組織中的間質充血、水腫和出血顯著減少，而上述腎功能損傷指標不同程度下降。此項研究能夠說明富氫鹽水對預防腎損傷具有一定程度的保護作用，并能促進腎臟缺血再灌注損傷后的腎功能恢復。并且富氫鹽水對大鼠局部心肌缺血再灌注損傷也具有保護作用。經富氫鹽水處理后可顯著降低血漿和心肌丙二醛(MDA)濃度，從而減弱局部心肌缺血再灌注大鼠的心肌細胞凋亡，心肌再灌注24h后左室收縮壓、左室舒張末壓，+(dp/dt)max和-(dp/dt)等心功能參數顯著改善。

由以上學者的研究中不難發現氫氣對機體的氧化應激、炎癥、凋亡等都有一定的抑制作用。因此，越來越多的證據表明氫氣對于各臟器的缺血再灌注損傷均有良好的保護與修復作用。

2.2 氫氣對腫瘤疾病的保護作用 目前，惡性腫瘤在全世界范圍內仍是一項無法攻克的難題，也是人類死亡的主要原因之一，而分子氫在癌癥治療中也具有一定的應用價值。ROS已被發現是誘導癌癥的因素之一，ROS可引起細胞蛋白質、脂質及DNA的損傷，從而引起一系列的病理改變。一項研究發現，分子氫有助于保護大鼠降低由于輻射誘導產生胸腺淋巴瘤的概率，能夠有效減緩輻射誘導的胸腺淋巴瘤的生長速率，并且通過降低ROS來延長潛伏期。并且富氫鹽水降低癌細胞氧化產物的能力具有抑制腫瘤生長的作用[6]。在沒有爆炸風險的情況下，用高壓的97.5%氫氣處理2周可使動物皮膚腫瘤或白血病顯著消退。Runtuwene J等[7]人發現，富氫鹽水對結腸癌細胞具有治療作用，其通過促進癌細胞的凋亡，導致結腸癌細胞中p-AMPK、AIF和Caspase 3的表達顯著增加。同時富氫鹽水與5-氟尿嘧啶聯合使用還可增加5-氟尿嘧啶對結腸癌細胞的抑制作用，使細胞存活率和抗癌功能增強。在治療惡性腫瘤的同時氫氣還可以緩解惡性腫瘤接受放、化療時的不良反應。順鉑是廣泛應用的抗腫瘤藥物，但其應用受到氧化應激所致的腎毒性的限制。Nakashima-Kamimura N等[8]人讓給予了順鉑的小鼠飲用富氫鹽水，并通過檢測小鼠血清肌酐和BUN水平評估腎毒性，結果發現富氫鹽水改善了小鼠腎臟變態反應并減少腎臟細胞凋亡和腎毒性，雖然氫氣對順鉑誘導的腎毒性有保護作用，但是氫氣并不損害順鉑對體內荷瘤小鼠的抗腫瘤活性。

綜上，氫氣不僅對于惡性腫瘤具有潛在的治療作用，同時可以在不影響治療效果的前提下緩解癌癥患者接受傳統放、化療時的不良反應，提高癌癥患者生存質量。

2.3 氫氣對創傷性腦損傷(TBI)的保護作用 富氫水療法可以降低炎性細胞因子(如TNF-α、IL-1β和HMGB1等)、炎癥細胞數量和炎性代謝物的水平，從而減輕腦細胞炎癥反應并發揮對TBI的神經保護作用。Liu Y等[9]觀察到創傷性腦損傷大鼠病變腦組織神經細胞大量變性壞死并且炎性細胞浸潤，而富氫鹽水可促進TBI大鼠損傷組織CD34+細胞歸巢，并參與新生毛細血管的生成，進一步促進腦功能的恢復。并且Fu J等[10]通過檢測創傷性腦損傷大鼠腦組織線粒體膜電位(MMP)以及線粒體膜通透性(MTPT)發現富氫鹽水還可通過改善創傷性腦損傷大鼠腦組織的線粒體損傷以達到保護腦組織的目的。Tian R等發現[11]，TBI刺激的大鼠表現出顯著的腦損傷，其特征在于存活率降低和血腦屏障通透性增加，腦水腫和神經功能障礙，而經過富氫水治療后阻礙了TBI的進展，使腦損傷的程度較前大為降低。富氫鹽水可以減少神經細胞的凋亡，保護大腦內海馬組織的神經細胞，從而改善學習記憶和空間識別的能力。

炎癥和氧化應激是創傷性腦損傷后細胞凋亡的兩個主要原因，而富氫鹽水恰恰可以降低TBI腦組織炎癥水平從而成為TBI的有效治療策略。目前，在神經系統疾病的臨床治療中只有少數抗氧化劑得到使用，且臨床效果欠佳。由于其特殊的性質和存在多種被攝取方式，使得氫氣在神經系統疾病的臨床應用中具有很好的前景。

2.4 氫氣對糖尿病的保護作用 糖尿病是影響全世界大部分人口的代謝紊亂性疾病。Kajiyama S等[12]的臨床試驗表明，富氫鹽水對2型糖尿病和糖耐量異常患者具有良好的療效。這項研究涉及30例糖尿病患者和6例糖代謝受損患者。入組患者經適量富氫水治療后結果表明，富氫水增加了細胞超氧化物歧化酶和血清脂聯素水平，改善了患者的胰島素抵抗。這項研究的結果還顯示富氫鹽水能夠降低了6例糖代謝受損患者中4例的血清修飾LDL水平，并使葡萄糖耐受水平正常化，這表明富氫鹽水有助于脂類和葡萄糖的正常代謝。總之，由于富氫鹽水能有效地減輕細胞氧化應激，從而使其有助于預防或阻止2型糖尿病和胰島素抵抗。氫氣不僅對于2型糖尿病和糖耐量異常患者的糖代謝有改善作用，對于糖尿病患者因高血糖引起的其他并發癥也有一定的保護作用。核基因-κB(NF-κB)在糖尿病血管并發癥及周圍神經損害發病中起關鍵作用。 持續性高血糖激活各種細胞因子，從而使趨化因子和細胞黏附分子高表達NF-κB。而NF-κB過表達可觸發內皮細胞的鈣化，導致內皮功能障礙和血管并發癥的進一步的發生。有研究表明[13]氫氣療法可以減少糖尿病患者周圍神經損害并且改善血管并發癥，機制可能通過抑制NF-κB及其下游炎性因子的表達，降低糖尿病患者TNF-α、IL-6表達水平，而發揮其保護作用。并且富氫液通過下調腎臟組織中TGF-β1、p-p38MAPK、NF-κB等的表達，可減輕糖尿病大鼠腎臟組織的炎癥反應，從而延緩腎臟纖維化，發揮良好的腎臟保護作用。

2.5 氫氣對慢阻肺的保護作用 慢性阻塞性肺疾病(Chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是世界范圍內的呼吸系統常見病，其特征為反復出現的炎癥反應以及氧化應激，肺內組織炎性細胞產生的活性氧在慢阻肺疾病的氣道炎癥的發病及進展中起著關鍵性的作用。在慢性阻塞性肺病產生的炎癥反應過程中，由于活性氧的過度產生，從而使體內具有防御能力的抗氧化劑作用減弱，引起組織的損傷。氧化應激不僅可使氣道平滑肌收縮，產生持續的氣流受限，還可通過激活NF-κB等炎性因子從而加速COPD的進程。所以干預炎癥以及氧化應激是對于慢阻肺的有效治療方式，而氫分子具有的選擇性抗氧化作用則使其對于慢阻肺具有潛在治療作用。

有研究者[14]采用煙霧暴露法建立大鼠慢性阻塞性肺病模型，以吸入不同濃度的氫氣作為干預措施，從而評價氫氣對于COPD是否有治療作用。結果顯示吸入22%和41.6%的氫氣比吸入2%的氫氣能夠更好地減少支氣管肺泡灌洗液中炎性細胞的數量，降低腫瘤壞死因子α、IL-6、IL-17、IL-23、caspase-3和caspase-8等的mRNA和蛋白表達水平，改善肺部病理、肺功能和心血管功能，并降低右心室肥大指數。而煙草煙霧是引起慢阻肺的重要原因之一，吸煙所導致的氣道內黏液過度增加也是慢阻肺病人的重要病理生理表現。有研究表明[15]，給予富氫生理鹽水不僅可以減輕炎癥、氧化應激并且可以通過減少黏液分泌過多從而改善肺功能和減輕肺的形態損害。該項研究的研究者經腹腔注射富氫生理鹽水，檢測慢性阻塞性肺病模型大鼠肺功能結果表明，富氫生理鹽水可降低肺氣道阻力，增加肺順應性和0.1s用力呼氣容積/用力肺活量比值。組織學分析顯示，富氫生理鹽水可減輕煙草煙霧所致慢性阻塞性肺疾病大鼠的肺形態損害。并且富氫生理鹽水對慢性阻塞性肺疾病大鼠支氣管肺泡灌洗液和肺組織中MUC5AC水平有下調作用，對肺組織中的水通道蛋白5水平有上調作用。這些結果表明，富氫生理鹽水對慢性阻塞性肺疾病具有顯著的保護作用。

3 氫氣對疾病治療的相關優勢

由于氫氣在細胞水平上的作用能力，現在已有很多證據證明氫氣在各種動物疾病模型和一些人類患者中有治療效果。氫氣抗氧化能力的優勢包括：(1)高生物膜滲透性和細胞內擴散能力，使其能夠到達線粒體等亞細胞區室;(2)選擇性地清除有害的羥基自由基，同時保留其他重要的活性氧和氮物質用于正常的信號調節。氫氣能夠穿越血腦屏障，并可以進入線粒體，甚至在某些特定情況下有能力進入細胞核，一旦進入這些細胞內特定部位，氫氣便發揮其對細胞有益的抗氧化作用，抗細胞凋亡，抵抗炎癥反應從而產生細胞保護作用。由于目前許多抗氧化劑無法作用于線粒體等治療靶點，而氫氣的特性無疑為這些疾病的臨床治療提供了尤為有利的途徑。多年來對于分子氫的安全性考慮主要為氫氣易燃、易爆的特性，但氫氣的擴散性極好，在常規條件下極難積聚到可引起爆炸的危險濃度。從分子氫在各種領域中的應用不難發現其對我們的人體副作用極小，并且還可以減少某些藥物作用于人體的不良反應。因此，分子氫有較好的臨床應用前景。

總的來說，分子氫在臨床醫學上的影響是非同尋常的。而明確每種疾病模型的最佳用藥方式和最佳氫劑量方案對臨床患者來說至關重要。目前對氫分子的研究從開始的僅認識其化學組成到現在認識其對各種病理生理過程的作用機制，已經取得了重大發現，但仍需繼續探討其明確的分子作用機制、使用劑量以及明確其適應證、禁忌證等問題。到目前為止，分子氫的應用已經涉及各個領域，為了使氫療法在臨床試驗中有效并最終用于醫學，仍需要充分發現和探索氫分子治療疾病的確切機制，氫清除羥基自由基的具體環節，以及氫如何參與細胞信號傳導和活化，氫與其他抗氧化劑如何相互作用以促進細胞保護，以及氫如何減少炎癥反應等問題。在未來，希望氫氣能夠更加廣泛而且安全有效的應用于臨床研究及疾病診療中，造福更多的患者。