氫氣在眼科疾病中的應用進展

姚璐，齊林嵩

(空軍特色醫學中心眼科，北京 100142)

眼是最為重要的人類感覺器官，人類大腦中大約80%的記憶和知識信息通過其獲得，但多種眼科疾病，如糖尿病視網膜病變、白內障、化學燒傷、視網膜缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury，IRI)及光損傷會影響眼部接受外界信息的能力[1]。研究已表明，上述疾病的發生和發展均與過度的氧化應激密切相關，抑制氧化應激反應和清除過量的活性氧可能會產生預防和治療效果[2]。目前已有多種物質在眼部病理學中被用作活性氧清除劑，從而增強細胞和組織對氧化損傷的保護[3-4]。然而，Ohta[5]指出，盡管抗氧化損傷具有重要的臨床意義，但常用抗氧化劑的治療效果有限。較低的膜通透性和較高的毒副作用等會阻礙這些外源性清除劑的治療效能。2007年，日本學者首先報道分子狀態的氫氣具有選擇性自由基清除作用[6]。此后，氫氣參與的動物疾病研究及臨床試驗逐漸增多，特別是在氧化應激主要介導的一些疾病方面，包括新生兒腦缺氧、帕金森病、移植誘導的腸移植物損傷、認知缺陷、炎性疾病、代謝綜合征、2型糖尿病以及腦、肝、心肌、腸和腎的IRI[7]。氫氣具有許多潛在的抗氧化優點，如擴散迅速、選擇性清除活性氧等，使其展現出強大的生物學效應。在眼科醫學領域，氫氣被廣泛應用于疾病的預防和治療，在角膜堿燒傷[8]、干眼[9]、白內障[10]及超聲乳化手術[11]、視網膜IRI[12]、視網膜光損傷[13]等方面均有顯著的保護性作用。現對氫氣在治療眼科動物模型和臨床疾病方面的應用進展予以綜述。

1 氫氣的概述

氫是宇宙中最豐富的元素，構成近75%的宇宙質量。然而，氫在地球上多是以單原子形式存在于水和有機或無機化合物中。氫分子是最小的氣體分子，由兩個質子和兩個電子組成。氫氣是一種無色、無味、無臭的高度可燃性氣體。當濃度達到4%～75%時，可發生快速連鎖反應而引起爆炸。但在化學方面，氫氣是一種性質穩定的氣體，能以很低的反應速率與羥自由基(·OH)和過氧亞硝酸陰離子在水中發生反應[6]。氫氣作為一種小分子很容易從體內和細胞內逸出，且與其他分子的碰撞率很高，這可有效彌補其反應速率低的缺點[14]。氫氣不易溶于水，在一個標準大氣壓室溫下，100%飽和的氫水僅含有0.8 mmol/L的氫氣，并且其可迅速穿透玻璃或塑料壁的任何容器，只有鋁容器能夠保留氫氣稍長一段時間。

1995年，氫氣第一次在人體應用，用于治療深海潛水導致的高壓神經綜合征，此項應用是利用氫氣減少深海環境下氮氣毒性和呼吸阻力[15]。Gharib等[16]利用氫氣自由基清除活性的研究顯示，將血吸蟲病相關慢性肝炎模型小鼠置于充有70%氫氣的容器中，2周后其肝纖維化程度減弱，血流動力學狀況改善，一氧化氮合酶Ⅱ和抗氧化酶活性提高，脂質過氧化物水平以及循環血中腫瘤壞死因子-α水平降低。Ohsawa等[6]對腦缺血再灌注大鼠模型的研究發現，吸入氫氣可以有效抑制缺血再灌注造成的腦損傷，證實溶解在液體中的氫氣可選擇性地中和過氧亞硝酸陰離子和·OH，兩者被認為是造成氧化應激損傷的重要介質，證實氫氣具有抗氧化損傷特性，并通過減輕氧化應激反應緩沖由缺血再灌注造成的腦損傷。氫氣的抗炎、抗凋亡、抗變態反應等作用逐漸被國內外研究者發現和應用[1,6,17-18]。近年來，氫氣作為一種新型抗氧化劑在臨床疾病和動物模型中廣泛應用和研究[2,19-20]。

1.1氫氣可迅速擴散到靶器官發揮作用 線粒體呼吸鏈是活性氧的一個主要來源，并可造成過度的氧化損傷。防治線粒體損傷是目前臨床研究的重點，但許多常用抗氧化劑的療效仍不顯著，這可能與其不能輕易穿透屏障及被線粒體選擇性利用有關[21]。氫氣可輕易地穿透生物膜并擴散到細胞器內，以保證自身在細胞體內的良好分布，其可有效到達線粒體和細胞核等靶細胞器，故在防治與環境因素相關的疾病(癌癥)及老化等異常方面有很好的效果[6]。此外，對各種組織內氫氣濃度的監測證實，氫氣的小分子性使其可以輕易穿透血腦屏障[22]。

1.2氫氣能夠選擇性清除活性氧 一些低濃度活性氧(如超氧陰離子自由基和一氧化氮)在體內作為功能信號分子有特殊生物學效應，如調節細胞凋亡、增殖和分化[23-24]。然而，很多強抗氧化劑不僅可清除過量的活性氧，還可清除具有信號分子功能的活性氧。如一氧化氮是血管擴張必不可少的神經遞質[25]；較高濃度的過氧化氫可通過髓過氧化物酶轉化為次氯酸，以抵御細菌的入侵[26]。一些強抗氧化劑可能對這些必要的防御機制產生干擾，而氫氣可選擇性地清除·OH，而不清除具有生物功能的一氧化氮、超氧陰離子自由基和過氧化氫[6]，可見，與其他抗氧化劑相比，氫氣對機體的影響非常小。

1.3氫氣的無毒性有利于吸入治療 較高濃度的氫氣亦沒有毒性，因此在給藥方式(如采用吸入治療)的選擇方面具有更多優勢[18,27]。繼高壓氫氣與氮氣以混合形式用于預防深潛水造成的減壓病和動脈血栓之后，吸入高濃度氫氣的安全標準開始逐漸確立[28]，其對人體作用的安全性也已逐漸被證明[9]。

2 氫氣在眼科的應用

2.1抑制角膜堿燒傷后角膜新生血管(corneal neovascularization，CNV)生成 角膜的透明性是良好視力的必要條件之一，其自身無血管生長，營養來自角膜緣周邊的血管網。然而，多種因素(如化學燒傷、炎癥、過敏)可導致毛細血管由角膜緣向中央生長，即CNV[29]。CNV組織較脆弱，易出血及繼發纖維化，引起角膜透明度降低，進而導致視力顯著下降甚至致盲。溫舒和楊煒[8]在氫氧化鈉溶液誘導角膜堿燒傷大鼠模型中發現，造模3 d空白組CNV增生，14 d達角膜中央，富氫水點眼治療組3 d、7 d、14 d的CNV面積明顯小于空白組，且治療14 d時，CNV面積顯著小于妥布霉素地塞米松點眼對照組，說明氫氣對堿燒傷誘導的CNV有顯著抑制作用；該研究還發現，治療組角膜組織的色素上皮衍生因子信使RNA水平明顯高于對照組和空白組，房水中腫瘤壞死因子-α水平明顯降低，提示氫氣可能通過調控炎癥因子腫瘤壞死因子-α，繼而提高色素上皮衍生因子表達水平，從而抑制CNV。Kubota等[30]研究發現，過量活性氧是小鼠角膜堿燒傷導致CNV的重要原因，應用富氫水點眼后可顯著降低組織活性氧含量，下調核因子κB的活性和血管內皮生長因子的表達，進而抑制CNV。Cejka等[31]的研究證實了氫氣在新西蘭白兔角膜堿燒傷治療中的作用，富氫水治療組的角膜透明度較磷酸鹽緩沖液治療組明顯改善，且治療組角膜組織的促炎細胞因子白細胞介素-1β及氧化應激產物丙二醛水平顯著下降。綜上，氫氣有望成為臨床治療化學燒傷誘導CNV的一種潛在方法，其抗氧化和抗炎作用可能是其發揮治療作用的重要機制。氫氣與傳統治療藥物聯合使用或合成制劑可能是目前臨床試驗和應用的一種新嘗試。

2.2穩定淚膜 干眼是常見的眼表疾病，其中淚液分泌量及質量對視覺功能的穩定起重要作用。過度的氧化應激和眼表炎癥反應與干眼發生密切相關[32-33]。在一項東莨菪堿誘導的大鼠干眼模型研究中，應用富氫生理鹽水點眼或腹腔注射均可顯著增加大鼠的淚液分泌量和淚膜破裂時間，降低角膜上皮熒光素鈉染色評分，說明氫氣對干眼后體征的緩解有積極作用[34]。Kawashima等[9]的隨機雙盲對照研究發現，飲用促進腸道產氫的牛奶3周后，干眼患者呼出氣體中氫氣的濃度較空白組明顯升高，提示該方法能夠提高體內氫氣的濃度；此外，該方法可顯著改善使用視頻終端人群的干眼癥狀，且產氫組的淚膜破裂時間顯著長于空白組，同時產氫組中45歲以下女性淚液中8-羥基脫氧鳥苷水平顯著降低，且呼出氣體的氫氣濃度與淚液中8-羥基脫氧鳥苷濃度呈負相關，與淚膜破裂時間呈正相關，提示氫氣可能通過降低過度的氧化應激反應達到穩定淚膜的作用。以上研究為臨床治療干眼提供了新的策略，也為臨床研究提供了一種新的氫氣應用方式。

2.3抑制白內障形成 白內障是常見的致盲原因，70歲以上人群的患病率達80%以上，嚴重影響視覺功能和生活質量[35]。過度的氧化應激反應是白內障形成的危險因素之一，活性氧可參與晶狀體蛋白質的氧化、交聯和聚集，膜脂過氧化以及晶狀體上皮細胞的凋亡等一系列生化反應[36]。Yang等[10]在亞硒酸鹽誘導的大鼠白內障模型中發現，腹腔注射富氫生理鹽水可顯著減輕晶狀體混濁程度，并顯著上調抗氧化酶(超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等)的表達，提高還原性谷胱甘肽和總巰基含量，減少丙二醛生成，提示氫氣可通過調控抗氧化相關分子的表達抑制氧化應激反應，進而抑制晶狀體混濁的進程。但在白內障相關的臨床研究和試驗中，開始應用氫氣的時間以及最安全且有效的給藥途徑仍值得進一步研究和探討。

2.4減輕白內障術后角膜損傷 超聲乳化吸除聯合人工晶體植入是目前絕大多數白內障人群的手術方式[37]。然而，成熟期的硬核白內障往往需要更高的超聲能量，后者可能引起角膜內皮組織的損傷[38]。過度的角膜內皮損傷可導致角膜水腫，甚至導致大泡性角膜病。有研究報道，白內障術后內皮損傷所導致的大泡性角膜病是穿透性角膜移植手術的常見原因[39]。高強度的超聲能量在水溶液中可增加·OH的產生，導致角膜內皮的氧化損傷[40]。Igarashi等[41]的研究發現，使用富氫眼內灌注液可顯著降低日本白兔眼超聲乳化后角膜水腫的程度；此外，富氫眼內灌注液組氧化應激標志物8-羥基脫氧鳥苷和4-羥基壬烯醛水平顯著降低，提示氫氣通過抑制超聲乳化后過度的氧化應激反應對角膜內皮起到保護作用。一項單中心前瞻性隨機雙盲臨床試驗中，32例接受雙眼白內障超聲乳化手術患者均行一眼富氫眼內灌注液治療，另一眼傳統灌注液治療，結果顯示，術后1 d、1周、3周富氫眼內灌注液治療眼的角膜內皮細胞密度減少率顯著低于傳統灌注液治療眼，且兩眼術后視力、眼壓、前房深度等差異均無統計學意義，說明氫氣可減輕超聲乳化術引起的角膜內皮損傷，且對術后視功能恢復無明顯副作用[11]。可見，對于術中角膜內皮損傷高風險人群，超聲乳化術中應用富氫灌注液是降低損傷的一種潛在方法，但富氫眼內灌注液的制備、儲存和應用指南仍需進一步探討和規范。

2.5減輕視網膜IRI IRI涉及多種疾病的發生發展，也是器官移植、心胸外科等領域亟待解決的難題[42-43]。視網膜的IRI會導致視網膜細胞的死亡和凋亡，引起視覺功能障礙[44]。這些改變在一些臨床眼病中，如視網膜動脈阻塞、急性閉角型青光眼等，對視網膜造成的損傷往往難以逆轉，甚至導致嚴重視力障礙和失明[45]。氧化應激損傷在IRI早期階段即出現，·OH的過量產生被認為是視網膜損傷的重要原因[46]。Oharazawa等[12]在一過性眼壓升高誘導的大鼠視網膜IRI模型的研究中發現，應用富氫生理鹽水點眼可顯著下調視網膜·OH的含量，減少8-羥基脫氧鳥苷和4-羥基壬烯醛的生成，抑制視網膜細胞的凋亡和視網膜厚度的變薄，且這種作用效果隨富氫生理鹽水濃度的升高而增強。Liu等[47]也通過腹腔注射富氫生理鹽水在大鼠視網膜IRI模型中證實了氫氣的神經保護作用，富氫生理鹽水可顯著抑制視網膜IRI導致的神經節細胞的減少，并可顯著抑制聚ADP核糖聚合酶1的過度活化，提示氫氣可能通過下調ADP核糖聚合酶1的活性，抑制DNA的氧化應激損傷和細胞凋亡。以上研究均提示，氫氣通過降低IRI引起的氧化應激損傷，起到保護視網膜正常形態和功能的關鍵作用。由此可見，在視網膜動脈阻塞、缺血性視神經病變的治療期聯合使用氫氣，可能會改善視力的預后，進而提升患者的視覺功能。并進一步探討氫氣的給藥途徑，吸入氫氣理論上可以短時間內達到很高濃度，但如何保證用藥途徑的安全性是目前臨床應用的難題。

2.6抑制視網膜光損傷 強光暴露會導致視網膜感光細胞退變，視網膜光損傷的動物模型在病理上也可在一定程度上模擬年齡相關性黃斑變性引起的視網膜感光細胞退變和色素上皮細胞失功能。氧化應激損傷與年齡相關性黃斑變性及光誘導的視網膜損傷密切相關，抗氧化劑的應用具有明顯的治療作用[48]。Tian等[49]在白光誘導的大鼠視網膜光損傷模型中發現，腹腔注射富氫生理鹽水能夠顯著抑制光誘導所致的視網膜外核層細胞數的減少。Feng等[50]在藍光誘導的大鼠視網膜光損傷模型中同樣證實了氫氣的上述作用，并發現氫氣可明顯降低視網膜丙二醛水平。另有研究證實，腹腔注射富氫生理鹽水對白光誘導的大鼠視網膜光損傷模型視網膜細胞有保護作用，同時視網膜光損傷可下調視網膜沉默信息調節因子1(silent information regulator 1，SIRT1)信使RNA及蛋白的表達，而富氫生理鹽水的干預能夠顯著抑制光誘導的SIRT1下調，并可通過上調抗氧化酶(如超氧化物歧化酶和過氧化氫酶)及清除過多的氧化應激產物(丙二醛)減輕光損傷誘導的氧化應激反應；此外，富氫生理鹽水還可通過抑制B細胞淋巴瘤/白血病-2/B細胞淋巴瘤/白血病-2相關X蛋白-胱天蛋白酶3介導的凋亡途徑，減輕視網膜感光細胞退變并維持視網膜外核層的厚度；應用抑制劑和干擾小RNA下調SIRT1表達阻斷了富氫生理鹽水的視網膜保護作用，提示氫氣可能通過SIRT1介導其抗氧化應激反應并抑制細胞凋亡，從而達到抑制視網膜急性光損傷的目的[13]。另有研究表明，氫氣能夠通過抗氧化和抗凋亡減輕光誘導的視網膜損傷，SIRT1可能是其體內作用的一個靶點[51-52]。這也為一些與色素上皮細胞異常相關的臨床病變(如年齡相關性黃斑變性、急性區域性隱匿性外層視網膜病變)的預防和治療提供了新的嘗試。

2.7其他保護作用 在大鼠視神經鉗夾傷模型中，腹腔注射富氫生理鹽水可顯著抑制視神經節細胞的減少[53]，也可改善損傷后閃光視覺誘發電位P1波的潛伏期和振幅[54]。在谷氨酸興奮毒性誘導的視網膜損傷豚鼠模型中應用富氫生理鹽水發現，其可顯著抑制視網膜神經節細胞的減少，增加視網膜厚度[55]。腹腔注射富氫生理鹽水可顯著抑制鏈脲佐菌素誘導的糖尿病大鼠視網膜電圖振幅值的降低，上調突觸小泡蛋白和腦源性神經營養因子表達，保護與糖尿病相關的血-視網膜屏障功能[56]。在高氧誘導視網膜新生血管小鼠模型中，富氫生理鹽水可顯著縮小視網膜血管無灌注區，下調血管內皮生長因子表達，從而抑制視網膜新生血管產生[57]。

3 小 結

過量活性氧的產生與眼部疾病和損傷關系密切，清除活性氧具有減輕或治療疾病的作用[58]。氫氣是一種潛在的抗氧化劑，可以選擇性地清除·OH和過氧亞硝酸陰離子，從而在病變或損傷過程中發揮治療作用[59-60]。氫氣在眼科領域的應用有多種方式，如吸入氫氣、飲用富氫水、富氫生理鹽水點眼等，且不良反應罕見[61-62]。氫氣改善眼部疾病和損傷的有效性和安全性已得到一系列實驗證實，但其臨床應用仍需要進一步驗證。未來應積極努力建立明確的氫氣療法用藥指南，并確定其臨床適應證。