年,Ohsawa等通过建立大鼠脑缺血再灌注模型首次发现氢气具有选择性中和氧自由基的功能。在抗氧化作用的基础上有学者提出氢气可能在缓解炎症反应、抑制癌细胞生长、减轻电离辐射损伤等方面有一定作用。本综述对氢气分子的四大生物学作用机制进行了归纳整理,以期全面系统地认识氢气的生物学机制。
1、 氢气传统的生物学应用。
氢是世界上分子量最小、最丰富的元素,约占整个宇宙质量的90%。氢气是一种无色无味的双原子气体,氢气密度小,在标准大气压下密度仅为0.0899 g/L,难溶于水比热大,扩散速度快。氢气的化学性质活泼,无毒无害具有可燃性。氢气还具备一定的还原性,能与氧化剂发生反应,但其还原能力较弱。
氢气作为潜水呼吸的递质性气体,具有资源丰富、价格低廉、呼吸阻力小等特点,因而被认为是中等深度或大深度潜水的理想递质,广泛运用于潜水领域。人们发现氢气在体内可由肠道细菌发酵代谢产生,当胃肠道功能障碍时,由于过多的碳水化合物未经吸收就到达结肠,使肠道细菌发酵产氢增加,进入血液的氢气可经循环系统到达肺部呼出。有学者通过检查患者呼出气体中氢气浓度的变化来检测胃肠道功能,首次建立了氢呼气试验。HBT作为一种无创性的胃肠动力检测方法可运用于乳糖(蔗糖)吸收不良、小肠细菌过度生长、胃排空障碍、小肠传递时间等一系列胃肠道功能状态的判断。此外,氢气可以有效地抑制高压神经综合征高压氢气还具有麻醉作用。
2、 氢气现代的生物学应用。
氢气的抗氧化作用 自由基是含有未成对电子的原子、原子团或分子,包括·OH、等,他们是维持正常生命所必需的物质,自由基反应是能量代谢的基础,部分自由基还是细胞内重要信号分子,也是生物大分子、细胞的危险杀手。正常生理状态下,体内自由基不断产生又不断被清除,达到一个动态平衡。当氧化反应增强和/或抗氧化能力受损时,氧化还原反应的动态平衡遭到破坏而向着有利于氧化损伤的方向发展,即产生氧化应激。氧自由基占体内自由基的绝大多数,可导致脂质、蛋白、DNA和的氧化损伤,引起致生理机能紊乱和细胞形态的损害。
近几年国内外研究发现氢气可作为一种还原性气体参与中和体内的氧自由基,并且选择性中和·OH、而不影响其他介导正常生理过程的ROS,如、等。
等通过建立因缺血再灌注而引起强烈氧化应激的脑部损伤大鼠模型,让实验鼠吸入2%的氢气,结果显示脑部氧化应激水平显著降低,I/R损伤得到缓解。该项研究证明氢气可中和体内毒性大的氧自由基如·OH和而对其他氧自由基没有影响。因此认为,选择性抗氧化作用是氢气治疗脑I/R损伤的基础。Fukuda等通过夹闭肝左叶和左中叶血供,建立大鼠肝I/R模型,吸入1%~4%的含氢气体,发现氢气可以有效抑制肝细胞凋亡,同时检测到血清中谷丙转氨酶和丙二醛(malondialdehyde,MDA)均有所下降。继氢气在脑、肝脏缺血再灌注研究之后,Hayashida等将离体心脏放入100%氢气的环境中40min,结果表明氢气可以迅速扩散到缺血心肌中,减小心肌梗死坏死的面积,从而防止有害的心室重构,促进心室功能的恢复。此后又有肠、肺、睾丸等I/R模型出现,这些实验均在一定程度上证明氢气的抗氧化效应。
近年来越来越多的研究提示氢气在治疗神经系统疾病上可能具有一定效果。Fu等通过纹状体内注射建立帕金森大鼠模型,立体定位前后分别给予半饱和富氢水观察大鼠帕金森病是否得到改善。结果显示,氢气可减少多巴胺能细胞的损失。进一步研究发现,氢气是缓解引起的氧化应激损伤来保护多巴胺能神经元,而不是直接与起作用。Li等通过脑室内注射β样淀粉蛋白建立大鼠阿尔茨海默病模型,连续腹腔注射氢水14d,观察脑组织氧化应激情况,结果显示MDA、和α指标显著下降,同时水迷宫测试证明大鼠记忆、运动功能明显改善。
等在其他神经损伤方面也做了尝试,研究者在眼球表面滴饱和含氢水,可缓解视网膜损伤引起的脂质过氧化和DNA的氧化反应,而且能够抑制炎症细胞的激活。
氢气在抗氧化的同时还可减少细胞凋亡。Ge等在大鼠模型脑室内注射2%的氢气,运用TUNEL染色,发现凋亡的神经细胞明显减少,皮质和海马中的和活性明显下降,这表明氢气可以通过抑制神经细胞凋亡发挥保护脑的作用。另外,研究证明氢气还可以减少听神经和视网膜神经的凋亡。
氢气的抗感染作用 清除ROS被认为是缓解炎症反应最根本的方法。与其他抗氧化的物质相比,氢气能够轻易通过细胞膜和细胞器膜,到达所需部位进行还原反应,有选择性地清除ROS。同时由于其本身性质不活泼因此不会造成机体生理功能的损伤和新陈代谢的紊乱。
3、与其他的抗氧化剂相比,氢气还能显著地降低脂质过氧化作用。
等证明呼吸8个大气压高压氢气可治疗肝血吸虫感染引起的炎症反应,实验结果显示氢气能降低肝纤维化,改善血流动力学,增加一氧化氮合酶I(NOSI)及抗氧化酶活性,降低脂质过氧化物浓度,降低血浆中α水平。该实验首次证明氢气具有抗感染作用,并提出氢气与羟自由基直接反应是治疗炎症损伤的基础。
等在小肠移植手术中给予捐献者和受捐者氢气治疗以减轻手术造成的胃肠运动迟缓和空肠肌肉循环性收缩的衰竭,并通过测定炎症递质,如、、以及α含量观察氢气的治疗效果,结果表明上述炎症递质明显减少。另外,在给予氢气治疗的患者肺组织中发现炎症性的rnRNA电磁反应显著降低,并且中性粒细胞增殖减弱。Zhang等的局部心肌I/R大鼠模型,以是否在实验大鼠喂养的盐水中添加氢气为变量设置对照组,通过测定炎症反应、梗死面积,心肌功能,得出氢气能够减轻局部心肌I/R损伤的结论。该实验结果显示氢气能够通过缓解由I/R引起的浓度增加,抑制炎症细胞活性,减少白细胞与受损心肌层的黏附从而减少心肌损伤,并通过降低炎症反应中的重要因子的含量以减轻炎症反应。
同时,经过氢气治疗的大鼠体内α、和MPO的浓度以及多核中性粒细胞数量降低,达到了减缓炎症反应的作用。
3.1氢气的抗肿瘤作用 肿瘤细胞较正常细胞可产生更多的活性氧,预示细胞的增殖、DNA的合成以及血管生成等并且氧自由基作为第二信使在细胞内信号传导中扮演重要角色,可诱导和维持癌细胞的致癌能力。
氢气作为一种抗氧化剂具备选择性中和氧自由基的功能,其在治疗肿瘤疾病方面的潜力引起了医学界的关注。
等建立了患有鳞状细胞癌的白化无毛小鼠模型实验将小鼠暴露在由2.5%的氢气和97.5%的氧气组成(气体总压相当于8个大气压强)的混合气体中长达2周,用以观察氢气是否能作为一种自由基衰退催化剂缓解皮肤肿瘤,事实证明氢气具备该功能。Saitoh等用由微孔气体鼓泡制备的富氢水辅以由0.003~1ppm的白金和PVP聚合物组成的白金纳米胶体观察两者结合对治疗舌癌的影响。结果显示,富氢水结合能降低人体舌上皮恶性肿瘤细胞形成速率和肿瘤细胞群的大小,其作用效果优于单独运用富氢水、或者PVP聚合物。此外,实验还证明富氢水结合可通过抑制细胞线粒体功能、减少细胞数量而达到抑制肝星状细胞高密度细胞群的效果。
3.2氢气的抗辐射作用 研究表明,辐射生物损伤的根本原因是自由基,但辐射引起的自由基与身体自身产生自由基的方式是不同的,核辐射具有电离、激发等特性,使被照射物质的原子、分子产生自由基。自由基增加引起各种生物化学反应,研究发现67%的DNA和细胞脂质的损伤由自由基引起的致电辐射诱导形成,此外自由基还破坏谷胱甘肽和酶等内源性抗氧化防御系统的平衡。研究者根据氢气具备选择性抗氧化功能,推测其能作为一种抗辐射剂对抗自由基引起的致电辐射。
等根据氢气具有选择性抗氧化作用结合辐射损伤的基本原理是辐射引起的自由基损伤这一结论,提出氢气可以治疗各种急性辐射并发症的假说。Qian等通过设置富含氢气缓冲剂培养的细胞与正常细胞两个组对照观察辐射后细胞发生的各项生理指标变化。结果显示经富含氢气缓冲剂培养的细胞较未经处理的细胞具有更强的存活能力,乳酸脱氢酶的渗出低且相对正常细胞的凋亡坏死率低,同时实验发现氢气处理的缓冲剂能够改善机体内生抗氧化系统,还可以明显降低因辐射而导致的脂质过氧化反应和核DNA氧化。Qian等还在另一项实验中证明氢气具有保护电离辐射损伤的心肌细胞功能。该实验结果显示氢可以降低心肌MDA和羟基脱氧鸟苷的含量,增加心肌内源性抗氧化剂,从而保护心肌免受辐射引起的损伤。
4、 氢气的未来展望。
目前氢气作为一种特异性的抗氧化剂被广泛的运用于各种疾病模型的研究,其抗氧化、抗感染、抗肿瘤及防止辐射损伤等一系列生物学效益渐渐得到证实。然而目前对于氢气的分子层面研究还相对较少,氢气特异性作用于哪些细胞内靶位点还不清楚。而且最近有学者指出氢气的这一系列生物学效益可能并不是其抗氧化作用,而是作为一种细胞内信号传导分子特异性作用于某些信号通路。
氧化应激反应是许多疾病的共同发病机制,氢气作为抗氧化剂被广泛的用于治疗缺血再灌注、炎症、慢性疼痛等病理改变,在心血管系统、神经系统、消化系统、泌尿系统均有大量的有关这些方面的动物模型研究,而当前临床研究甚少。所以需要更多的临床试验以便探索氢气合适的给药时机、方式、剂量及药物疗效等,相信大规模的临床试验研究将对进一步明确氢气的生物学效应及其机制具有重要的意义。
