氢气治疗疾病的相关机制

2012-01-23 08:55韩焕芝陈红光谢克亮于泳浩
中国中西医结合外科杂志 2012年1期
关键词:生理盐水氢气脓毒症

韩焕芝,陈红光,谢克亮,于泳浩

氢气治疗疾病的相关机制

韩焕芝,陈红光,谢克亮,于泳浩

氢气一直被认为是生理惰性气体,但最近发现氢气具有治疗多种疾病的作用,如缺血再灌注引起的脑、心、肝、肺和肾损伤,神经退行性疾病,脓毒症,糖尿病等。其机制仍不十分清楚,已知的包括抗氧化、抗炎、抗凋亡和信号通路调节作用。本文将氢气治疗疾病的相关机制进行综述。

氢气;抗炎;抗氧化;抗凋亡;信号通路

氢气在自然界中广泛分布,是宇宙中最丰富的元素。常温常压下,氢气的溶解度比较低,且不能被机体大量吸收,因此,人们一直没有重视氢在高等生物体内的作用。2007年,Ohsawa等[1]报道,动物吸入2%的氢气可显著改善脑缺血再灌注损伤,并认为其机制是选择性清除羟自由基和过氧亚硝基阴离子。该研究引起广泛关注,并引发氢气治疗疾病的研究热潮。随后发现,氢气能够有效治疗缺血再灌注引起的心、肝、肺和肾损伤,神经退行性疾病,脓毒症,急性胰腺炎,糖尿病及氧中毒等,并发现除了抗氧化作用外,氢气还具有抗炎、抗凋亡及信号通路调节功能,共同介导了氢气的保护效应。

1 抗氧化作用

1.1 选择性抗氧化 自由基是含有未成对电子的原子、原子团或分子。生物体内自由基类型很多,例如半醌类、氧、碳和氮自由基等,其中研究比较多的是氧自由基和氮自由基。氧自由基包括超氧阴离子、单线态氧和羟自由基,因过氧化氢等在生物学作用上与氧自由基类似,常把氧自由基和过氧化氢等共称为活性氧(reactive oxygen species,ROS)。比较重要的氮自由基有一氧化氮和过氧亚硝基阴离子。通常在病理条件下,如脓毒症、休克、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)和缺血再灌注损伤等[2],免疫细胞呼吸爆发释放大量ROS,在各类氧自由基中,过氧化氢和一氧化氮等具有非常重要的信号作用,体内存在特异性的清除系统。羟自由基和过氧亚硝基阴离子在体内无有效的清除系统,毒性作用非常强,是导致细胞氧化损伤的主要介质[1]。因此,寻找具有选择性清除羟自由基和过氧亚硝基阴离子的物质,是治疗各类氧化损伤的有效方法,也是抗氧化治疗应该选择的正确思路之一。

Ohsawa等[1]报道,动物呼吸2%的氢气可有效清除自由基,显著改善脑缺血再灌注损伤。他们采用化学方法,在细胞水平证明,氢气可选择性中和羟自由基(hydroxyl free radical,·OH)和过氧亚硝酸阴离子(peroxynitrite anion,ONOO-)。因此认为,氢气治疗脑缺血再灌注损伤的基础可能是“选择性抗氧化作用”。但是由于缺乏在体的直接证据,有关氢气的选择性抗氧化机制还需进一步的研究证实。

1.2 提高内源性抗氧化系统的活性 机体自身存在着两类抗氧化系统,一类是酶抗氧化系统,包括超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和过氧化氢酶(catalase,CAT)等,SOD歧化超氧阴离子生成过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2);CAT催化H2O2分解成氧和水,避免高毒性羟自由基的产生。另一类是非酶抗氧化系统,包括维生素C、维生素E和谷胱甘肽(glutathione,GSH)等,维生素C与维生素E还原超氧阴离子和脂自由基;GSH与NADPH在抗氧化酶的协同作用下还原H2O2和过氧化脂质等。多种动物实验都证实了氢气可提高抗氧化系统的活性,从而降低氧化应激所致的组织损伤。

QIAN等[3]研究氢气对小鼠辐射损伤的保护作用,发现辐射前20 min腹腔注射含饱和氢气的生理盐水,可显著降低动物血浆中的丙二醛(Malondialdehyde,MDA)水平和肠组织8-羟基脱氧鸟苷(8-hydroxy-deoxyguanosine,8-OHdG)水平,并提高血浆SOD和GSH的水平。XIE等[4]报道,于造模后1 h和6 h分别吸入2%的氢气,可明显提高中度和重度脓毒症小鼠的存活率,改善心、肝、肺和肾等损伤。其机制与提高血清、肝、肺以及肾组织中SOD和CAT活性有关。因此,推测氢气对脓毒症和脓毒症相关器官损伤的保护作用与提高抗氧化酶活性有关。有研究表明,在大鼠深低温循环骤停模型再灌注前10min,腹腔注射含饱和氢气的生理盐水5mL/kg,对脑损伤有明显的保护效应,并显著提高血清和脑组织中SOD活性[5]。

2 抗炎作用

炎症反应是许多疾病共同的病理过程,其涉及血管内皮细胞和多种免疫细胞的激活及大量炎症因子的释放,包括白介素-1β(interleukin 1 beta,IL-1β)、白介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-alpha,TNF-α)、单核细胞趋化因子-1(monocyte chemoattractant protein 1,MCP-1)、高迁移率族蛋白B1(highmobility group box 1,HMGB1)及细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule 1,ICAM-1)等。其中IL-1β、IL-6和TNF-α是介导急性期炎症反应最重要的细胞因子。HMGB1作为一种晚期炎症因子,又可进一步促进炎细胞的活化和聚集,以及其他炎症介质的生成和释放,从而引起瀑布式炎症反应。

动物吸入2%氢气,可减轻肠移植物损伤,显著改善小肠移植术后胃肠活动的延迟,减少移植物肌层和肺组织IL-1 β、IL-6、趋化因子(chemokine ligand 2,CCL2)的mRNA水平,并可减少肺组织中性粒细胞的浸润[6]。XIE等[4]的研究也表明,氢气可降低脓毒症小鼠血清、肺、肝和肾中HMGB1的水平,减轻炎症损伤。腹腔注射含饱和氢生理盐水10mL/kg,可显著减少心脏局部缺血再灌注所致的心脏梗死面积,降低心脏组织ICAM-1、TNF-α、IL-1β、髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)水平及中性粒细胞浸润[7]。有研究证实,吸入2%和3%的氢气均可显著降低大鼠心脏冷缺血再灌注所致的循环HMGB1的水平,并可明显减少肺部中性粒细胞浸润[8]。最新的研究还表明,腹腔注射含饱和氢气的生理盐水,可降低血清中IL-6,TNF-α水平,对野百合碱所致的大鼠肺动脉高压具有改善作用[9]。

3 抗凋亡作用

细胞凋亡主要有两条凋亡通路,其一为受体介导的死亡信号通路,主要由外源信号引起,如Fas/Fasl,TNF-α/相应受体等,导致细胞内凋亡级联相继激活,包括半胱氨酸天冬氨酰蛋白酶。另一条通路由线粒体介导,主要由内源信号引起,通过细胞色素C的释放激活caspase-9,引起caspases级联反应。细胞凋亡是许多疾病共同的病理基础,在疾病的发生发展中起重要作用。有研究表明,吸入氢气可抑制脑缺血-缺氧所致新生鼠神经元的凋亡,减少海马和皮层TUNEL染色阳性细胞数、caspase-3和caspase-12活性,因此,氢气对新生鼠脑缺血-缺氧损伤的保护与抑制神经细胞凋亡相关[10]。脊髓损伤后即刻、24 h、48 h,腹腔给予含饱和氢气的生理盐5 mL/kg,可明显减少脊髓TUNEL阳性细胞数和caspase-3,caspase-12的活性[11]。此外,Shen等[5]通过大鼠深低温循环骤停模型,也证实了含饱和氢气的生理盐水使脑组织凋亡指数和caspase-3表达明显降低。

4 信号通路调节作用

4.1 氢气与NF-κB 核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)是普遍存在于细胞浆中的一种快反应转录因子,激活的NF-κB转位入核与靶基因启动子/增强子上的κB位点结合,调节许多靶基因的表达包括细胞因子、趋化因子、黏附分子、氧化应激相关酶等。NF-κB信号通路参与感染、炎症、细胞凋亡和肿瘤等病理过程。有研究表明,在静脉注射Aβ1-42所致的大鼠阿尔茨海默病(alzheimer disease,AD)模型,连续腹腔注射含饱和氢气的生理盐水富氢盐水10 d,可显著降低其脑组织c-Jun氨基末端激酶(C-Jun N-terminal kinase,JNK)和NF-kB水平。并推测,含饱和氢气的生理盐水富氢盐水减轻大鼠Aβ1-42诱发的神经炎症和氧化应激,是通过降低JNK和NF-κB活性实现的[12]。有报道,尾静脉给予含饱和氢气的生理盐水富氢盐水6 mL/kg,可抑制急性胰腺炎大鼠的NF-kB活性[13]。

4.2 氢气与细胞外信号调节激酶 在正常和病理情况下,丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)在细胞内信号传导链中起关键作用,细胞外信号调节激酶 1/2(extracellular regulated kinase1/2,ERK1/2)是MAPKs家族的一个重要成员,与细胞氧化应激和炎症反应有关。ERK1/2能被LPS激活,并产生炎症介质如TNF-α、IL-6、NO等炎症介质;抑制ERK1/2能够有效地减轻器官功能障碍,并能抑制炎症反应。结扎SD大鼠胆道后,腹腔给予低剂量5 mL/kg和高剂量10 mL/kg的含饱和氢气的生理盐水,均可降低肝脏组织中TNF-α和IL-6的水平。通过蛋白印记和免疫组织化学技术证实,氢气可显著抑制ERK1/2的磷酸化,降低其活性,因此推测,富氢盐水降低炎症反应的基础,是干扰了ERK1/2信号通路[14]。

4.3 氢气与FcεRI-介导的信号传导 机体过敏反应在很大程度上依赖于肥大细胞膜上的特异性受体FcεRI。肥大细胞膜上交联的FcεRI,引发了下游的一系列信号事件,并导致脱颗粒,包括细胞因子及趋化因子产生以及白三烯的释放。有人用含氢培养基培养大鼠RBL-2H3肥大细胞4 h后,加入IgE培养24 h,发现氢气抑制FcεRI相连的Lyn和其下游分子Syk、PLCγ1、PLCγ2、Akt、ERK1/2、JNK、P38、cPLA2的磷酸化,从而减少肥大细胞脱颗粒,并指出,在速发型超敏反应中,氢气的保护作用不是通过清除自由基,而是通过调节信号通路,推测氢气和NO一样是一种气体信号分子[15]。

5 展望

氢气具有制备容易、价格低廉、无毒、渗透性强、无残留等诸多优点,具有很强的临床应用前景。大量实验表明,氢气对多种疾病都具有治疗作用,但是其机制尚不明确。其抗氧化、抗炎、抗凋亡及调节信号通路功能等之间的交叉关系是怎样的,氢气是否是继NO、CO、H2S之后的第4种气体信号分子,其调节的信号通路有哪些?这些都需要进一步的研究,为氢气真正成为一种临床药物奠定基础。

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(收稿:2011-10-20 修回:2011-11-26)

(责任编辑 余剑波 屈振亮)

Q95-33

A

1007-6948(2012)01-0102-03

10.3969/j.issn.1007-6948.2012.01.043

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于泳浩,E-mail:yuyonghao@126.com

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