氢在代谢性疾病中的应用及其研究进展

吕朝阳（综述） 张 尧 何顺梅 于明香（审校）

（复旦大学附属中山医院内分泌科 上海 200032）

氢在代谢性疾病中的应用及其研究进展

吕朝阳（综述） 张 尧 何顺梅 于明香△（审校）

（复旦大学附属中山医院内分泌科 上海 200032）

氧化应激和炎症参与多种疾病的病理过程，包括代谢性疾病，如糖尿病、脂代谢紊乱、代谢综合征、肥胖和动脉粥样硬化等。目前多数抗氧化及抗炎药物剂量窗较窄、毒性较大，因此临床需要一种更加有效、安全的抗氧化应激及抗炎药物。近期大量研究提示氢分子具有选择性抗氧化及抗炎作用，对多种缺血再灌注损伤、炎症、神经疾病、消化疾病及代谢性疾病的动物模型均有很好的效果，提示氢分子有作为临床治疗代谢性疾病药物的潜能。本文综述了最新的相关研究并对未来研究方向作了展望。

氢；代谢性疾病；氧化应激；炎症

代谢性疾病是常见的、多因素参与的慢性疾病，包括糖尿病、脂代谢紊乱、代谢综合征、肥胖和动脉粥样硬化等，主要临床结果为心血管疾病。近年来，代谢性疾病发病率和死亡率急剧升高，已成为备受关注的公共健康问题。业已证明，代谢性疾病发生和进展的病理过程与氧化应激和炎症密切相关。氢是自然界最简单的元素，但由于其在水中溶解度很低，一直被生物学家认为是生理性惰性气体。但近期发现氢分子在抗氧化应激及抗炎方面有独特优势，具有预防和治疗多种疾病的潜能，包括代谢性疾病。本文就氢分子医学及其在代谢性疾病领域的应用进行综述。

氢分子介绍氢气是一种无色无味的气体，在标准状况下，氢气的密度为0.0899g/L，是自然界中密度最小的气体，具有可燃性及一定的还原性。在哺乳动物体内，内源性氢分子是由未消化的食物在肠道厌氧菌的作用下发酵产生的，随后进入血液循环，到达肺部后随呼吸排出［1］，但氢气在水中的溶解度比较低，与血红蛋白的结合力远小于氧气，不能被人体大量吸收，因此一直未引起研究人员的重视。2007年，Ohsawa等［2］报道氢气可选择性降低细胞毒性氧自由基活性，从而有效保护细胞，此研究标志着氢分子治疗疾病研究热潮的开始。

氢分子的抗氧化应激及抗炎作用

氢分子的抗氧化应激作用 氧化应激是由体内过量的活性氧（reactive oxidant species，ROS）和自由基产生的，如超氧基、过氧化氢（H2O2）和羟基（OH-）等，可导致体内核酸、脂肪和蛋白质等细胞组分的破坏。氧化应激在缺血再灌注损伤（ischemia reperfusion injury，I/R）中起重要作用。氢分子可保护动物模型大脑、心肌、肝脏、小肠、视网膜、肾脏免于I/R。氢分子改善缺血再灌注引起的氧化应激损伤的原因可能是其对毒性活性氧及自由基的清除。生物化学研究发现氢分子可减少多种氧化应激标志物，如丙二醛（malondialdehyde，MDA）［3］、4-羟基壬烯醛（4-hydroxynonenal，4-HNE）［4］、髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）［5］、尿8-羟基脱鸟苷（8-OHd G）［6］等。这些结果提示氢分子可通过抗氧化应激作用改善氧化应激引起的I/R。另外，氢分子还可能通过抑制细胞程序性死亡改善氧化应激损伤。有报道显示氢分子治疗可显著减少末端脱氧核苷酸转移酶阳性细胞的数量，同时减少半胱天冬酶-3（Cas pase-3）和半胱天冬酶-12（Cas pase-12）的激活水平［6］。上述试验均说明氢分子具有抗氧化性。

氢分子的抗炎作用 大量研究显示炎性过程与氧化应激相互促进从而构成恶性循环。一些研究显示了氢分子作为抗炎药物的潜能。2001年，法国的Ghrrib等［7］首次证明高压氢气对肝脏寄生虫感染后引起的炎症具有治疗作用。但高压氢气制作程序复杂难以广泛开展相关研究，在此后很长一段时间内未见相关研究跟进。直至2007年，Ohsawa等［2］证明吸入25mmoL/L的氢气即可选择性降低细胞毒性氧自由基，才开始对氢气的抗炎作用进行深入研究。2008年，Buchholz等［8］使用动物模型证明吸入2％氢气能保护小肠移植后损伤，并首次检测了小肠组织相关炎性因子IL-1、IL-6、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factorα，TNF-α），提出氢气具有抗炎作用。后续的研究发现氢分子可改善肝炎、结肠炎、胰腺炎、梗阻性黄疸和败血症/脓毒血症等多种炎性动物模型的炎性状态。据报道在炎性状态下，氢分子可显著降低模型动物的IL-6、TNF-α、细胞内黏附分子-1、IL-12、高迁移率族蛋白1和白介素-γ（interleukin，IFN-γ）等炎性因子水平［9-10］。另外，氢分子可部分抑制炎症相关蛋白激酶信号传导，包括Jun N端激酶（c-Ju n N-terminal kinase，JNK）、p38丝裂原激活蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinases，p38MAPK）、细胞外信号调节蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase 1/2，ERK 1/2）和核转录因子-κB（nuclear transcription factor-kappaB，NF-κB）等［11］。上述研究均提示氢分子具有抗炎作用。

氢分子与代谢性疾病的相关研究

代谢性疾病与氧化应激 目前有大量研究显示代谢性疾病与氧化应激显著相关，代谢性疾病可导致ROS的过量产生，从而引起相关疾病及并发症的发生与进展。Corkey等［12］研究发现，高血糖可刺激细胞产生过量的ROS，引起强烈的氧化应激反应，导致胰岛素基因的下调和胰岛β细胞的破坏，最终导致糖尿病发生。同时，氧化应激还可导致糖尿病相关并发症的发生与发展，如糖尿病肾病［13］和周围神经病变［14］。另外，肥胖患者血液中高游离脂肪酸可通过多种途径引起细胞和亚细胞中ROS的过量产生，导致脂质过氧化和炎性因子增加，如TNF-α、IL-6、C反应蛋白（C-reactive protein，CRP）等，进一步加重氧化应激构成恶性循环［15］。有研究显示肥胖者抗氧化物酶活性下降，造成蛋白质及脂肪的氧化损伤，导致肥胖加重和相关并发症的发生和进展［16］。

代谢性疾病与炎症 2型糖尿病（type 2 diabetes，T2DM）的关键发病机制主要是进行性β细胞功能障碍和胰岛素抵抗（insulin resistance，IR），大量研究显示T2DM常伴有血液中炎症相关标志物浓度升高，如IL、TNF-α、CRP、瘦素、抵抗素、纤溶酶原激活抑制物、内皮细胞黏附分子、Tanis蛋白和血清淀粉样物质A等［17-19］，过度分泌的炎性因子可通过多种通路，如NF-κB信号转导通路、p38MAPK信号转导通路、Jun N端激酶/应激激活蛋白激酶（JNK/SAP K）信号转导通路，导致胰岛β细胞分泌胰岛素功能受损及IR的产生。另外，研究发现针对炎性因子及其受体的特异性阻断剂的抗炎治疗可明显降低T2DM的发生率或延迟其发展［20］，在T2DM的预防和治疗中起着重要作用。这些证据均显示T2DM是一种慢性炎性疾病。代谢综合征包括腹型肥胖、高血压、高血糖及脂代谢紊乱，IR是其发生的核心环节，多种研究显示其与慢性炎症有关。代谢综合征患者血液中炎症相关标志物浓度升高，如CRP、脂联素，瘦素和抵抗素［21］等，抗炎治疗可显著改善血脂、血糖水平。

氢分子对代谢性疾病的作用 Kim等［22］研究发现电解还原水（electrolyzed-reduced water，ERW）可改善胰岛素缺乏和IR模型动物的血糖控制水平。而氢分子与代谢性疾病的人体研究开始于通过检测氧化应激分子探究富氢水对代谢性疾病的作用。2008年，Kajiyama等［23］首次设计了一个随机、双盲、对照的交叉人体试验，30名以饮食和运动治疗的T2DM患者和6名IGT患者每天摄入900mL富氢水或900mL安慰剂纯净水，在第8周时，通过口服葡萄糖耐量试验对IR、糖代谢及一些氧化应激的生物学标志物进行测量和评估。结果显示富氢水的摄入与修饰后低密度脂蛋白胆固醇（low density lipoprotein cholesterol，LDL-c）、致密LDL和尿-8前列腺素的下降显著相关，与氧化LDL和自由脂肪酸血清浓度的下降以及血浆脂联素和细胞外超氧化物歧化酶的水平升高相关。另外，在该试验中，6名IGT患者中有4例补充富氢水后口服葡萄糖耐量试验转为正常。这些结果提示，富氢水的给予有预防T2DM和IR的潜能。随后，Nakao等［24］在2010年对20名有潜在代谢综合征的患者进行8周的开放性初步研究，以检测富氢水（1.5～2L/d）对潜在代谢综合征的有效性。结果显示8周富氢水的摄入可使抗氧化酶超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）升高39％，尿中硫代巴比妥酸反应物TBARS减少43％；从实验开始至第4周，高密度脂蛋白胆固醇（high density lipoprotein cholesterol，HDL-c）增加8％，总胆固醇/HDL-c降低13％。该研究提示富氢水可预防代谢综合征。

2011年，氢分子对代谢性疾病的作用研究首次在分子水平开展。Kamimura等［25］首次通过动物试验证明，饮用富氢水可使糖原聚集在肝脏，显著减少肝脏氧化应激水平，改善db/db大鼠和饮食引起肥胖的大鼠的脂肪肝症状，抑制体重增长，并降低血糖和三酰甘油水平。此研究还在基因水平证明了富氢水的摄入可增加肝脏纤维母细胞生长因子21（FGF21）的mRNA水平，而肝FGF21的增加有助于降低血浆葡萄糖和三酰甘油水平。另外，该试验还通过对氧气消耗量和二氧化碳产生量的检测显示出富氢水可刺激能量代谢。该研究提示富氢水在肥胖和糖尿病的预防和治疗中发挥重要作用。有研究显示氢分子可激活磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol-3-OH kinase，PI3K）、蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）和AMP激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK），通过葡萄糖转运子-4（glucose transporter-4，Glut-4）增加C2C12细胞摄入葡萄糖［26］。另外STZ诱导的T1DM大鼠模型在腹腔注射和口服富氢水后显示，氢分子可显著增加线粒体细胞膜上Glut-4的表达并显著改善血糖控制水平。此研究显示氢分子对代谢的影响与胰岛素相似，口服富氢水可作为替代胰岛素治疗T1DM的选择。人皮肤纤维母细胞（human skin fibroblast，HSF）是皮肤的重要组成部分，有研究显示富氢细胞培养基可显著减少细胞内氧水平、稳定线粒体膜电位，并减少MDA、8-OHdG、3-硝基络氨酸（3-nitrotyrosin，3-NT）水平，从而保护HSF免于氧化应激损伤［27］。因此，氢分子有治疗糖尿病皮肤病变的潜能。

氢分子治疗代谢性疾病的优势与传统药物相比，无论是低浓度的氢气还是富氢水均有一定优势：（1）传统药物可能导致肝脏或肾脏损伤，如二甲双胍、他汀类药物等，或者因为肝酶或血肌酐升高而减少用药剂量导致患者无法获得最佳疗效。但未见报道显示氢分子在有效浓度具有毒性，因为过量的氢分子可通过肺呼出，产生毒性的可能性较小［28］；（2）氢分子可选择性清除毒性ROS，如OH-，但目前还没有证据表明氢分子可干扰生理状态下的氧化还原反应，如有重要生理功能的·和H2O2；（3）氢分子的相对分子质量很小，其可快速扩散进入组织并有可能到达重要的靶向亚细胞结构，包括线粒体和细胞核，可保护DNA免于氧化损伤；（4）与传统药物相比，饮用富氢水非常方便，且花费较低。

尚未解决的问题关于氢分子与代谢性疾病的研究已经完成一些试验，提示氢分子有预防和治疗代谢性疾病的潜能，但该领域的研究刚刚起步，尚有诸多问题需解决。我们还需要更多的临床研究、动物研究、分子生物学研究来进一步证实氢分子对代谢性疾病的功效，并在蛋白和基因分子水平（如信号通路或调控蛋白）探究其发挥作用的机制。另外，我们还需研究氢分子作为治疗代谢性疾病的药物动力学，包括最佳的给药途径、时间以及合适的剂量等。

结语代谢性疾病与氧化应激和炎症密切相关，氢分子可通过抗氧化应激和抗炎作用预防和治疗代谢性疾病，但氢分子对代谢性疾病的作用机制尚需进一步研究，氢分子用于治疗代谢性疾病是未来预防和治疗代谢性疾病的重要研究领域之一。

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Application and research progress of hydrogen in metabolic diseases

LV Chao-yang，ZHANG Yao，HE Shun-mei，YU Ming-xiang△
（Department of Endocrtnology，Zhongshan Hostpttal，Fudan Untverstty，Shanghat200032，Chtna）

Oxidative stress and inflammation play important roles in many diseases，including metabolic diseases，such as diabetes，dyslipidemia，metabolic syndrome，obesity，atherosclerosis and so on.However，the therapeutic windows of a majority of anti-oxidant and anti-inflammatory medicines at present are narrow.So there is a need for a more effective and safer anti-oxidant and anti-inflammatory medicine in clinic.A large number of recent studies show that hydrogen has anti-oxidant and antiinflammatory effects on a variety of animal models of ischemia-reperfusion injury，inflammation，neurological diseases，digestive diseases and metabolic diseases，suggesting that hydrogen is a potential drug for metabolic diseases.This article reviews the latest development of the researches related and prospects for future research directions.

hydrogen；metabolic disease；oxidative stress；inflammation

R 589

B

10.3969/j.issn.1672-8467.2014.05.024

△Corresponding author E-mail：yu.mingxiang@zs-hospital.sh.cn

2013-10-19；编辑：段佳）