氢在中枢神经系统常见疾病中的应用进展

蒋 欣，尹春丽(综述)，吕佩源(审校)(1.河北医科大学研究生学院，河北 石家庄 050017；2.河北省人民医院神经内三科，河北 石家庄 050051；3.河北省唐山市工人医院神经内科，河北 唐山 063000)

·综 述·

氢在中枢神经系统常见疾病中的应用进展

蒋 欣1，2，尹春丽1，3(综述)，吕佩源2*
(审校)(1.河北医科大学研究生学院，河北 石家庄 050017；2.河北省人民医院神经内三科，河北 石家庄 050051；3.河北省唐山市工人医院神经内科，河北 唐山 063000)

氢；脑疾病；自身免疫疾病

氢(hydrogen,H)是宇宙中最简单的元素，其分子——氢气是一种无色、无味、无毒的气体。氢气在正常温度和部分浓度(空气中浓度<4.6%或在纯氧中的浓度<4.1%)时，不易燃烧[1]。室温下，100%饱和氢水仅可溶解氢1.6 ppm(0.8 mmol/L)[2]，且不被人体大量吸收，所以，既往人们一直认为它是一种无害的惰性气体[3]，未引起重视。直到2007年日本医科大学Ohsawa等[4]在《Nature Medicine》报道，动物呼吸2%的氢气就可有效清除自由基(·OH)和过氧亚硝基阴离子(ONOO-)，显著改善脑缺血再灌注损伤，由此引发了研究氢气治疗疾病的热潮。迄今为止，研究者发现氢对许多疾病(各种器官和组织缺血、动脉粥样硬化、神经退行性变疾病等)均具有保护作用，为其治疗提供了新的方向。现就目前氢在中枢神经系统常见疾病中的应用综述如下。

1 氢对脑血管病的治疗作用

1.1 缺血性脑卒中 缺血性脑卒中占所有脑卒中的80%～85%，而溶栓及动脉介入治疗可恢复血流，挽救半暗带，避免持续性缺血形成坏死，但却存在出血和缺血/再灌注损伤的风险。2007年Ohsawa等[4]应用大脑中动脉闭塞再灌注模型率先在国际上报道，呼吸氢气可以减少局灶性脑缺血/再灌注大鼠脑梗死面积，显著改善脑缺血/再灌注损伤，抑制氧化应激，起到脑保护作用；同时体外试验证明氢溶解在液体中可以选择性中和·OH和ONOO-，而对过氧化氢、超氧阴离子、一氧化氮无明显作用。2011年Liu等[5]选择同样模型，但给药方式改为腹腔注射富氢盐水(hydroen-rich saline,HRS)，发现缺血6 h以内腹腔注射HRS(1 mL/100 g)可明显减少大鼠脑梗死面积和水肿，降低缺血脑区8-羟基脱氧鸟苷、丙二醛(malondialdehyde,MDA)、白细胞介素(interleukin,IL)-1β，肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α水平，抑制半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase)3的活性。Ji等[6]采用四血管阻塞至全脑缺血模型研究，发现HRS可明显改善海马存活细胞数量，降低核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、TNF-α、MDA和caspase-3这些标志物的表达，从而缓解短暂性全脑缺血/再灌注损伤时的氧化应激反应和炎症反应。Nagatani等[7]研究发现呼吸氢气能提高全脑缺血小鼠7 d存活率(从8.3%提高到50%)，减少海马神经细胞损伤、自噬数量及脑水肿，同时脑组织氧化应激指标8-羟基-2’-脱氧鸟苷和MDA明显降低。

2012年Li等[8]选用SD大鼠永久性大脑中动脉闭塞致局灶性脑缺血模型进行研究，结果发现HRS腹腔注射可以剂量依赖性地减少脑梗死体积，改善神经功能，增加内源性抗氧化酶的活性，降低氧化产物水平及炎性细胞因子的水平，认为HRS可能通过减少氧化应激和炎症反应，对永久性局灶性脑缺血产生神经保护作用。而临床方面，Ono 等[9]开展了一项对比单独使用依达拉奉和联合HRS治疗急性脑干梗死的临床研究，通过磁共振弥散成像和表观弥散系数等检测指标，发现依达拉奉及HRS联合治疗可改善脑干梗死，且没有任何不良反应。

高血糖或糖尿病是脑缺血后出血转化的重要诱因。Chen等[10]采用大脑中动脉闭塞大鼠模型检测了氢气对这类损伤的作用，在脑缺血15 min时给予腹腔注射50%葡萄糖(6 mL/kg)，缺血90 min后再灌注并同时呼吸氢气2 h，结果显示呼吸氢气能有效降低缺血和出血体积，改善神经功能，并可减少氧化应激产物和基质金属蛋白酶9的水平。说明呼吸氢气对高血糖诱导脑缺血后出血损伤有保护作用。

1.2 出血性脑卒中 出血性脑卒中常比缺血性脑卒中更加凶险，而蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage,SAH)更为凶险，往往严重危及患者生命。2011年Manaenko等[11]对CD1雄性小鼠右基底节注射细菌性胶原酶诱导脑出血，发现在出血后24 h吸入氢气可明显减少脑水肿程度，改善神经功能；而出血后72 h，差异无统计学意义。因此认为，吸入氢气对脑出血存在急性脑保护作用，而因中性粒细胞浸润和小胶质细胞激活在出血72 h后才到达高峰，此时氢气不足以拮抗氧化应激，故不具有持续作用。此后他们的团队通过新的研究发现脑出血时肥大细胞激活的Lyn激酶磷酸化水平提高，胰酶释放增加，肥大细胞脱颗粒增加，而氢气可以降低上述改变，抑制血脑屏障的破坏，并改善神经行为功能[12]。说明氢气可能是通过阻断肥大细胞激活对脑出血发挥治疗作用的。

Zhan等[13]研究发现呼吸氢气对大鼠SAH导致的脑水肿、血脑屏障破坏、神经元凋亡和神经功能下降有治疗作用，而这些作用和氧化损伤减少有关。Hong等[14]研究证实HRS可能部分通过Akt/GSK3β通路，缓解SAH后早期脑损伤，减轻神经元凋亡和改善神经功能预后。Shao等[15]研究同样发现，腹腔注射HRS可以减少SAH导致的脑损伤，改善大鼠神经行为学，证实HRS可能部分通过抑制NF-κB通路和NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3炎症小体通路等炎症信号通路，减少脑组织炎症反应来发挥脑保护作用。

脑血管痉挛是SAH一个常见的严重并发症。Hong等[16]研究证实HRS显著改善SAH后神经系统的结局，改善SAH后基底动脉血管痉挛。此外，发现HRS可以降低脂质过氧化水平，升高抗氧化酶活性，降低基底动脉的炎性细胞因子水平，即HRS可能是部分通过减少血管炎症和氧化应激反应发挥神经保护作用。

而在临床方面，日前日本国防医学院正在进行一项大规模双盲随机安慰剂临床对照研究[17]，他们将比较联合应用HRS和硫化镁与单纯颅内注射硫酸镁相比是否对脑血管瘤破裂引起的SAH具有确切治疗效果，若这一研究如果成功，将不仅给SAH治疗带来了新的治疗模式，而且可首次给氢气临床治疗效果提供明确依据，这一研究结果必然会成为氢气医学研究历史上重要里程碑。

2 氢对神经系统退行性疾病的治疗作用

随着年龄的增加，老龄化必然会使神经退行性疾病患者增加。氧化应激和炎症反应是阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)、帕金森病(Parkinson disease,PD)等神经退行性疾病的基本病理生理过程。

2.1 AD AD又称为老年性痴呆，最初表现为记忆力减退，是目前最常见的神经系统退行性病变，其病理特征是异常折叠蛋白如β淀粉样蛋白和Tau蛋白聚集沉积，导致脑组织氧化和炎症损伤，这些损伤进一步造成神经元能量代谢障碍和突触功能紊乱。Li等[18]率先将HRS应用于脑室内注射amyloid β(Aβ)诱导AD大鼠模型，研究结果证实腹腔注射HRS可改善AD大鼠学习、记忆能力和运动功能，同时降低脑组织MDA、4-羟基壬烯醛、IL-6、TNF-α和神经胶质纤维酸性蛋白，HRS可显著减少Aβ诱导的氧化应激损伤蛋白及炎症标志物的表达，从而达到对AD的治疗作用。此后Wang等[19]进一步研究证实HRS可降低脑组织IL-1β、8-羟基脱氧鸟苷的水平及c-Jun氨基末端激酶、NF-κB的活化，HRS可减少Aβ诱导的炎症及氧化应激反应，可能是通过抑制c-Jun氨基末端激酶及NF-κB通路的激活起作用的。

2.2 PD PD最主要的病理改变是中脑黑质多巴胺(dopamine,DA)神经元变性死亡，导致中枢运动系统功能障碍。这一病理改变的确切病因目前仍不清楚，遗传因素、环境因素、年龄老化、氧化应激等均可能参与。神经毒剂6羟基多巴和1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶能通过活性氧产生选择性破坏DA神经元，经常作为制备动物PD模型的药物。

Fu等[20]发现，饮用50%饱和氢水能够预防6羟基多巴诱导的PD模型大鼠的黑质纹状体变性，通过对甲基苯丙胺诱导的行为学改变和酪氨酸羟化酶染色结果的分析，认为氢能防止DA神经元的丢失及功能下降，最终延缓PD的发生和发展。同年，Fujita等[21]研究结果表明，饮用含氢水对1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶诱导的小鼠PD模型同样具有相似的作用，有趣的是对浓度依赖性进行分析，发现氢浓度低至0.08 ppm(0.04 mmol/L)与饱和氢水1.5 ppm(0.75 mmol/L)的效果几乎相同，这表明氢的作用之强大，在日常生活中，饮用低浓度氢水仍然可以有效防止或减少氧化应激和神经退行性疾病的风险。

在临床上，一项针对PD患者安慰剂对照的随机、双盲、平行对照的临床研究(PD患者连续48周每天饮用1 L氢水)结果显示氢水组统一帕金森病评分量表(Unified Parkinson disease Rating Scale,UPDRS)得分改善，而安慰剂组结果继续恶化，证实饮用氢水安全、耐受性良好，并能显著改善PD患者的生活质量[22]。最新研究对不同时间点39项帕金森病调查表(the 39-item Parkinson Disease Questionnaire,PDQ-39)和PD改良Hoehn-Yahr分级进行调查分析，而这项研究的结果将确定氢水的安全性和耐受性，进一步证实氢气是否可以改善PD患者症状[23]。

3 一氧化碳中毒脑损伤及迟发性脑病

急性一氧化碳(carbon monoxide,CO)中毒是以中枢神经系统损伤为主的全身性疾病，有3%～30%的患者于中毒症状缓解后，经过“假愈期”(3～240 d)后再次出现严重的脑损伤，称为迟发性脑病(delayed neuropathological sequelae, DNS)。目前认为急性CO中毒脑损伤及DNS与自由基损伤、氧化应激、细胞凋亡以及免疫损伤等密切相关。2011年Sun等[24]研究发现腹腔注射HRS可显著降低CO中毒DNS大鼠模型脑组织髓鞘碱性蛋白的水平，减少小胶质细胞的激活，减少DNA氧化，抑制促炎细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α的水平，同时提高大鼠的认知功能；HRS可以作为一种新型和替代疗法治疗CO中毒DNS患者，其治疗作用可能与抗氧化和抗炎作用有关。Wang等[25]研究表明腹腔注射HRS，可以降低急性CO中毒所致脑组织神经元死亡，提高脑组织和血清的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性，降低MDA水平；同时还发现HRS可减轻CO中毒所致的髓鞘损伤，使巨噬细胞和细胞因子浸润减少，巨噬细胞炎性蛋白1α和细胞间黏附分子1表达水平降低。HRS可改善CO中毒后脑损伤，其保护机制可能与抗氧化及减轻免疫炎症损伤等相关。次年该团队研究进一步证实HRS可改善急性CO中毒大鼠认知功能障碍，降低坏死、凋亡和细胞自噬的程度；此外，HRS还可降低大鼠血清和脑组织中的铁含量，并增加血清铜与自由基代谢的含量，认为HRS的保护机制可能是通过影响体内微量元素来减少氧化损伤发挥作用的[26]。

4 氢对自身免疫性脑脊髓疾病的保护

多发性硬化(multiple sclerosis,MS)是一种以中枢神经系统白质慢性炎性脱髓鞘为主要病理过程的自身免疫疾病，病因不清，可能与病毒感染、自身免疫反应、遗传及环境等多种因素相关。实验性自身免疫性脑脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)是经典的中枢神经系统脱髓鞘疾病动物模型，其发病机制与MS有相似之处，是研究 MS发病机制及研发新型药物的重要工具。Zhao等[27]建立了EAE小鼠模型，并设立富氢水(hydrogen-rich water,HRW)低剂量组0.36 mmol/L及高剂量组0.89 mmol/L，研究结果发现预防性给予HRW灌胃(20 mL/kg，2次/d)均可延缓EAE发病，降低最高行为学评分，而症状发作后给予高剂量HRW灌胃仍可降低疾病严重程度、中枢神经系统浸润及脱髓鞘。因此，HRW治疗MS具有很大潜力。

5 氢对脑、脊髓外伤的保护

5.1 脑外伤 创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)可以导致脑水肿、神经系统功能障碍，出现远期的学习能力和记忆力下降，氧化应激可能是导致这些改变的重要因素。Ji等[28]研究发现TBI大鼠吸入2%氢气可减少脑组织氧化应激产物，提高抗氧化酶活性，从而改善脑水肿，降低血脑屏障通透性，减轻神经系统功能障碍。此后，该团队进一步研究发现腹腔注射HRS也可通过减少氧化应激发挥对脑外伤的保护作用，并且存在剂量依赖性[29]。同年Hou等[30]研究了HRS对液压冲击伤大鼠的脑保护作用，结果显示HRS可降低MDA、提高沉默信息调节因子2和脑源性神经营养因子的水平，同时改善轻微脑外伤后的认知功能。这些结果表明，HRS可保护脑外伤后轻度创伤性脑损伤，减少氧化应激，改善大脑突触可塑性。

5.2 脊髓外伤及损伤 脊髓外伤与TBI类似，其发病机制可能与氧化应激和炎症反应有关。2010年Chen等[31]首先证明HRS可治疗脊髓损伤，给予急性脊髓挫伤模型大鼠腹腔注射HRS，结果发现HRS可明显减少细胞凋亡的数量、抑制氧化应激反应；另外，还可改善脊髓损伤大鼠运动功能、增加脑源性神经营养因子的释放。总之，HRS可能是通过减少氧化应激反应发挥急性脊髓损伤神经保护作用的。Wang等[32]利用Allen法制备的急性脊髓损伤大鼠模型，于损伤后0.5、1、2、4、8、12、24 h，然后每天1次，共持续2周，将HRS通过导管注入到蛛网膜下腔(0.25 mL/kg)，结果发现HRS可显著减少细胞死亡、炎症细胞浸润、血清MDA含量和caspase-3免疫反应，同时降低血清SOD活性和降钙素基因相关肽的免疫反应性，改善脊髓损伤大鼠后肢的运动功能。因此，在急性脊髓损伤2周内注射HRS可有效修复脊髓损伤。

6 展 望

氢的大量研究表明，氢可以通过抗炎、抗氧化、抗凋亡及调节信号转导等机制对多种神经系统疾病发挥预防和治疗作用。然而目前的研究多局限于基础动物模型研究，且动物模型单一，尚需研究者们进行更多的试验以便探索其合适的给药时机、方式、剂量、药物疗效及作用机制等。相信随着研究者的广泛关注及大量研究的不断探索，具有制备容易、价格便宜、可以在日常医疗中有效实践等优点的氢，势必会作为一个有效神经保护药广泛应用于临床。

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(本文编辑：许卓文)

2017-01-09；

2017-02-20

蒋欣(1981-)，女，河北石家庄人，河北省人民医院主治医师，医学博士研究生，从事脑血管病、认知功能障碍诊治研究。

*通讯作者。E-mail:peiyuanlu@163.com

R742

A

1007-3205(2017)04-0492-05

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.04.032