低氘水在生物医学领域研究进展

徐志红 张舒羽 潘 璐 许波华 瞿 敏

(1.江苏华益科技有限公司，江苏 常熟 215522；2.苏州大学 医学部放射医学与防护学院，江苏 苏州 215123； 3.苏州精标影像科技有限公司，江苏 常熟 215522；4.苏州奥特泉水应用技术有限公司，江苏 常熟 215558)

天然水中的氘含量约为0.015%，氘(D)代替氕(H)形成的水为重水，低氘水(DDW或贫氘水)即为氘含量低于0.015%的水[1～3]。目前制备低氘水的主要方法是以自来水为原料，采用物理或化学方法将氘分离出来。低氘水在人体组织器官中的分布不同，zhimak[12～13]等人在2013年与2014年通过对实验室动物进行长达42天的观察及各种生化指标(磷酸酶、肌酸酐、胆红素)的检测分析不同组织器官内氘水的含量，在心脏中氘水中达到8.5%，在肝脏组织中达到9.3%，在代谢活跃的肾脏组织中更是达到15.8%。这表明低氘水在不同器官中的含量可能与其器官的功能有关。

早期研究发现[4,5]，通过降低水中的氘含量能够有效的增强机体的抗氧化能力。并且随着相关研究的深入，还发现低氘水具有增强生物体代谢，促进生长，延缓衰老，延长寿命[6～8]等作用。此外，低氘水还能够降低胰岛素抗性、减缓糖尿病患者血糖含量[9～11]、增强血管的反应性[14]，值得一提的是低氘水对某些癌症疾病的辅助治疗[15～24]效果显著，并且可提高辐照后生物体的存活率[25～30]。

1低氘水对衰老的影响

低氘水可减缓植物体内各种氧化酶[29]的表达，并可通过增加植物体中儿茶素[7]的含量，增强抵抗力。2014年Tanase C[28]等人发现，云山树皮提取物多酚化合物(SBPE)和低氘水在玉米植株的代谢过程中发挥着极其重要的作用，使用低氘水处理玉米植株，检测其叶片及根部不同酶的表达量发现，过氧化氢酶及超氧化物歧化酶含量显著降低，且其根部过氧化氢酶活性然降低，而使用云山树皮提取物多酚化合物处理玉米植株过氧化氢酶及超氧化物歧化酶表达量又得到明显提高，其过氧化氢酶活性也相应提高；同年，Tanase C[4]又利用低氘水处理日葵植株，发现云山树皮提取物多酚化合物(SBPE)结合低氘水可以刺激植物(向日葵)产生光合作用色素如叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素，并增加向日葵叶片中儿茶素的含量，提升植物的抵抗力，以及促进叶片的生长发育。低氘水与多酚提取物的结合可以作为一种自然的生物调节剂，增加向日葵这种农作物的产量，同时在生态农业生产以及稳定弄作为产量上极具发展前景。

人的寿命长短依赖于各种各样的内在遗传或外在环境因素，2014年Bulgaria等[6]通过调查保加利亚住宅区长寿人口，排除各种遗传性别等因素外，居民的长期饮用水—高山水(低氘水)是导致保加利亚长寿住宅区人口寿命延长的最重要的因素。虽然存在争议，但经过长期的探究观察，低氘水影响了细胞形态及其代谢机制，正常水中氘含量减少20%—30%对健康有益。在-0,1387 eV和波长8,95 nm的红外光谱下检测各种样品的水以及人的血清中的氢键平均值，结果显示，生命垂危以及患有肿瘤的病人红外光谱下的局域值相对与对照组偏大。这表明饮用一定的低氘水在生命过程中是必要的。

2低氘水对糖尿病的影响

2008年Aneta[8]等报道用低氘水处理经化疗大鼠，结果表明低氘水处理组所有大鼠与其对照组相比血浆总糖蛋白和糖基化水平均显著降低；2012年上海交通大学农业与生物学院周振宇[9]等通过建立一次性腹腔注射链脲佐菌素(STZ)诱导建立糖尿病Wistar大鼠模型发现糖尿病大鼠饮用低氘白酒后能够显著降低空腹血糖水平，有效提高血浆胰岛素水平，还能够降低因饮酒过量而引起的胰岛细胞损伤，有效的改善胰岛细胞的形态、体积和分布；同年，Molnár等[13]研究人员发现低氘水能够有效促进由链脲佐菌素(STZ)诱导引发的糖尿病大鼠的葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)从胞内转移到细胞膜，并大大增强了葡萄糖的摄取。研究者又在糖尿病患者身上进行了探究，招募了30名18～60周岁之间的糖尿病志愿者进行饮用低氘水实验，每天饮用不同的水，结果发现11名每天饮用1.5 L低氘水的糖尿病志愿者(占实验总人数的36.6%)的胰岛素抵抗减轻，志愿者全身葡萄糖的摄取量从每分钟0.2 mg增加到每公斤每分钟4.2 mg。结果表明低氘水不仅能够有效降低空腹血糖水平，而且能够减缓胰岛素抵抗。

3低氘水对心脑血管疾病的影响

由于低氘水的分子团比天然水分子团小50%，运动速度和渗透能力得到了有效的提高，因此能够顺利通过细胞膜上的水通道。1998年，Haulic[12]等发现重水(D2O)可拮抗血管紧张素的作用，从而引发动脉的舒张。低氘水则能够有效加强肾上腺素和血管紧张素引发的血管收缩反应，提高血管张力，并研究说明低氘水对血管的舒张和收缩具有调节作用。Krempels[15]在临床研究脑转移肺癌患者时发现低氘水可通过血脑屏障，血脑屏障阻碍了大部分抗癌化疗药剂的运转，导致药剂对脑转移肿瘤无效。试验小鼠饮用重水(D2O)时，发现脑组织和其它组织中的氘含量都得到了一定的增长，然而采用低氘水代替重水后，发现小鼠脑组织整合与未整合的氘含量都得到了有效的降低，实验表明低氘水能够快速通过血脑屏障，因此，低氘水作为辅助治疗剂能够在治疗脑血管疾病方面具有重要应用前景。

心脑血管疾病是影响人类健康的主要疾病之一，大多数此类患者同样患有动脉粥样硬化。Steinberg等研究人员提出的动脉粥样硬化的氧化学说认为，活性氧及其相关氧化产物能够对内皮产生损伤，诱导内皮细胞释放出各种促炎因子，从而引发动脉粥样硬化炎症反应，抗氧化应激可能会对动脉粥样硬化过程起到抑制作用。在低氘水抗衰老作用段落提到，低氘水处理玉米植株，检测其叶片及根部不同酶的表达量发现，过氧化氢酶及超氧化物歧化酶含量显著降低，且其根部过氧化氢酶活性然降低；同样，早在2007年Olariu等人[5]在观察饮用低氘水对机体红细胞的抗氧化物酶类影响时发现，饮用低氘水的大鼠的丙二醛(MDA)含量比饮用自然水的大鼠要低，此外，饮用低氘水的大鼠的还原型谷胱苷肽(GSH)值、谷胱苷肽还原酶(GSH-Red)活性和超氧化物歧化酶(SOD)活性都比饮用自来水的大鼠要高，上述结果表明低氘水能够有效影响动植物的抗氧化系统，较长时间饮用低氘水能够起到抗氧化的作用，从而进一步提示由动脉粥样硬化引起的心血管疾病可能饮用低氘水会得到有效改善。

4低氘水的抗肿瘤及其辅助治疗作用

虽然世界医疗水平发展迅猛，但癌症仍然是大众闻之色变的疾病，肿瘤细胞的形成与许多基因的表达存在密切的关系。c-myc基因作为myc基因家族的一个重要成员，能够使细胞进行无限增殖，实现永生化，c-myc基因能够参与细胞凋零，与多种肿瘤的产生和发展有关。p53是一种肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene)。在所有恶性肿瘤中，50%以上会出现p53基因的突变，p53基因发生突变后，该基因的空间构象发生了改变，从而失去对细胞生长、凋亡和DNA修复等方面的调控作用，因此，该基因从抑癌基因转变成为癌基因。2000年Gyöngyi Z[14]等人在研究中发现，低氘水的缺乏会导致肿瘤细胞的回归生长，给近亲小鼠饮用低氘水后，在RNA表达48h后发现在六种不同的组织器官(脾脏、肺、胸腺、肾脏、肝脏、淋巴结)中myc，p53基因表达均被抑制，这表明促使肿瘤形成的基因对低氘水存在一定的敏感性。

Feng-Song Cong[16]等人在2010年研究低氘水在生物体内以及体外实验中抑制肺癌细胞的影响及其机制研究，用不同浓度的低氘水处理人肺癌细胞A549，通过观察发现，A549细胞骨架以及细胞周期均发生了改变，在某个时间点抑制了细胞的增殖，通过扫描电镜及透射电镜观察也发现，细胞凋亡的形态学特征也发生了变化。Feng-Song Cong[16]等人还通过给BalB/c小鼠皮下注射H490肿瘤细胞建立肿瘤模型发现，通过给荷瘤小鼠饮用低氘水60天，明显抑制了肿瘤细胞的增长，低氘水组小鼠其肿瘤抑制率达到30%。Gyöngyi Z[18]等人在2011年通过研究发现，低氘水可抑制肺癌细胞的生长，以及原癌基因的表达，他们使临床上129位患有小细胞及非小细胞肺癌的患者饮用低氘水，结合传统的放化疗方法进行治疗，经过观察发现，结合低氘水治疗的患者存活率比接受传统治疗的患者存活率提高率2-3倍，并且性患者存活率要显著高于男性。同时低氘水也抵制了二羟甲基丁酸诱导的Bcl2,Kras 和Myc 基因的表达。因此，低氘水可以作为肺癌患者延长生存率的无毒抗癌膳食补充剂，特别是对于与肿瘤相关的基因过表达的女性患者。

2013年 Wang H,Zhu B[20]等人将鼻咽癌细胞(NPC)与正常的小鼠成骨前细胞MC3T3-E1在含有低氘水(50-150 ppm)的1640培养基中培养，利用MTT，平板克隆及Transwell等实验检测NPC与MC3T3-E1的增殖迁移及侵入能力，发现低氘水可抑制NPC细胞的增殖迁移以及它的侵入。然而，正常的小鼠成骨前细胞MC3T3-E1细胞在低氘水的培养基中培养，他的生长能力得到了有效的促进。通过对NPC细胞周期的检测发现，低氘水阻滞了细胞由G1期向S期的过渡，使S期细胞明显减少，G1期细胞明显累积。通过western-blot实验也发现，用低氘水处理的NPC细胞还原型辅酶Ⅱ(NADPH)表达量显著增加，而增殖细胞核抗原(PCNA)和基质金属蛋白酶9(MMP9)表达量减少。结果表明低氘水可作为一种新型无毒可辅助治疗鼻咽癌的产品，在未来拥有广泛的应用前景。

在全球范围内，宫颈癌在女性常见恶性肿瘤中排名第3位，同时也是四种易导致女性癌症患者死亡的肿瘤之一，分别占到新诊断癌症病例和癌症死亡总数的10%和8%。目前宫颈癌的主要治疗手段是手术、放射治疗和化学药物治疗。2014年广东医学院中美肿瘤研究所的张力[22]等人用不同低氘水浓度的培养基对 Hela 细胞进行处理，通过采用MTT法和进行划痕实验，发现Hela细胞的增殖和侵袭转移能力随着培养基中氘浓度下降得到明显的抑制。在氘浓度为 50×10-6的低氘水培养基中，72 h的Hela细胞增殖抑制率达到39.54%(P < 0.01)。此外，划痕实验结果表明低氘水对宫颈癌细胞的侵袭能力同样具有有效的抑制作用，并且同为氘浓度在50×10-6时，差异性最为明显(P < 0.01)。通过免疫印迹试验和免疫组化对相关蛋白的表达情况进行检测，观察到低氘水能够分别对Hela细胞中p21蛋白的表达水平和Na+/K+-ATPase的表达水平进行上调和下调。 p21waf基因作为p53基因的一个重要下游基因，p21蛋白作为p21waf基因的表达产物是目前最为广泛激酶抑制活性的细胞周期抑制蛋白。p21基因能够和p53基因构成细胞周期的G1期检查站。一旦DNA损伤后未经修复，那么不能通过G1期检查站，能够有效减少受损DNA的复制和累积。一系列研究表明，在抑低氘水制肿瘤方面有着不可忽视的重要地位，相信在不久的将来，低氘水有望成为新的抗肿瘤策略。

5低氘水的抗辐射作用

人体一旦在短时间内受到一定剂量的辐射，会对相关机体造成辐射损伤，从而产生贫血、免疫功能降低和内分泌失调等方面的影响。早在1983年到1987年Laissue J A[25,26]通过血液学的研究发现，低氘水可以对全身γ射线照射的小鼠起到保护作用，使其照后存活率显著增高，实验结果表明低氘水的抗辐射损伤作用与其能够提高相关免疫系统的防御功能有直接关系，特别是能够有效增强非特异性免疫防御功能，促进外周血细胞的增殖。Gabriel[27]等研究人员也进行了用半数致死量X射线照射小鼠的实验，发现饮用低氘水能够有效的增强龙牙楤木提取物的抗辐射作用。2010年Corneanu G C，Corneanu M[30]等在探究低氘水对的辐射防护作用时，使用低氘水与含0.01%多酚类物质的低氘水对小鼠腹腔注射，照射X-rays (5.28Gy)，在作用一天后产生应激因子，无论是低氘水单独作用还是与多酚类联合作用，都具有辐射防护效应，尤其是低氘水与酚类联合作用效果显著。虽然机制尚不清楚，但低氘水的这种特有的抗辐射损伤特性，在临床上将会很大应用潜力。

6展 望

人体中，水的含量占到了人体总质量的65%～70%，因此，水被称为是生命之源。氢键作为维持DNA分子稳定的重要因素，几乎参与了机体的所有生命反应活动，氘作为氢的同位素，正是通过这种方式影响着DNA的遗传和复制。目前，全球对于低氘水应用方面的研究还处于起步阶段，研究者对于低氘水对各种疾病的的作用机制还非常模糊，尤其是低氘水抵抗的肿瘤作用机制更是值得深入研究。随着现代分子生物学技术突飞猛进的发展，低氘水将在生物医学领域得到前所未有的广泛应用。

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