氢气对心肌缺血再灌注损伤的保护作用

李淑英 李慧 倪娟

四川大学华西第二医院，出生缺陷与相关妇儿疾病教育部重点实验室（成都 610041）

心肌缺血再灌注损伤（myocardial ischemia⁃reperfusion injury，MIRI）是指短时间内中断心肌血供，一定时间后再恢复心肌血流灌注，反而加重心肌损伤，引起细胞死亡，导致梗死范围扩大，造成心功能进一步损害。MIRI常见于冠心病和心脏手术，是心血管疾病中导致患者发生并发症和死亡的主要原因之一。最新研究显示，冠心病急性心梗引起的MIRI将导致10%的患者死亡，而心功能不全发生率超过25%［1］。在心脏手术围术期，约2%～3%的患者死于MIRI，25%的患者因MIRI而导致不同程度的心功能不全、心律失常和低血压等并发症［2-3］。随着溶栓疗法和经皮冠状动脉介入治疗技术的不断发展，可以使缺血心肌很快重新恢复血液灌注及氧供应，这也给MIRI的治疗带来新的挑战。目前MIRI临床应用和研究较多的治疗方法是药物治疗，包括各种化学类药物，中药及多肽药物等，但疗效不甚明显。以及各种物理治疗方法，包括缺血预适应、缺血后处理、远处缺血处理等，疗效也不甚确切。

因此，寻找安全、有效、可行的方法减轻心肌损伤对于降低MIRI并发症的发生率和死亡率，提高患者的预后和生活质量具有重大的社会价值。气体治疗是近几年来新兴的治疗MIRI的方法，主要研究的气体有一氧化氮、一氧化碳、硫化氢以及氢气等。现阶段国外研究最多的是硫化氢，已有较多文献证实其可通过舒张血管平滑肌，抗炎，抗氧化应激及抑制心肌细胞凋亡等，从而保护受损心肌［4-6］。但由于硫化氢的毒性，而氢气作为一种无毒温和的选择性还原性气体逐渐成为了国内研究热点，目前已有文献报道了其对MIRI的保护作用［7-10］。本文就氢气对MIRI的保护作用做一综述。

1 心肌缺血/再灌注损伤（MIRI）

心肌在缺血一定时间后恢复血液再灌注反而会加重心肌损伤，即心肌缺血/再灌注损伤。如何改善MIRI是近年来临床研究的热点，到目前为止，临床上尚无避免MIRI的有效治疗方法。MIRI的机制研究有很多，其中氧化应激、细胞内钙超载及炎症学说是比较公认的机制，其他机制还包括细胞凋亡学说、心肌能量代谢障碍等。

1.1 氧化应激氧自由基（oxygen freeradical，OFR）是生物体内物质氧化过程中产生的不完全代谢产物，其性质不稳定、氧化能力强，易对细胞造成损伤。正常生理条件下，心肌细胞中存在少量氧自由基会被机体完整的抗氧化系统快速清除，机体的氧自由基清除系统包括：超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等。但在心肌细胞发生缺血缺氧时，氧自由基清除系统的功能将降低甚至丧失，而氧自由基生成系统的活性将增强。因此缺血心肌在早期恢复血供和氧供后，会发生较强的氧化应激反应，氧自由基会大量产生并急剧堆积，当超过机体抗氧化系统的清除能力时，氧自由基就会与心肌细胞发生反应，导致心肌细胞受损［11］。已有实验研究发现［12］，缺血心脏组织再灌注后，缺血区产生了大量的氧自由基，氧化应激是组织缺血再灌注损伤的重要因素之一。

1.2 细胞内钙超载在心肌发生缺血、缺氧的过程中，大量氧自由基的产生所引发的脂质过氧化反应加强，心肌细胞膜通透性增加，钙离子通道大量开放，促进细胞外钙离子大量内流引起细胞内钙离子堆积。细胞内高浓度的钙会激活钙依赖性蛋白酶，催化黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶，促进黄嘌呤分解为尿酸，同时产生大量的氧自由基。氧自由基和钙超载相互促进形成恶性循环，加重心肌细胞的损伤。同时因心肌细胞内pH值明显降低，细胞内酸中毒又激活细胞膜上的 Na+⁃H+和 Na+⁃Ca2+交换通道，钙离子内流增加，加重细胞内钙超载。细胞内钙超载破坏线粒体功能，抑制Ca2+⁃Mg2+⁃ATP酶活性，减少ATP的生成，造成细胞内能量代谢障碍。此外，钙离子还可激活磷脂酶，水解膜磷脂，造成细胞膜及细胞器损伤。研究发现，心肌缺血再灌注时给予细胞膜钙通道及线粒体钙单递体的拮抗剂，可显著降低细胞内的钙离子浓度，使心肌梗死面积减少约 50%［13］。

1.3 炎症反应心肌缺血再灌注时，细胞黏附分子和趋化物质可导致大量中性粒细胞进入心肌组织，黏附于心肌血管内皮细胞，中性粒细胞与血管内皮接触时即被激活，释放大量促炎细胞因子，如TNF⁃α、IL⁃6、NF⁃κB、IL⁃10等，促使白细胞黏附、聚集于毛细血管，引起血管堵塞而加重心肌缺血缺氧损伤。白细胞在缺血损伤区域可释放出破坏性蛋白酶，改变血管的通透性，进一步加重细胞的损伤。此外大量氧自由基的产生激发细胞膜磷脂过氧化反应，破坏内皮细胞功能，增加血管的通透性。故中性粒细胞在缺血损伤区的浸润、黏附、激活是MIRI的重要环节之一。研究表明，在心肌缺血再灌注时使用细胞黏附分子的克隆抗体来抑制炎症反应，能显著降低缺血再灌注损伤的严重程度［14］。在心肌缺血发生后再灌注前，实施缺血再灌注预处理、后处理，均能明显降低缺血冠状动脉内皮细胞与白细胞的黏附能力，缩小心肌梗死面积［15］。

1.4 细胞凋亡目前认为MIRI的发生与心肌细胞凋亡密切相关，缺血再灌注时持续缺血中的心肌细胞和再灌注后的心肌细胞均会有部分发生凋亡，而再灌注后可以减少可逆性受损心肌细胞发生凋亡，但却也加速不可逆性受损心肌细胞发生凋亡。诱导MIRI发生凋亡的主要原因是氧自由基的大量产生和细胞内钙超载的持续作用［16］。大量的氧自由基可诱发心肌细胞膜脂质过氧化，导致蛋白质变性，影响细胞的信号转导系统，激活相关凋亡调控基因导致细胞凋亡。此外氧化应激反应还可以直接诱发细胞内的DNA链断裂发生变异，从而诱导细胞凋亡。心肌细胞凋亡的主要调控因子为caspase家族蛋白酶、Bc1⁃2/Bax、Fas抗原、抑癌基因p53、热休克蛋白、TNF⁃α等［17］。心肌缺血再灌注后发生细胞凋亡的数量明显增多，且凋亡细胞数随缺血再灌注时间的延长而增加，细胞凋亡的多少决定着缺血再灌注损伤的严重程度。有研究表明抑制心肌细胞凋亡，可以减轻MIRI的损伤程度［18］。

1.5 心肌能量代谢障碍心脏是一个高度耗能器官，需氧量极大，一旦出现缺血缺氧，心肌细胞将迅速从有氧代谢转化为无氧代谢，此时无氧糖酵解产生的ATP成为心肌细胞能量供应的唯一来源。而无氧代谢的产能仅为有氧代谢的1/18，导致心肌能量供应骤减。同时糖酵解还会产生大量乳酸，使细胞内pH值下降发生酸中毒，导致ATP的产生进一步减少。心肌细胞内低水平的ATP，可抑制细胞膜上的 Na+⁃K+⁃ATP 酶活性，激活 Na+⁃H+酶活性，加重心肌细胞损伤；同时还会抑制肌浆网上Ca2+⁃ATP酶活性，钙内流增加，导致细胞内钙超载。细胞内钙超载，又促进氧自由基的生成，进一步加重心肌细胞损伤。目前认为能量代谢障碍很可能是MIRI的始动环节［19］。有研究显示，MIRI的严重程度和心肌细胞内ATP的含量密切相关，当ATP水平降低时，再灌注可引起大部分线粒体发生水肿；而当ATP水平升高时，再灌注仅引起小部分线粒体发生水肿［20］。

2 氢气

氢气广泛分布于自然界中，是无色、无味、无嗅，具有一定还原性的双原子气体。由于氢气的分子量小，结构简单，能迅速通过生物膜弥散到细胞质、线粒体和细胞核中，发挥其抗氧化作用。氢气可选择性清除机体内有害的羟自由基和过氧亚硝基，而对过氧化氢、超氧阴离子等友好的氧自由基无影响。近年来，随着氢分子医学研究热潮的开展，人们对氢气的医学研究已涉及到多个学科和领域。目前已有大量研究证明氢气能保护多种器官和组织细胞，对很多疾病具有潜在的治疗价值，如糖尿病、肥胖症、胰腺炎、溃疡性结肠炎、脓毒症、多器官衰竭、帕金森病、肿瘤、放射病等，尤其在组织缺血再灌注损伤中治疗效果显著［21-30］。近期研究发现氢气在心脏、脊髓、肺、肝、肠、肾和脑的缺血再灌注损伤中均有显著的保护作用［31-37］。氢气对MIRI的保护作用倍受关注，可能成为临床上减轻MIRI的安全、有效、可行的治疗方法。

2.1 内源性氢气的产生氢气作为人体内重要的能源物质，主要有两个来源途径：一个是通过毛孔在体外吸收（极少量）；另一个是通过机体内部的气化过程。氢气是内源性气体，由于人体细胞中不存在氢化酶，所以在机体组织细胞的代谢过程中基本无氢气产生，人体内氢气是由肠道细菌酵解未被消化吸收的碳水化合物而产生。如果食物和肠道菌群结构合理，每天可产生约150 mL氢气。氢气在人体内有三条清除途径：肛门排气、经全身血液循环后由肺呼吸排出和肠道细菌的代谢转化为硫化氢、甲烷和乙酸排出。氢呼气试验是一种非侵入性胃肠道检查方法，被广泛应用于胃肠道功能检测中，以评价胃肠道功能及肠道菌群情况。

2.2 外源性氢气的给药方式常用的外源性氢气的给药方式有直接吸入氢气、口服富氢水及注射饱和氢盐水。LIU等的研究中检测了经不同方法给氢后大鼠各组织内的氢浓度，发现不同的给药方式会影响氢气在组织中的分布浓度。口服给药时，氢气在脾脏中的血药浓度最高，其次是胰腺和小肠；腹腔给药时，氢气在胰腺中的血药浓度最高，其次是脾脏和小肠；吸入给药时，氢气在肌肉组织中的血药浓度最高，其次是胰腺和肾脏；而静脉注射给药时氢气在各组织器官中的血药浓度都较高，尤其在胰腺、脾脏和心脏中最高［38］。因此，根据不同给药方式时氢气在组织中的分布情况，可针对不同的疾病和组织器官，选择最佳的给药方式。

2.2.1 吸入氢气直接吸入氢气是最简单的给药方法，患者可通过呼吸机、面罩或鼻导管吸入氢气。虽然氢气易燃易爆，其爆炸浓度范围4%～75%，但氢气在空气中的浓度低于4%，故经由吸入法给氢气是相对安全的。在OHSAWA等的实验操作中，就是采用吸入法给氢气（吸入氢气浓度2%）来治疗大鼠的脑缺血再灌注损伤的。但由于吸入法给氢气需要呼吸环路传送气体，且操作比较复杂，限制了此法在临床上的推广应用［39］。

2.2.2 口服富氢水将氢气溶解在水中即制成富氢水，通过饮用方式给氢，则是非常安全方便的氢气摄入方式，特别适合长期给药。富氢水的制备方法较多，如电解水生成氢气，高压下使氢气溶解于水以及金属镁与水反应生成氢气等。在常压常温下，氢气在水中的溶解度可达到0.8 mmol/L，且不会改变水的pH值及理化性质。虽然饮用富氢水的给药方法安全方便，但仍然存在一些问题，如氢气在水中有挥发倾向，且富氢水经由消化道摄入吸收时会有部分丢失，故氢气的浓度相对不易控制。

2.2.3 静脉注射饱和氢盐水将纯氢气溶解在生理盐水中，经过一定的处理使氢气达到饱和，即可制造出氢气的饱和生理盐水溶液。该饱和氢盐水可以安全有效地通过静脉注射方式给药，是临床上实用性很强的给氢方式，能更加精确氢气的给药浓度，具有广泛的应用前景。

2.3 氢气对MIRI的保护作用关于氢气治疗MIRI的具体机制还不清楚，目前普遍认同的是选择性抗氧化、抗炎和抗凋亡这三种机制，且主要是通过选择性抗氧化发挥其保护作用。最近还有研究指出氢气可能是人体中的信号分子，具有与一氧化氮、一氧化碳、硫化氢类似的生理功能，能调节体内信号传导，甚至被称为是第四个气体信号分子［40］。

2.3.1 选择性抗氧化作用机体内存在的自由基包括活性氧自由基（超氧阴离子、羟自由基和过氧化氢等）和活性氮自由基（一氧化氮、二氧化氮和过氧亚硝基等）。部分毒性很弱的自由基是机体的信号分子，具有重要的信号传导作用，如过氧化氢和一氧化氮等；毒性很强的自由基却能导致机体氧化损伤，如羟自由基和过氧亚硝基阴离子等。氢气是一种性质温和的选择性抗氧化剂，即选择性中和毒性强的自由基，而对具有生物活性作用的自由基无明显影响，很少影响机体内部正常的生理反应过程。而目前临床上的许多抗氧化剂如维生素C和维生素E等，都是非选择性地清除体内的各种自由基，影响机体内部正常的生理反应过程，甚至可能引发其他病变，这大大的限制了它们在临床中的应用。其次，氢气与自由基反应的终产物为水，对机体无毒害作用，且多余的氢气则通过肺呼吸作用排出体外，在机体内基本无任何残留。而其他抗氧化剂，与自由基反应后会生成对机体有害的代谢产物，仍需要机体进一步代谢清除。

2.3.2 抗炎作用目前认为，在MIRI早期即发生炎性反应，阻断或减轻炎性反应是保护心肌免受缺血再灌注损伤的有效措施之一。在各种动物缺血再灌注损伤模型中，均发现氢气具有抗炎作用，氢气可下调炎性反应因子IL⁃1β、IL⁃6、TNF⁃α、细胞间黏附分子-1（ICAM⁃1）和趋化因子的水平。此外，氢气还可通过抑制炎症相关蛋白激酶信号传导通路和调控基因的表达来减少致炎因子的产生，从而发挥抗炎作用。在ZHANG等的大鼠MIRI模型中，腹腔内注射富氢水（0.9%氯化钠溶液），显示氢气可通过降低心肌急性损伤后TNF⁃α和IL⁃1的浓度从而起到心肌保护作用［41］。

2.3.3 抗凋亡作用目前对氢气抗凋亡作用的具体机制尚未完全研究清楚，还需深层次的研究来确定。调控细胞凋亡的途径主要有外源性途径和内源性途径：外源性途径主要由外源信号引起，通过刺激细胞膜表面的死亡受体而发生，如Fas/Fasl，TNF⁃α/相应受体等；内源性途径主要由内源信号引起，由线粒体通路介导，通过刺激细胞色素C释放从而激活Caspase⁃9，引起Caspases的级联反应。两条凋亡通路的最后通路均需激活Caspases。研究表明氢气可通过上调抗凋亡蛋白Bcl⁃2和Bcl⁃xl的表达及抑制Caspase⁃3和Caspase⁃12的激活，从而起到抑制心肌细胞凋亡的作用［42-44］。

3 展望

心肌缺血再灌注损伤在临床上的发生率极高，而氢气具有选择性抗氧化作用，体内代谢无残留，组织渗透性强及制备容易、价格低廉等诸多优点，因此在临床上用于治疗心肌缺血再灌注损伤具有广大的应用前景。大量研究已经证实，氢气能够减轻心肌缺血再灌注损伤，减轻氧化应激反应，下调炎症反应，抑制细胞凋亡，从而对心肌起到明确的保护作用。但其具体作用机制，如信号调控通路，相关基因蛋白等都还尚未明确，还需要大量更深入的研究来研究氢气的具体作用机制，这也将成为今后研究的热点，且可能会对临床上多种疾病的治疗产生深远影响。