分子氢与自噬和氧化应激

张坷平 谷竞龙飞 焦剑桥 刘欣然 苑方硕 张 丽 李金国 张昭强

1.山东第一医科大学（山东省医学科学院）基础医学院，山东泰安 271000；2.泰安市中医医院，山东泰安 271000

分子氢作为一种便于制备的抗氧化物质，被看作是天然的抗氧化剂，而氧化应激又与自噬相关过程存在密切关联，自噬功能异常与多种疾病的发生有关。一直以来，分子氢对氧化应激的作用多有报道，近年分子氢对自噬的影响相关研究又成为新的热点。本文拟对相关研究进行综述，以期为后续研究提供参考。

1 分子氢的应用现状

研究表明分子氢对多种疾病具有明确的预防和治疗作用。富氢水可以改善创伤及电离辐射所导致的脑损伤，研究表明富氢水可能通过抑制核苷酸结合寡聚化结构域样受体3（nucleotidebinding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3）炎性小体，减少细胞凋亡，进而促进CD34 内皮祖细胞动员、归巢到创伤区域，参与新生血管生成等相关机制，最终改善神经功能［1-3］。通过建立败血症小鼠模型，发现氢气可通过降低血清和组织中早期及晚期促炎细胞因子的水平来提高败血症小鼠的存活率，并能减轻其器官的损伤程度［4］。Fujita［5］发现饮用含氢气的水能显著减少急性和慢性给予 1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶的帕金森病模型小鼠多巴胺能神经元的丢失。此外，分子氢对辐射引起的肠和细胞损伤也有明显的保护作用，这种保护作用可能通过阻断线粒体凋亡途径实现［6］。富氢水对黄曲霉毒素B1所导致的大鼠急性肝损伤有缓解作用，主要与减轻氧化应激、抑制丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）信号转导通路的激活有 关［7］。核因 子 κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）是免疫系统的关键调节物质，研究发现，在血管阻塞的大鼠全脑缺血再灌注模型中，分子氢可通过下调肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的表达抑制NF-κB 的转导，能够有效地缓解其脑组织在缺血再灌注中的炎性反应，其机制还可能与通过上调B 淋巴细胞瘤-2 基因（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）的表达，降低促凋亡Caspase-3 蛋白、白细胞介素 1β 的表达水平有关［8-10］。Ishibashi 等人［11］通过对饮用富氢水的类风湿性关节炎患者的研究发现，分子氢可降低类风湿性关节炎患者的氧化应激和疾病活动。富氢水也可改善多种炎性状态，如胰腺炎、结肠炎、肝炎等，减轻损伤后炎症反应，这一作用是通过降低活性氧物质（reactive oxygen species，ROS）含量，从而抑制 TNF-α 的合成实现的［12］。有研究表明，分子氢可以促进自噬相关蛋白的表达，抑制炎症体NLRP3 通路的激活，减轻神经病理性疼痛引起的过度病变［13］。由于分子氢能清除羟自由基以及过氧硝酸根离子，具有选择性抗氧化作用，对心血管系统相关疾病具有一定的治疗作用［14］。通过建立大鼠心肌缺血再灌注损伤的模型，发现富氢盐水也可以通过PINK1（PTEN induced putative kinase 1）/Parkin 介导的自噬改善大鼠心肌炎症反应和细胞凋亡［15］。相比之下，氢分子在癌症治疗中的作用关注较少，尽管有研究表明，氢分子对癌症发展具有抑制作用，但对肿瘤的生长和侵袭的影响却很小［16］。

2 分子氢对自噬的影响

自噬是促进代谢与某些细胞器更新的常见方式，一方面具有清除变性或错误折叠的蛋白质、衰老或损伤的细胞器等功能，有利于细胞内稳态的维持，另一方面还可以提供营养以维持正常的细胞功能。近期的研究发现，分子氢通过不同的作用机制，对自噬有一定的干预作用。通过对光老化模型人成纤维细胞损伤的研究发现，分子氢可以通过促进自噬过程，下调中波紫外线（UVB）诱导的HaCaT 细胞炎性因子的表达，从而发挥对人成纤维细胞损伤的保护作用［17］。Du 等人［18］发现，富氢水可以激活p53 介导的自噬，达到减轻肝移植后急性肾损伤的目的。富氢盐水也可通过减少内质网应激和增加自噬机制对缺氧缺血性脑损伤的新生小鼠提供神经保护作用［19］。分子氢可以通过调节由mTOR（mammalian rapamycin target protein）-自噬信号通路介导的小胶质细胞极化来减轻脓毒症诱导的神经炎症［20］。富氢水也可以通过降低Beclin1（B-cell lymphoma-2 interacting protein 1）、Atg7（autophagy related protein 7） 和 LC3β Ⅱ （microtubule-associated protein 1 light chain 3β Ⅱ）的表达，限制ROS 的积累，显著阻断心脏肥大的小鼠体内β-肾上腺素受体激动剂介导的过度自噬［21］，此外，富氢水还可通过ROS/单磷酸腺苷活化蛋白激酶/线粒体途径来抑制小鼠自噬，从而改善脂多糖诱导的急性肺损伤［22］。有研究发现，氢分子可以通过下调磷脂酰肌醇3-羟基激酶/蛋白激酶B/糖原合酶激酶3β（PI3K/Akt/Gsk3β）途径，防止脑微血管内皮细胞的凋亡，从而导致继发性脑损伤程度的降低［23］。叉头框蛋白O1（Forkhead box O1，FoxO1）可能是一个调节自噬的关键靶点，富氢水部分地通过抑制FoxO1 介导的自噬来达到神经保护作用［24］。多项研究证据表明，分子氢对自噬的相关水平存在着双向调控，但客观上都对机体产生了正面影响，其保护作用可能因使用剂量或作用受体的不同而产生变化［23］。这一现象的具体机制尚不十分明确，但均表明分子氢可能通过调节自噬水平实现对各种疾病的干预。

3 分子氢对氧化应激的影响

氧化应激是机体内氧化系统和抗氧化系统之间的稳态被破坏而形成的一种应激状态。机体处于应激状态的原因有很多，其中交感神经兴奋，儿茶酚胺释放增加，产生大量的ROS，激活补体系统，可产生多种促炎介质（如白三烯、血栓素A2等），并通过上调NF-κB 信号通路促进炎性因子TNF-α 的合成，进而引发炎症反应［25］。核因子NF-E2 相关因子（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）被认为是氧自由基稳态的重要调节因子，并支持细胞的功能完整性，而分子氢可能通过激活Nrf2 途径，促进天然抗氧化剂和减少细胞凋亡以及炎症［26］。氧化物产生过度或内源性抗氧化能力的减弱，都会对机体造成不可逆的损害，而分子氢可以高选择性地与氧自由基结合，从而减少机体的代谢紊乱。目前，分子氢作用的主要机制被认为是其信号转导的调节、基因表达的改变，以及其选择性清除自由基的结果［27］。Oharazawa 等人［28］研究发现，采用含氢滴眼液可以减少由视网膜缺血而产生的羟自由基，另有研究发现硅基制剂可以在胰液的作用下与水反应产生大量氢气，可以有选择性地清除羟基和过氧亚硝基阴离子，有效降低氧化应激水平，而不影响其他具有生理功能的活性氧类物质［29］。

4 分子氢调节氧化应激与自噬

氧化应激过程中产生的ROS 被认为是自噬的激活物，能够参与诱导自噬的启动，另一方面自噬可作为缓冲系统来控制ROS 的水平，自噬缺陷也会导致氧化应激［30］。在某种程度下，氧化应激与细胞自噬可以看作是一种动态平衡，自噬受损后会产生过量的ROS，当ROS 不断积累，细胞启动过度的自噬，二者间的平衡就会被打破，诱发一系列的临床症状［31］。诸多的影响因素，包括毒物和促氧化物等，除了可以直接导致线粒体的损伤外，还可以影响自噬体和线粒体的清除，这可能与自噬过程中不同的时间点有关。如果我们使用适当的干预手段，调控自噬与氧化应激之间的平衡，可以对组织起到较好的保护和治疗作用。而分子氢在二者的平衡系统中具有明显的调节作用，其还原性可以为活性氧补充电子，从而降低ROS 的含量，缓解氧化应激反应，细胞自噬水平也会随之下降。大量的研究结果表明，分子氢也可以直接或间接地影响自噬水平，且具有双向性，当细胞启动过度且非必要的自噬时，分子氢可以通过抑制各种促凋亡因子的活性，减少不必要的细胞凋亡以及线粒体损伤，达到减少ROS 的目的。而当细胞的自噬水平过低时，分子氢可以诱导自噬的激活，同时自噬又可以作为调控系统消耗ROS。

5 展 望

分子氢作为一种治疗性的气体，由于其在人体内扩散的自由性与高效性，及其具有便于制备，给药方式多样的特点，成为了在预防医学、治疗医学、康复医学等多个领域的研究热点。同时，分子氢在人体内特殊的代谢产物使其与一般药物相比优势显著，有着广阔的发展前景。分子氢对于多种疾病的治疗效果已得到证实，但在富氢水的治疗过程中，是否存在着某些特殊机制尚不明确。此外，由于自噬与氧化应激或者其他的炎症反应受到多种因素的影响，因此对于分子氢多项研究的差异性仍客观存在，其在生命体活动中的正负调控作用需要大量的研究予以支持。我们有理由相信，分子氢未来会作为安全、高效的抗氧化剂，为各种医学难题的攻破带来新的曙光。

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