氢气在眼科疾病中的应用进展

姚璐，齐林嵩

(空军特色医学中心眼科，北京 100142)

眼是最为重要的人类感觉器官，人类大脑中大约80%的记忆和知识信息通过其获得，但多种眼科疾病，如糖尿病视网膜病变、白内障、化学烧伤、视网膜缺血再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury，IRI)及光损伤会影响眼部接受外界信息的能力[1]。研究已表明，上述疾病的发生和发展均与过度的氧化应激密切相关，抑制氧化应激反应和清除过量的活性氧可能会产生预防和治疗效果[2]。目前已有多种物质在眼部病理学中被用作活性氧清除剂，从而增强细胞和组织对氧化损伤的保护[3-4]。然而，Ohta[5]指出，尽管抗氧化损伤具有重要的临床意义，但常用抗氧化剂的治疗效果有限。较低的膜通透性和较高的毒副作用等会阻碍这些外源性清除剂的治疗效能。2007年，日本学者首先报道分子状态的氢气具有选择性自由基清除作用[6]。此后，氢气参与的动物疾病研究及临床试验逐渐增多，特别是在氧化应激主要介导的一些疾病方面，包括新生儿脑缺氧、帕金森病、移植诱导的肠移植物损伤、认知缺陷、炎性疾病、代谢综合征、2型糖尿病以及脑、肝、心肌、肠和肾的IRI[7]。氢气具有许多潜在的抗氧化优点，如扩散迅速、选择性清除活性氧等，使其展现出强大的生物学效应。在眼科医学领域，氢气被广泛应用于疾病的预防和治疗，在角膜碱烧伤[8]、干眼[9]、白内障[10]及超声乳化手术[11]、视网膜IRI[12]、视网膜光损伤[13]等方面均有显著的保护性作用。现对氢气在治疗眼科动物模型和临床疾病方面的应用进展予以综述。

1 氢气的概述

氢是宇宙中最丰富的元素，构成近75%的宇宙质量。然而，氢在地球上多是以单原子形式存在于水和有机或无机化合物中。氢分子是最小的气体分子，由两个质子和两个电子组成。氢气是一种无色、无味、无臭的高度可燃性气体。当浓度达到4%～75%时，可发生快速连锁反应而引起爆炸。但在化学方面，氢气是一种性质稳定的气体，能以很低的反应速率与羟自由基(·OH)和过氧亚硝酸阴离子在水中发生反应[6]。氢气作为一种小分子很容易从体内和细胞内逸出，且与其他分子的碰撞率很高，这可有效弥补其反应速率低的缺点[14]。氢气不易溶于水，在一个标准大气压室温下，100%饱和的氢水仅含有0.8 mmol/L的氢气，并且其可迅速穿透玻璃或塑料壁的任何容器，只有铝容器能够保留氢气稍长一段时间。

1995年，氢气第一次在人体应用，用于治疗深海潜水导致的高压神经综合征，此项应用是利用氢气减少深海环境下氮气毒性和呼吸阻力[15]。Gharib等[16]利用氢气自由基清除活性的研究显示，将血吸虫病相关慢性肝炎模型小鼠置于充有70%氢气的容器中，2周后其肝纤维化程度减弱，血流动力学状况改善，一氧化氮合酶Ⅱ和抗氧化酶活性提高，脂质过氧化物水平以及循环血中肿瘤坏死因子-α水平降低。Ohsawa等[6]对脑缺血再灌注大鼠模型的研究发现，吸入氢气可以有效抑制缺血再灌注造成的脑损伤，证实溶解在液体中的氢气可选择性地中和过氧亚硝酸阴离子和·OH，两者被认为是造成氧化应激损伤的重要介质，证实氢气具有抗氧化损伤特性，并通过减轻氧化应激反应缓冲由缺血再灌注造成的脑损伤。氢气的抗炎、抗凋亡、抗变态反应等作用逐渐被国内外研究者发现和应用[1,6,17-18]。近年来，氢气作为一种新型抗氧化剂在临床疾病和动物模型中广泛应用和研究[2,19-20]。

1.1氢气可迅速扩散到靶器官发挥作用 线粒体呼吸链是活性氧的一个主要来源，并可造成过度的氧化损伤。防治线粒体损伤是目前临床研究的重点，但许多常用抗氧化剂的疗效仍不显著，这可能与其不能轻易穿透屏障及被线粒体选择性利用有关[21]。氢气可轻易地穿透生物膜并扩散到细胞器内，以保证自身在细胞体内的良好分布，其可有效到达线粒体和细胞核等靶细胞器，故在防治与环境因素相关的疾病(癌症)及老化等异常方面有很好的效果[6]。此外，对各种组织内氢气浓度的监测证实，氢气的小分子性使其可以轻易穿透血脑屏障[22]。

1.2氢气能够选择性清除活性氧 一些低浓度活性氧(如超氧阴离子自由基和一氧化氮)在体内作为功能信号分子有特殊生物学效应，如调节细胞凋亡、增殖和分化[23-24]。然而，很多强抗氧化剂不仅可清除过量的活性氧，还可清除具有信号分子功能的活性氧。如一氧化氮是血管扩张必不可少的神经递质[25]；较高浓度的过氧化氢可通过髓过氧化物酶转化为次氯酸，以抵御细菌的入侵[26]。一些强抗氧化剂可能对这些必要的防御机制产生干扰，而氢气可选择性地清除·OH，而不清除具有生物功能的一氧化氮、超氧阴离子自由基和过氧化氢[6]，可见，与其他抗氧化剂相比，氢气对机体的影响非常小。

1.3氢气的无毒性有利于吸入治疗 较高浓度的氢气亦没有毒性，因此在给药方式(如采用吸入治疗)的选择方面具有更多优势[18,27]。继高压氢气与氮气以混合形式用于预防深潜水造成的减压病和动脉血栓之后，吸入高浓度氢气的安全标准开始逐渐确立[28]，其对人体作用的安全性也已逐渐被证明[9]。

2 氢气在眼科的应用

2.1抑制角膜碱烧伤后角膜新生血管(corneal neovascularization，CNV)生成 角膜的透明性是良好视力的必要条件之一，其自身无血管生长，营养来自角膜缘周边的血管网。然而，多种因素(如化学烧伤、炎症、过敏)可导致毛细血管由角膜缘向中央生长，即CNV[29]。CNV组织较脆弱，易出血及继发纤维化，引起角膜透明度降低，进而导致视力显著下降甚至致盲。温舒和杨炜[8]在氢氧化钠溶液诱导角膜碱烧伤大鼠模型中发现，造模3 d空白组CNV增生，14 d达角膜中央，富氢水点眼治疗组3 d、7 d、14 d的CNV面积明显小于空白组，且治疗14 d时，CNV面积显著小于妥布霉素地塞米松点眼对照组，说明氢气对碱烧伤诱导的CNV有显著抑制作用；该研究还发现，治疗组角膜组织的色素上皮衍生因子信使RNA水平明显高于对照组和空白组，房水中肿瘤坏死因子-α水平明显降低，提示氢气可能通过调控炎症因子肿瘤坏死因子-α，继而提高色素上皮衍生因子表达水平，从而抑制CNV。Kubota等[30]研究发现，过量活性氧是小鼠角膜碱烧伤导致CNV的重要原因，应用富氢水点眼后可显著降低组织活性氧含量，下调核因子κB的活性和血管内皮生长因子的表达，进而抑制CNV。Cejka等[31]的研究证实了氢气在新西兰白兔角膜碱烧伤治疗中的作用，富氢水治疗组的角膜透明度较磷酸盐缓冲液治疗组明显改善，且治疗组角膜组织的促炎细胞因子白细胞介素-1β及氧化应激产物丙二醛水平显著下降。综上，氢气有望成为临床治疗化学烧伤诱导CNV的一种潜在方法，其抗氧化和抗炎作用可能是其发挥治疗作用的重要机制。氢气与传统治疗药物联合使用或合成制剂可能是目前临床试验和应用的一种新尝试。

2.2稳定泪膜 干眼是常见的眼表疾病，其中泪液分泌量及质量对视觉功能的稳定起重要作用。过度的氧化应激和眼表炎症反应与干眼发生密切相关[32-33]。在一项东莨菪碱诱导的大鼠干眼模型研究中，应用富氢生理盐水点眼或腹腔注射均可显著增加大鼠的泪液分泌量和泪膜破裂时间，降低角膜上皮荧光素钠染色评分，说明氢气对干眼后体征的缓解有积极作用[34]。Kawashima等[9]的随机双盲对照研究发现，饮用促进肠道产氢的牛奶3周后，干眼患者呼出气体中氢气的浓度较空白组明显升高，提示该方法能够提高体内氢气的浓度；此外，该方法可显著改善使用视频终端人群的干眼症状，且产氢组的泪膜破裂时间显著长于空白组，同时产氢组中45岁以下女性泪液中8-羟基脱氧鸟苷水平显著降低，且呼出气体的氢气浓度与泪液中8-羟基脱氧鸟苷浓度呈负相关，与泪膜破裂时间呈正相关，提示氢气可能通过降低过度的氧化应激反应达到稳定泪膜的作用。以上研究为临床治疗干眼提供了新的策略，也为临床研究提供了一种新的氢气应用方式。

2.3抑制白内障形成 白内障是常见的致盲原因，70岁以上人群的患病率达80%以上，严重影响视觉功能和生活质量[35]。过度的氧化应激反应是白内障形成的危险因素之一，活性氧可参与晶状体蛋白质的氧化、交联和聚集，膜脂过氧化以及晶状体上皮细胞的凋亡等一系列生化反应[36]。Yang等[10]在亚硒酸盐诱导的大鼠白内障模型中发现，腹腔注射富氢生理盐水可显著减轻晶状体混浊程度，并显著上调抗氧化酶(超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等)的表达，提高还原性谷胱甘肽和总巯基含量，减少丙二醛生成，提示氢气可通过调控抗氧化相关分子的表达抑制氧化应激反应，进而抑制晶状体混浊的进程。但在白内障相关的临床研究和试验中，开始应用氢气的时间以及最安全且有效的给药途径仍值得进一步研究和探讨。

2.4减轻白内障术后角膜损伤 超声乳化吸除联合人工晶体植入是目前绝大多数白内障人群的手术方式[37]。然而，成熟期的硬核白内障往往需要更高的超声能量，后者可能引起角膜内皮组织的损伤[38]。过度的角膜内皮损伤可导致角膜水肿，甚至导致大泡性角膜病。有研究报道，白内障术后内皮损伤所导致的大泡性角膜病是穿透性角膜移植手术的常见原因[39]。高强度的超声能量在水溶液中可增加·OH的产生，导致角膜内皮的氧化损伤[40]。Igarashi等[41]的研究发现，使用富氢眼内灌注液可显著降低日本白兔眼超声乳化后角膜水肿的程度；此外，富氢眼内灌注液组氧化应激标志物8-羟基脱氧鸟苷和4-羟基壬烯醛水平显著降低，提示氢气通过抑制超声乳化后过度的氧化应激反应对角膜内皮起到保护作用。一项单中心前瞻性随机双盲临床试验中，32例接受双眼白内障超声乳化手术患者均行一眼富氢眼内灌注液治疗，另一眼传统灌注液治疗，结果显示，术后1 d、1周、3周富氢眼内灌注液治疗眼的角膜内皮细胞密度减少率显著低于传统灌注液治疗眼，且两眼术后视力、眼压、前房深度等差异均无统计学意义，说明氢气可减轻超声乳化术引起的角膜内皮损伤，且对术后视功能恢复无明显副作用[11]。可见，对于术中角膜内皮损伤高风险人群，超声乳化术中应用富氢灌注液是降低损伤的一种潜在方法，但富氢眼内灌注液的制备、储存和应用指南仍需进一步探讨和规范。

2.5减轻视网膜IRI IRI涉及多种疾病的发生发展，也是器官移植、心胸外科等领域亟待解决的难题[42-43]。视网膜的IRI会导致视网膜细胞的死亡和凋亡，引起视觉功能障碍[44]。这些改变在一些临床眼病中，如视网膜动脉阻塞、急性闭角型青光眼等，对视网膜造成的损伤往往难以逆转，甚至导致严重视力障碍和失明[45]。氧化应激损伤在IRI早期阶段即出现，·OH的过量产生被认为是视网膜损伤的重要原因[46]。Oharazawa等[12]在一过性眼压升高诱导的大鼠视网膜IRI模型的研究中发现，应用富氢生理盐水点眼可显著下调视网膜·OH的含量，减少8-羟基脱氧鸟苷和4-羟基壬烯醛的生成，抑制视网膜细胞的凋亡和视网膜厚度的变薄，且这种作用效果随富氢生理盐水浓度的升高而增强。Liu等[47]也通过腹腔注射富氢生理盐水在大鼠视网膜IRI模型中证实了氢气的神经保护作用，富氢生理盐水可显著抑制视网膜IRI导致的神经节细胞的减少，并可显著抑制聚ADP核糖聚合酶1的过度活化，提示氢气可能通过下调ADP核糖聚合酶1的活性，抑制DNA的氧化应激损伤和细胞凋亡。以上研究均提示，氢气通过降低IRI引起的氧化应激损伤，起到保护视网膜正常形态和功能的关键作用。由此可见，在视网膜动脉阻塞、缺血性视神经病变的治疗期联合使用氢气，可能会改善视力的预后，进而提升患者的视觉功能。并进一步探讨氢气的给药途径，吸入氢气理论上可以短时间内达到很高浓度，但如何保证用药途径的安全性是目前临床应用的难题。

2.6抑制视网膜光损伤 强光暴露会导致视网膜感光细胞退变，视网膜光损伤的动物模型在病理上也可在一定程度上模拟年龄相关性黄斑变性引起的视网膜感光细胞退变和色素上皮细胞失功能。氧化应激损伤与年龄相关性黄斑变性及光诱导的视网膜损伤密切相关，抗氧化剂的应用具有明显的治疗作用[48]。Tian等[49]在白光诱导的大鼠视网膜光损伤模型中发现，腹腔注射富氢生理盐水能够显著抑制光诱导所致的视网膜外核层细胞数的减少。Feng等[50]在蓝光诱导的大鼠视网膜光损伤模型中同样证实了氢气的上述作用，并发现氢气可明显降低视网膜丙二醛水平。另有研究证实，腹腔注射富氢生理盐水对白光诱导的大鼠视网膜光损伤模型视网膜细胞有保护作用，同时视网膜光损伤可下调视网膜沉默信息调节因子1(silent information regulator 1，SIRT1)信使RNA及蛋白的表达，而富氢生理盐水的干预能够显著抑制光诱导的SIRT1下调，并可通过上调抗氧化酶(如超氧化物歧化酶和过氧化氢酶)及清除过多的氧化应激产物(丙二醛)减轻光损伤诱导的氧化应激反应；此外，富氢生理盐水还可通过抑制B细胞淋巴瘤/白血病-2/B细胞淋巴瘤/白血病-2相关X蛋白-胱天蛋白酶3介导的凋亡途径，减轻视网膜感光细胞退变并维持视网膜外核层的厚度；应用抑制剂和干扰小RNA下调SIRT1表达阻断了富氢生理盐水的视网膜保护作用，提示氢气可能通过SIRT1介导其抗氧化应激反应并抑制细胞凋亡，从而达到抑制视网膜急性光损伤的目的[13]。另有研究表明，氢气能够通过抗氧化和抗凋亡减轻光诱导的视网膜损伤，SIRT1可能是其体内作用的一个靶点[51-52]。这也为一些与色素上皮细胞异常相关的临床病变(如年龄相关性黄斑变性、急性区域性隐匿性外层视网膜病变)的预防和治疗提供了新的尝试。

2.7其他保护作用 在大鼠视神经钳夹伤模型中，腹腔注射富氢生理盐水可显著抑制视神经节细胞的减少[53]，也可改善损伤后闪光视觉诱发电位P1波的潜伏期和振幅[54]。在谷氨酸兴奋毒性诱导的视网膜损伤豚鼠模型中应用富氢生理盐水发现，其可显著抑制视网膜神经节细胞的减少，增加视网膜厚度[55]。腹腔注射富氢生理盐水可显著抑制链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠视网膜电图振幅值的降低，上调突触小泡蛋白和脑源性神经营养因子表达，保护与糖尿病相关的血-视网膜屏障功能[56]。在高氧诱导视网膜新生血管小鼠模型中，富氢生理盐水可显著缩小视网膜血管无灌注区，下调血管内皮生长因子表达，从而抑制视网膜新生血管产生[57]。

3 小 结

过量活性氧的产生与眼部疾病和损伤关系密切，清除活性氧具有减轻或治疗疾病的作用[58]。氢气是一种潜在的抗氧化剂，可以选择性地清除·OH和过氧亚硝酸阴离子，从而在病变或损伤过程中发挥治疗作用[59-60]。氢气在眼科领域的应用有多种方式，如吸入氢气、饮用富氢水、富氢生理盐水点眼等，且不良反应罕见[61-62]。氢气改善眼部疾病和损伤的有效性和安全性已得到一系列实验证实，但其临床应用仍需要进一步验证。未来应积极努力建立明确的氢气疗法用药指南，并确定其临床适应证。