孙学军教授谈富氢水、氢气抗炎症综述

2020-08-26 15:22:42 2

氢气通过选择性抗氧化产生生物学效应,抗炎症抗细胞凋亡可以认为是抗氧化效应的延伸效应。由于炎症是众多疾病的统一病理基础,因此可能是氢气对多种疾病治疗作用的重要原因。上海交通大学宋立华教授最近在第二军医大学学报发表了氢气抗炎症的综述,给我们快速了解氢气抗炎症提供了重要材料。

摘要。炎症与氧化应激是多种疾病病理过程的两个方面,它们互相促进,造成疾病的恶性循环。富氢水是富含氢气的水,研究表明,富氢水可选择性清除过量羟基自由基,有效减轻机体氧化损伤,在不同病理状态下减轻组织的炎性损伤。近年来研究发现,富氢水可以改善类风湿性关节炎、结肠炎、肝炎、胰腺炎等多种炎性状态,其抗炎作用的发挥与减轻氧化应激损伤和参与p38-MAPK、NF-κB等信号转导通路的调控有关。本文就富氢水的抗炎活性及其作用机制进行了综述。

在哺乳动物体内,内源性氢气是由未消化的食物在肠道厌氧菌的作用下发酵产生,随后通过血液循环到达肺部,最后随呼吸排出[1]。氢气与血红蛋白的结合力远小于氧气,不能被人体大量吸收,因此长久以来氢气都被认为是一种生理惰性气体,未引起研究人员的重视。

直到1975年,Dole等[2]通过将患有鳞状细胞癌的无毛小白鼠放于高压氢气舱内(8 MPa,2.5%氧气,97.5%氢气)发现氢气消退皮肤肿瘤,氢气对疾病的治疗作用才被逐渐认识和接受。由于氢气易燃易爆,实施氢气治疗需要在医院配备专门的设备和技术人员,因此一般选择将一定浓度的氢气溶于水中制成富氢水,为氢气在疾病预防和治疗中的广泛应用奠定了更方便、安全可行的基础。

近年来,富氢水在临床上的应用引起关注,研究表明富氢水可减轻缺血缺氧脑组织氧化应激反应[3]、心脏缺血再灌注损伤[4]、肠缺血再灌注损伤[5]、急性胰腺炎等多种炎症状态[6],提示氢具有较好的抗氧化和抗炎活性。因此,本文就富氢水在炎症治疗中的作用及其对部分信号通路的调节机制进行综述。

1 富氢水的抗炎作用

1.1类风湿关节炎 Ishibashi等[7]通过临床试验探究富氢水对类风湿性关节炎的抗炎作用,给予患者饮用高浓度富氢水(4~5 mg/L,530 mL/d),连续给予4周,结果发现患者血浆中8-羟基脱氧鸟苷(8-hydroxy-2 deoxyguanosine,8-OHdG)及C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)水平均降低,抗瓜氨酸化蛋白抗体(anti-citrufllinated protein/peptide autoantibodies,ACPA)指标恢复正常,提示氢分子可通过减轻机体氧化应激反应及其炎症反应,显著改善患者的关节炎症状。

1.2结肠炎 Chen等[8]给予BALB/c结肠炎模型小鼠腹腔注射富氢水(0.4 MPa下使氢气溶解于生理盐水6 h并达到饱和状态,现用现配,保证氢气浓度为0.6 mmol/L)和口服乳果糖,提高小鼠体内氢气含量,实验结果显示富氢水干预后小鼠结肠肿瘤坏死因子-α(Tumor Necrosis Factor-alpha,TNF-α)、白介素 (interleukin,IL) -1β、丙二醛(malondialdehyde,MDA)和髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)含量均降低,提示富氢水可通过降低炎性因子的表达减轻小鼠结肠炎症状。乳果糖可能是通过提高内源性氢气含量,进而达到减轻小鼠结肠炎症状的效果。

1.3胰腺炎 Chen等[6]给予利用L-精氨酸诱导的急性胰腺炎(acute pancreatitis,AP)SD大鼠尾静脉注射6 mL/kg富氢生理盐水(0.4 MPa下制得氢气饱和生理盐水,使用时氢气浓度稳定在0.6 mmol/L以上),结果表明,富氢水能降低AP大鼠的血清淀粉酶活性,抑制中性粒细胞浸润、脂质过氧化和胰腺组织水肿,进而减轻AP症状;此外,富氢水还能促进胰腺腺泡细胞增殖、抑制细胞凋亡和转录因子NF-кB激活。以上结果均表明富氢水可能通过抑制氧化应激、细胞凋亡和NF-кB激活,促进胰腺腺泡细胞增殖,从而减轻AP炎性症状。Ren等[9]对BALB/c AP模型小鼠腹腔注射富氢水(0.4 MPa条件下制备氢饱和生理盐水,氢浓度为0.6 mmol/L),结果表明富氢水通过降低小鼠NF-κB、TNF-α、IL-1β的含量发挥AP治疗效果,并推测其可能是通过抑制NLRP3炎性小体的激活发挥抗炎活性。

张德庆等[10]对SD大鼠胰胆管逆行注射5%牛磺胆酸钠建立急性重症胰腺炎(severe acute pancreatitis,SAP)模型,1 h后尾静脉注射5mL/kg富氢水(0.4 MPa下制备氢气饱和生理盐水,氢浓度为0.75 mmol/L)。通过检测血清中MDA、MPO、GSH、TNF-α、IL-6、IL-18的含量以及胰腺组织中TNF-α和细胞黏附分子1(cell adhesion molecule -1.CAM-1)的表达水平,发现富氢水可抑制SAP氧化应激损伤、炎性递质的释放,从而减轻SAP的病理损伤。

此外,还有研究表明富氢水对牙周炎[11]、急性肝损伤[12]和脓毒症[13]等也有一定的抗炎作用。

2 氢分子抗炎作用的分子机制

2.1 减轻机体氧化应激状态 研究显示炎症与氧化应激相辅相成,互相促进从而构成恶性循环,这主要表现在以下两个方面:炎症可触发细胞衰老,释放ROS[14],过量的ROS则引发机体氧化应激;ROS可以通过上调NF-κB信号通路促进炎性因子TNF-α的合成[15],TNF-α可活化烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(triphosphopyridine nucleotide,NADPH)氧合酶的表达,从而促进NADPH合成ROS[16],进一步加重机体的炎性反应。

在氢分子抗氧化方面,研究发现氢分子可调节氧化应激标志物水平,其能减少MDA、4-羟基壬烯醛(4-hydroxynonenal,4-HNE)、8-OHdG、MPO等脂质过氧化产物水平,增加超氧化歧化酶 (superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-Px)等抗氧化酶的活性[13.17-19]。此外,氢分子还能通过抑制细胞程序性死亡改善氧化应激损伤。有报道显示氢分子治疗可减少末端脱氧核苷酸转移酶阳性细胞的数量,同时抑制半胱天冬酶(Caspase-3和Caspase-12)的激活[18],进而降低或阻断细胞凋亡,表明氢分子具有抗氧化活性。

值得注意的是,目前有研究证明氢分子具有选择性抗氧化作用,即常温常压下体内氢分子不能与氧和活性相对弱且具有重要信号转导作用的ROS如超氧阴离子(O2·)和H2O2直接发生反应,只有在一定温度或催化剂等条件下,氢分子才能与活性和毒性较强的ROS如羟基自由基(·OH)和过氧亚硝基阴离子(ONOO)发生反应,从而发挥选择性抗氧化作用[20]。此外,Hiraoka等[21]利用体外实验测定了富氢水的抗氧化能力,结果表明在体外富氢水不能有效清除·OH和直接中和ROS。这提示氢分子的体内外抗氧化活性不同,其体内抗氧化活性及作用机制仍需进一步深入研究。

2.2 通过相关信号转导通路调控炎性基因表达

2.2.1 抑制丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)信号通路 除具有选择性抗氧化活性外,氢气减轻炎症的机制还可能与其参与调节炎性基因的表达及相关信号转导通路有关。MAPK信号途径是真核生物细胞中重要的信号转导通路之一,主要包括细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal-regulated kinase 1/2.ERK1/2)、SAPK/JNK (c-Jun N-terminal kinase,JNK)、p38-MAPK 3条途径,参与调控多种细胞生物学(增殖、分化及凋亡等)反应。其中p38-MAPK在转录和翻译水平参与了相关炎性介质的合成,是抗炎药物重要的作用靶点。

Cardinal等[22]在大鼠的肾脏移植实验中发现,肾移植后的大鼠口服富氢水不但可降低其炎性标志物TNF-α、IL-6、CAM-1和γ-干扰素(Interferon-γ,IFN-γ)等的mRNA表达水平,还可以通过抑制JNK、ERK1/2和p38等的活性抑制炎症相关的MAPK信号传导。Shi等[12]利用动物实验研究发现,富氢水可通过JNK和p38-MAPK信号通路抑制炎症和凋亡,从而减轻急性坏死性胰腺炎伴随的急性肝损伤症状。Guo等[23]构建严重烧伤SD大鼠模型,实验组大鼠腹腔注射富氢水(10 ml/kg·BW)处理后,肾组织中MDA和MPO含量减少,内源性抗氧化酶活性提升,MPO水平和血清炎性介质的释放降低,其作用机制是氢通过清除氧自由基,抑制ERK的磷酸化激活。Chen等[24]探究富氢水对新内膜增生引起的颈动脉球囊损伤时发现,富氢水能抑制大鼠血管平滑肌细胞的增殖和迁移,增加血管平滑肌细胞的凋亡,并可通过抑制Ras-ERK1/2-MEK(methyl ethyl ketone)1/2 通路和激活丝氨酸/苏氨酸激酶(protein kinase B,Akt )通路缓解颈动脉球囊损伤。

2.2.2 抑制NF-κB信号通路 NF-κB通常以无活性的二聚体形式存在,而炎症刺激会激活NF-κB信号通路,激活的NF-κB迅速转移至细胞核内,促进细胞调节因子、趋化因子、细胞黏附分子、免疫受体及炎症级联反应多种酶的转录和表达,因此NF-κB也被认为是免疫系统的中心调节物。

惠康丽等[25]使用SD大鼠建立血管阻塞全脑缺血再灌注模型,建模同时给予腹腔注射富氢水(5 ml/kg·BW),发现再灌注24 h后富氢水可降低大鼠海马区域TNF-ɑ水平和NF-κB免疫组化阳性细胞数,提示富氢水可通过减轻促炎因子TNF-ɑ的表达,抑制炎性蛋白激酶信号NF-κB的传导,缓解大鼠全脑缺血后再灌注时脑组织的炎性反应。同样,Li等[26]也通过腹腔注射给予全脑缺血再灌注损伤(I/R)大鼠富氢水,分别在6、24、96 h时检测NF-κB、转化生长因子-β1(transforming growth factor-β,TGF-β1)、TNF-α基因的表达和调节性T细胞(Tregs)的数量,结果发现I/R模型中NF-κB和TNF-α表达上调、TGF-β1表达下调、Tregs数量减少,而富氢水干预后可以很好地逆转I/R模型中这种表达趋势,有效促进I/R大鼠的脑复苏,进一步证实了富氢水缓解I/R炎性反应的作用与抑制NF-κB信号转导通路密切相关。Wang等[27]采用心室一次注射β-淀粉样蛋白(amyloid-β,Aβ)诱导SD大鼠阿尔茨海默病(AD)模型,每日给予大鼠注射富氢水(5ml/kg·BW),结果发现富氢水可通过降低大脑海马区IL-1β、JNK和 NF-κΒ蛋白的表达水平以及8-OHdG的含量,减轻AD引起的神经炎性反应。

2.2.3调节其他细胞信号通路 Liu等[28]研究发现,在脂多糖(LPS)诱发的视网膜病变小胶质细胞模型中,富氢水处理后髓样分化因子88(myeloid differentiation factor 88.Myd88)蛋白表达量下调。Myd88属于一类特殊的接头分子,其羧基端与Toll样受体4(toll-like receptor 4.TLR4)的TIR区域结合而活化。活化后的Myd88可以激活细胞质内的炎性因子受体,并通过TGF-β激酶与IKK信号连接,最终使NF-kB进入到细胞核中介导炎性细胞因子的激活[29],提示富氢水可通过下调TLR4炎性信号通路和调控炎性介质的表达,减轻LPS诱导的眼部损伤。

另有研究发现,富氢水能直接中和过量ROS,减轻Aβ诱导的细胞凋亡,通过激活组蛋白/非组蛋白去乙酰化酶SIRT1(silencing information regulator 1)-AMP依赖的蛋白激酶AMPK(adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase)信号通路,上调FOXO3a(Forkhead box O3)的表达,减轻Aβ诱导的线粒体膜电位损失[30]。其中,FOX转录因子在调控机体生长发育、代谢、细胞周期、凋亡等方面具有重要作用,去磷酸化状态的FOXO3a可促进神经细胞凋亡,在PI3K-Akt通路激活时亦发挥重要作用[31]。SIRT1属于多功能烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)+依赖性的蛋白脱乙酰酶,在抵抗炎性反应、氧化应激等方面均发挥重要作用[32]。

3小结和展望

综上所述,已有大量研究证明在不同的病理状态下,具有选择性抗氧化活性的富氢水可通过多种机制发挥抗炎作用。与传统的炎症治疗药物相比,富氢水或氢饱和生理盐水具有以下优点:(1)在临床和动物实验中不存在使用过量的情况,目前尚未发现氢气不良反应的相关报道;(2)氢气可选择性清除细胞毒性较强的·OH、ONOO等ROS,而不影响细胞毒性较弱的O2·和H2O2;(3)氢气的相对分子质量很小,可以自由穿越各种细胞膜,快速聚集到目标器官或细胞器发挥作用;(4)对机体的血流动力学及体温、血压、pH值、氧分压等常规生化指标没有影响[33];(5)富氢水制备工艺相对简单、实用,适合推广。

目前,关于富氢水治疗炎症的研究初步提示氢分子具有抑制炎症的潜能,但尚有诸多问题需要解决,如富氢水治疗肥胖和其他代谢性疾病相关的药物动力学,包括最佳干预剂量和干预方式等。此外,还需要利用动物实验和临床研究从不同层次深入研究富氢水对不同疾病炎症的作用,并运用分子生物学方法阐明氢分子在信号转导通路或蛋白水平调控的作用机制,为临床广泛应用富氢水提供更多的理论基础。

[参考文献]

姜婧,张瑶,蒋芮,李雅婷,宋立华.富氢水抗炎活性及分子机制研究进展[J].第二军医大学学报,2020.41(07):798-802.


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