氫氣對(duì)結(jié)腸損傷的保護(hù)作用*

李 佩 蘇軍凱 張鳴青1,&

福建中醫(yī)藥大學(xué)研究生院1 (350108)解放軍第一七五醫(yī)院(廈門大學(xué)附屬東南醫(yī)院)消化內(nèi)科 南京軍區(qū)消化內(nèi)鏡中心2

氫是宇宙中最簡(jiǎn)單且含量最多的元素，而氫氣(H2)是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、易燃、具有一定還原性的雙原子氣體，質(zhì)量在自然界中最輕。人和動(dòng)物體內(nèi)存在一定數(shù)量的氫氣，主要由腸道厭氧菌酵解碳水化合物產(chǎn)生，臨床上可通過(guò)檢測(cè)呼氣中的氫氣水平即氫呼氣試驗(yàn)了解胃腸動(dòng)力情況，診斷乳糖不耐受、腸道菌群紊亂等疾病[1]。

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為氫氣只是腸道菌群代謝產(chǎn)生的廢氣，是一種生理性惰性氣體，不具有任何生物學(xué)作用，直至20世紀(jì)70年代，才陸續(xù)有研究發(fā)現(xiàn)氫氣在動(dòng)物和人體內(nèi)表現(xiàn)出抗氧化和抗炎作用。2001年，Gharib等[2]發(fā)現(xiàn)高壓氫氣可治療肝寄生蟲感染引起的炎癥反應(yīng)，并指出氫氣與羥自由基的直接反應(yīng)為其抗炎作用的基礎(chǔ)。2007年，Ohsawa等[3]報(bào)道動(dòng)物吸入濃度為2%的氫氣可有效清除細(xì)胞毒性氧自由基，減少活性氧，從而顯著改善腦缺血再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury)。因此，氫氣作為一種新型選擇性抗氧化劑受到廣泛關(guān)注，相繼有研究發(fā)現(xiàn)氫氣還可減輕心肌、肝臟等器官的缺血再灌注損傷、神經(jīng)損傷以及胰腺炎、肝炎、結(jié)腸炎、敗血癥等[4]。研究人員根據(jù)各類生理學(xué)和臨床相關(guān)指標(biāo)的檢測(cè)，已報(bào)道氫氣對(duì)超過(guò)38類疾病有明確治療作用[5]。本文就氫氣的生物學(xué)效應(yīng)、對(duì)結(jié)腸損傷的保護(hù)作用及其臨床應(yīng)用潛力作一綜述。

一、氫氣的產(chǎn)生、代謝及其生物學(xué)效應(yīng)

人體細(xì)胞中不存在氫化酶，因此氫氣不能經(jīng)由內(nèi)源性途徑產(chǎn)生。結(jié)腸內(nèi)的厭氧菌主要通過(guò)酵解植物細(xì)胞中的淀粉和多糖獲取能量，因而能通過(guò)氫化酶產(chǎn)生氫氣。氫氣進(jìn)入血液循環(huán)后，惟一的排出途徑是肺，而腸道內(nèi)的氫氣可通過(guò)排氣或經(jīng)結(jié)腸內(nèi)微生物代謝后，轉(zhuǎn)化為甲烷、硫化氫和乙酸排出[6]。

過(guò)氧化亞硝酸鹽和羥自由基為強(qiáng)氧化劑，可作用于脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸，導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)變性和DNA裂解，破壞正常細(xì)胞的生理功能。而氫氣能選擇性地中和過(guò)氧化亞硝酸離子和羥自由基，同時(shí)增強(qiáng)抗氧化酶如超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶和加氧酶-1的酶活性，從而發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用[7-8]。此外，氫氣還可通過(guò)抑制凋亡效應(yīng)酶caspase-3活性而發(fā)揮抗凋亡作用。

活性氧的產(chǎn)生與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)，其可通過(guò)NF-κB途徑激活促炎細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細(xì)胞介素-1β(IL-lβ)，后者激活巨噬細(xì)胞后引發(fā)復(fù)雜的炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)，因此氫氣的抗炎作用亦是通過(guò)清除細(xì)胞毒性氧自由基實(shí)現(xiàn)的。在各種損傷模型中，氫氣均表現(xiàn)出明顯的抗炎作用，在由氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)中，氫氣可下調(diào)IL-6、IL-1β、TNF-α和趨化因子水平[9]。目前已有越來(lái)越多的證據(jù)表明，氫氣系通過(guò)其抗氧化、抗炎、抗細(xì)胞凋亡作用，對(duì)各種組織、器官和細(xì)胞損傷起保護(hù)作用[4]。

二、氫氣對(duì)腸缺血再灌注損傷的保護(hù)作用

近年研究表明，腸道是多器官功能障礙綜合征(MODS)的靶器官和樞紐器官，是炎癥介質(zhì)的擴(kuò)增器。腸缺血再灌注不僅引起局部組織損傷，還可導(dǎo)致腸道細(xì)菌和內(nèi)毒素易位，激活網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)，導(dǎo)致大量炎癥介質(zhì)和細(xì)胞因子釋放，產(chǎn)生氧自由基等有害物質(zhì)，引發(fā)肺、心、肝臟等多個(gè)器官功能衰竭[10]。缺血再灌注導(dǎo)致大量中性粒細(xì)胞聚集于腸黏膜內(nèi)，激活的中性粒細(xì)胞釋放大量蛋白酶和氧代謝產(chǎn)物，引起腸內(nèi)皮細(xì)胞和實(shí)質(zhì)細(xì)胞損害或破壞，介導(dǎo)腸組織損傷[11]。因此在腸缺血再灌注損傷的發(fā)生機(jī)制中，氧化應(yīng)激起不可或缺的引發(fā)作用，大量細(xì)胞毒性活性氧代謝產(chǎn)物的形成是腸缺血再灌注損傷的中心環(huán)節(jié)，而抗氧化劑可阻斷該損傷進(jìn)程，發(fā)揮保護(hù)作用。

氫氣對(duì)多種器官，如腦、視網(wǎng)膜動(dòng)脈、心肌、肝臟、小腸等的缺血再灌注損傷有廣泛保護(hù)作用[8]，其機(jī)制主要為清除活性氧自由基。再灌注過(guò)程中產(chǎn)生大量活性氧，繼而發(fā)生氧化應(yīng)激，而氫氣可通過(guò)對(duì)活性氧自由基的清除作用發(fā)揮組織保護(hù)作用。研究證實(shí)氫氣可顯著降低缺血再灌注過(guò)程中氧化應(yīng)激誘導(dǎo)產(chǎn)生的各種損傷標(biāo)記物的表達(dá)水平，如脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛( MDA)和4-羥基壬烯酸(4-HNE)、DNA氧化產(chǎn)物8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)、炎癥標(biāo)記物髓過(guò)氧化物酶(MPO)等[12]。

Zheng等[13]對(duì)腸缺血再灌注損傷大鼠模型的研究證實(shí)，于再灌注前10 min予模型動(dòng)物靜脈注射富含氫氣的鹽水(hydrogen-rich saline)5 mL/kg，可顯著減輕其腸道組織學(xué)損傷。Chen等[14]以富氫鹽水預(yù)處理腸缺血再灌注損傷大鼠模型的研究得到類似結(jié)果。Mao等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，在腸缺血再灌注相關(guān)肺損傷大鼠模型中，靜脈注射富氫鹽水能減少肺組織中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)，減輕膜脂質(zhì)過(guò)氧化，抑制NF-κB活化及其下游促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生，從而緩解肺損傷。上述研究結(jié)果均表明氫氣是減輕腸缺血再灌注損傷的有效治療方式。簡(jiǎn)言之，氫氣能抑制腸缺血再灌注誘導(dǎo)的血清TNF-α、IL-1β、IL-6水平和二胺氧化酶(DAO)活性升高，降低小腸和肺組織MDA含量和MPO活性，通過(guò)減輕氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)抑制腸上皮細(xì)胞凋亡，促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖，改善受損腸道平滑肌的收縮功能，從而明顯減輕腸缺血再灌注損傷及其誘導(dǎo)的肺損傷[13-15]。

三、氫氣對(duì)結(jié)腸炎癥損傷的保護(hù)作用

炎癥反應(yīng)是眾多疾病共同的病理過(guò)程，其機(jī)制涉及血管內(nèi)皮細(xì)胞、多種免疫細(xì)胞的激活和大量炎癥因子的釋放，包括IL-1β、IL-6、TNF-α、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(MCP-1)、高遷移率族蛋白B1(HMGB1)、細(xì)胞間黏附分子-1(ICAM-1)等，其中 IL-1β、IL-6、TNF-α是介導(dǎo)急性期炎癥反應(yīng)最重要的細(xì)胞因子，而HMGB1作為一種晚期炎癥因子，可進(jìn)一步促進(jìn)炎性細(xì)胞的活化、聚集以及其他炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生和釋放，引發(fā)瀑布式炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)。

除抗氧化作用外，氫氣對(duì)炎癥反應(yīng)亦有明顯改善作用，表現(xiàn)為抑制促炎細(xì)胞因子表達(dá)上調(diào)以及下調(diào)炎癥相關(guān)分子等。Kajiya等[16]對(duì)氫氣的抗炎作用進(jìn)行了探討，以葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎模型以模擬人類炎癥性病(IBD)，如給予的是溶入氫氣的DSS溶液，小鼠結(jié)腸炎評(píng)分和病變結(jié)腸組織IL-12、TNF-α、IL-1β表達(dá)水平均顯著降低，DSS介導(dǎo)的結(jié)腸組織破壞和巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)受抑。He等[17]研究了富氫鹽水對(duì)乙酸灌腸誘導(dǎo)的大鼠急性結(jié)腸炎模型(模擬人類潰瘍性結(jié)腸炎)的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)予模型動(dòng)物腹腔注射10或20 mL/kg富氫鹽水可減輕其腹瀉、便血、體質(zhì)量減輕等臨床癥狀和結(jié)腸黏膜損傷(嚴(yán)重充血、水腫、糜爛、出血以及不同程度的腸黏連)，同時(shí)氫氣還可抑制損傷腸黏膜中高表達(dá)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)，該作用至少部分與氫氣對(duì)潰瘍性結(jié)腸炎的保護(hù)作用有關(guān)。

四、氫氣的臨床應(yīng)用

氫氣的生物學(xué)效應(yīng)已在多種病理模型中得到驗(yàn)證，其作為一種新型抗氧化醫(yī)用氣體，有其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有良好的臨床應(yīng)用前景。首先，氫氣具有良好的擴(kuò)散性，可迅速擴(kuò)散至活性氧大量產(chǎn)生和攻擊的部位，如細(xì)胞膜、線粒體、細(xì)胞核等大分子，從而高效保護(hù)這些大分子免受活性氧攻擊。其次，氫氣的抗氧化作用具有選擇性。氫氣的還原性較弱，只與有毒性的活性氧發(fā)生反應(yīng)，而不與超氧陰離子、過(guò)氧化氫等具有生物信號(hào)作用的自由基發(fā)生反應(yīng)，避免了對(duì)機(jī)體正常信號(hào)傳遞的干擾[3]。再次，氫氣本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與自由基發(fā)生反應(yīng)后只生成水，多余的氫氣可隨呼吸排出體外。最后，氫氣制備簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，且在高壓、高濃度條件下對(duì)人體仍無(wú)明顯不良影響，具有較高的安全性。

關(guān)于氫氣的臨床應(yīng)用，目前尚存在一些問(wèn)題有待解決，如盡管氫氣可通過(guò)吸入、口服、靜脈或腹腔注射等方式供給[18]，但吸入供給方式因氫氣的易燃特性而有一定風(fēng)險(xiǎn)，且需使用氫氣呼吸機(jī)等特殊設(shè)備，口服、注射等方式亦存在氫氣在常壓下溶解度過(guò)低、易從溶液中釋放等缺點(diǎn)，因此制備具有穩(wěn)定濃度的氫溶液是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。此外，如何控制氫氣的釋放也是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

五、結(jié)語(yǔ)和展望

綜上所述，氫氣是一種具有治療作用的醫(yī)學(xué)氣體，研究表明其具有抗氧化、抗炎和抗細(xì)胞凋亡效應(yīng)，在缺血再灌注損傷、炎癥性疾病、代謝綜合征等多種疾病中發(fā)揮保護(hù)作用，作用的發(fā)揮主要是通過(guò)有效清除毒性自由基。關(guān)于氫氣的生物學(xué)效應(yīng)和治療作用，仍有不少問(wèn)題值得進(jìn)一步探討，如氫氣發(fā)揮作用的信號(hào)途徑和作用靶點(diǎn)、最適臨床應(yīng)用劑量、最適給藥途徑以及可能的不良反應(yīng)等。最令人困惑的一點(diǎn)是，人體腸道氣體中含有大量氫氣，其總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)靜脈、腹腔注射或飲用治療劑量的富氫水[19]，相對(duì)微量的治療劑量氫氣如何對(duì)人體產(chǎn)生較大影響仍有待闡明。上述氫氣醫(yī)學(xué)問(wèn)題需要相關(guān)科研和臨床工作者共同努力加以解決。

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