氦氣的細胞學作用研究進展*

李 雪 綜述，史 源 審校

(第三軍醫(yī)大學大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所兒科，重慶 400042)

氦氣可減輕心肌細胞和神經(jīng)細胞缺血再灌注后的損傷[1-2]，盡管氦氣介導的細胞保護作用機制仍未闡明，但其部分信號傳導通路已被證實。除通過不同的預處理和后處理方式發(fā)揮心、腦保護作用之外，氦氣對肺、免疫系統(tǒng)及血管系統(tǒng)也有一定的保護作用[3-5]。氦氣在人體內(nèi)發(fā)揮了一定的生物學作用，但其確切作用機制尚需闡明。氦氣有諸多特殊的理化性質(zhì)，且并無血流動力學的副作用，這使其在危重患者中可能存在潛在的應用前景。本文對氦氣的細胞學作用研究進展予以綜述。

1 氦氣的理化性質(zhì)

氦氣是最輕的惰性氣體，在所有元素中熔點和沸點最低，且其密度和黏度均低于氧氣和氮氣。氣體在呼吸道中的流速主要受其密度和黏度影響，故氦氣特殊的物理性質(zhì)使其可降低呼吸道阻力，促進肺部的氣體交換。氦氣的熱傳導性較高，當機體被氦氣環(huán)繞時熱量丟失會增多。低體溫可使生物的新陳代謝率降低，將機體置入氦氣環(huán)境中時，可以降低能耗[6]。在一項大鼠實驗中，吸入75%的氦氣就可以誘導低體溫癥的發(fā)生[7]，但人類吸入氦氣導致低體溫癥尚未被報道。

2 氦氣生物學作用可能的機制

由Meyer-Over-ton 準則可知：藥物的麻醉效能幾乎和脂水分配系數(shù)成線性相關，因此可以推測在脂肪和水中溶解度均較低的惰性氣體麻醉學效應也降低。但這個原則只對氦氣適用，氙氣和氪氣有所不同。

提高通氣壓力可使氦氣在脂肪中的溶解度提高，從而保證有足夠的氣體進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)中。然而，將一定氣壓的氦氣應用于大鼠可觀察到其發(fā)生抽搐和驚厥，這更像是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的激活而不是神經(jīng)細胞活動被抑制的表現(xiàn)[8]。標記的氦氣并未像預測的那樣產(chǎn)生麻醉作用，而只誘導了驚厥的發(fā)生。而蠑螈和大鼠暴露于靜水或氣體壓力后其全身麻醉作用被逆轉(zhuǎn)證實了壓力本身即存在著對抗作用[9]，故高壓條件下氦氣不大可能產(chǎn)生抑制作用。然而，只有對氦氣的高壓和高壓本身進行直接的對比才能闡釋這個現(xiàn)象。實際上，很有可能是氦氣縮短了驚厥的持續(xù)時間，降低了驚厥的發(fā)作頻率。

惰性氣體的生物學作用曾歸結于對細胞溶質(zhì)中的蛋白和膜結合蛋白產(chǎn)生直接或間接的作用，但這些細胞學作用背后確切的機制或者說壓力在其中的作用至今仍不清楚，而氦氣對腦組織及全身各器官發(fā)揮生物學作用的機制也尚不明確。

3 氦氣介導的器官保護作用

3.1心臟 短時間缺血造成的心肌損傷是可以通過早期預處理或者晚期預處理被修復的[9]，除缺血之外，具有藥理學作用的化合物也可以觸發(fā)缺血調(diào)節(jié)的信號級聯(lián)反應，從而介導細胞保護作用。

在一項對家兔的研究中，分3個周期使其吸入5 min 70%的氦氣、氖氣及氬氣混合氣(均與30%的氧氣混合)，由混合氣中的惰性氣體進行沖刷間隔5 min；或者使家兔短暫局部缺血5 min、再灌注5 min作為間隔，證明了在構建家兔缺血再灌注損傷模型前，進行惰性氣體預處理后可觀察到心肌梗死面積縮小[10]。

在氦氣介導的早期預處理(early preconditioning，EPC)過程中，選擇性抑制劑如磷脂酰肌醇酶-3、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶和70-kDa 核糖體蛋白S6激酶等的使用可抑制氦氣的心臟保護作用[10]。而阻斷糖原合酶激酶或凋亡蛋白P53后可降低氦氣EPC的閾值。1個周期的氦氣預處理加上糖原合酶激酶或凋亡蛋白P53抑制劑，與使用3個周期的氦氣相比，減小的心肌梗死面積相似[11]。不僅抑制糖原合酶激酶或凋亡蛋白P53路徑可以降低氦氣EPC的閾值，使用嗎啡也可以降低其閾值，吸入5 min氦氣并加用嗎啡后，其減少梗死面積的作用與使用3個周期氦氣相當[12]。與之前的一項研究相比[11]，單獨使用1個周期的氦氣減少梗死面積的作用并沒有明顯優(yōu)于對照組。而運用非選擇性的阿片類受體拮抗劑可阻止梗死面積的減少[12]，這表明再灌注損傷激酶信號通路和阿片類受體調(diào)節(jié)機制可能參與了氦氣介導的預處理過程。

有研究認為，氦氣的預處理通過細胞外信號因子如激酶1/2，磷脂酰肌醇激酶-3/Akt激酶和糖原合成酶激酶3-β等影響了心肌線粒體的功能[13]。線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的開放可導致線粒體功能障礙[13]，對家兔的研究發(fā)現(xiàn)，選擇性mPTP激活劑的應用可解除氦氣的EPC作用，這表明mPTP在氦氣的EPC中也有一定作用[11]。再灌注使血流恢復后，酸化的pH值恢復正常，導致mPTP的開放增多[14]；而氦氣EPC可能通過保持細胞內(nèi)適當?shù)乃嶂卸?，保持mPTP關閉狀態(tài)而減少了心肌梗死面積。實驗還表明，氦氣的預處理作用在經(jīng)歷短暫代謝性堿中毒的家兔中并不具有心肌保護作用，也支持了上述觀點。在這些實驗中，心肌保護作用可通過聯(lián)合使用環(huán)孢菌素A和mPTP抑制劑被修復[15]。除mPTP之外，線粒體ATP敏感性鉀通道也被證實參與了氦氣的預處理，ATP敏感性鉀通道拮抗劑羥基葵酸鹽的使用可阻斷氦氣介導的梗死面積減少的作用[15]。 除線粒體之外，其他一些酶和介質(zhì)也可能與氦氣發(fā)生相互影響，應用一氧化氮合酶抑制劑可消除氦氣的心肌保護作用。

除了EPC，氦氣還介導了晚期預處理，在持續(xù)缺血發(fā)生24 h之前吸入30%、50%或70%的氦氣將缺血面積從對照組的55%分別降低為40%、34%和37%[16]。然而，10%的氦氣并不具有心肌保護作用[16]，且之后在晚期預處理的窗口期繼續(xù)重復吸入氦氣并不能進一步減少心肌的梗死面積[16]。環(huán)氧化酶受體抑制劑可解除氦氣介導的晚期預處理，且其在氙氣晚期預處理過程中也可發(fā)揮相同作用[17]。在EPC的窗口期之外不能檢測到氦氣對線粒體功能的作用，這表明線粒體解耦連是氦氣介導晚期預處理的激發(fā)因素，而不是發(fā)揮作用的中間因素。

3.2腦和神經(jīng)組織 研究發(fā)現(xiàn)氙氣在各種體內(nèi)外模型中均具有持續(xù)的神經(jīng)保護作用[18]，引起了學者們對氦氣神經(jīng)保護作用的關注。氙氣，是一種低親和力的門冬氨酸受體拮抗劑，可減少大腦中有害的神經(jīng)遞質(zhì)。對氦氣而言，目前僅有較少的研究描述了其在神經(jīng)保護中可能發(fā)揮的作用，但只能推測其可能的潛在機制[2-3,19-20]。

在一個外傷性腦損傷的大鼠模型中，用1 個標準大氣壓的空氣(由75%氮氣和5%二氧化碳組成)和2個標準大氣壓的氦氣(75%氦氣、20%氧氣和5%二氧化碳組成)來處理腦切片[2]，熒光技術檢測顯示氦氣組的細胞損傷減輕。雖然研究發(fā)現(xiàn)了氦氣的細胞保護作用，但研究設計的一大缺點是無法鑒別這到底是氦氣的藥理效應還是由于兩組壓力不同所致。除此之外，氦氧混合氣中缺少氮氣，這也可能是引起氦氣組和對照組差異的原因之一。而之后進一步的研究用氮氣替代氦氣產(chǎn)生壓力，細胞在氮氣壓下的損傷更為嚴重，這表明其保護作用是由于去除了氮氣的有害作用而致[2]。

也有學者研究了在大鼠神經(jīng)元中氮氣的有害作用和惰性氣體的保護作用[20]，氧氣和葡萄糖的缺乏可導致細胞損傷，在正常氣壓下將細胞持續(xù)90 min暴露于氮氣或惰性氣體造成的缺氧環(huán)境中，相較于氙氣組和氬氣組而言，氮氣組細胞顯示出了更多功能性的損傷，證實了惰性氣體的保護作用或者說氮氣的有害作用。有意思的是，在未遭受損傷的細胞中，暴露于氖氣或氦氣中并無損傷作用，但氪氣卻對細胞的功能有負面影響[20]，而這顯示出了健康和損傷細胞之間的差異。

問題是正常氣壓下氦氣是否存在神經(jīng)保護作用，還有這種保護作用與氮氣存在的量有何種聯(lián)系。各種含有和不含氮氣的氣體混合物(70∶30氦氧混合氣，50∶30∶20氦氧氮混合氣及30∶30∶40氦氧氮混合氣)均可使大鼠的心肌梗死面積縮小[16]，這證明了氦氣本身存在潛在的有利作用，而不是由于去除了氮氣的有害作用而致，但這是否適用于大腦組織仍有待研究。

研究者調(diào)查了氦氣對大鼠腦缺血的作用，通過阻斷大腦中動脈而得到大鼠局灶缺氧模型，再灌注時間為1 h，用三苯四唑染色法來測量其梗死灶體積[19]。在整個缺血期和再灌注期，氦氣組、高氧組和對照組均吸入各自的干預氣體。結果顯示：70∶30氦氧混合氣組的梗死面積小于100%氧氣組(高氧組)，而高氧組的治療效果優(yōu)于70∶30氮氧組(對照組)。氦氣組大鼠神經(jīng)評分高于對照組，其差異有統(tǒng)計學意義。研究者認為氦氣在大氣壓下即可改善神經(jīng)功能表明氦氣本身存在藥理學作用。另一方面，氦氣的低導熱性也可能發(fā)揮了部分作用：在相同大鼠模型中，再灌注后使用75%氦氣發(fā)揮了神經(jīng)保護作用，且其改善神經(jīng)系統(tǒng)結局的同時也誘導了大鼠低體溫癥的發(fā)生[5]。

3.3肺臟 有學者將氦氧混合氣用于阻塞性肺疾病的治療后，目前氦氣已被廣泛運用于臨床肺疾病的治療。然而，氦氣對哮喘和COPD患者的療效仍存在爭議[20-21]。對氣體在氣管支氣管中的作用進行研究發(fā)現(xiàn)，氦氣對嚴重的急性哮喘有效，1 s內(nèi)即可提高患者的呼氣峰壓和用力呼氣量。而對插管的COPD患者而言，氦氣減少了其呼吸功和固有呼氣末正壓[22]。

在狗的動物實驗中發(fā)現(xiàn)，用氦氣或氮氣作為攜帶氣體均可觀察到NO對肺血管的擴張作用[23]，但NO與氦氣聯(lián)合運用可降低其平均肺動脈壓和肺血管阻力，這很有可能是氦氣提高了NO的擴散速率所致。

支氣管擴張劑和激素吸入是治療哮喘和COPD的基礎，而低密度氣體氦氣可以促進霧化劑進入肺組織，然而，將氦氣作為霧化驅(qū)動氣運用于臨床并未獲得一致的認可，有些研究顯示出了積極的作用[24]，有些研究并未發(fā)現(xiàn)患者臨床癥狀有所改善[25]。有學者在新生動物的急性肺損傷模型中調(diào)查了氦氣對肺部炎癥及由此引起的結構重構的作用，結果發(fā)現(xiàn)氦氧混合氣組的通氣參數(shù)較吸入氮氧混合氣組明顯改善。除通氣參數(shù)改善外，實驗組動物肺泡復張情況也有所改善，吸入氧需求降低，炎性反應減輕，研究者認為這是由于肺的生物化學和物理壓力減輕所致[5]。迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)氦氣對呼吸道和肺實質(zhì)可直接發(fā)揮作用。

3.4免疫系統(tǒng) 近期的研究顯示，手術中應用的麻醉方法可以影響惡性腫瘤患者的復發(fā)率[26]，這可能與麻醉劑對細胞免疫的影響有關。手術創(chuàng)傷越小可能對機體免疫應答產(chǎn)生積極的影響，這種假設刺激了腹腔鏡手術的發(fā)展。然而，微創(chuàng)手術的一大弊病是可能因采用氣腹術而增加術中腫瘤的轉(zhuǎn)移，故其仍未完全用于所有種類的腫瘤手術。在一項大鼠的實驗中，氣腹術組大鼠腹膜內(nèi)腫瘤轉(zhuǎn)移較對照組更加廣泛[27]，考慮可能與腹腔充氣時腫瘤細胞被吹入腹腔有關。有趣的是，腹腔內(nèi)充入氦氣組的腫瘤重量小于二氧化碳組[27]。然而，Gutt等[28]并未在氦氣組和二氧化碳組之間發(fā)現(xiàn)任何腫瘤學或免疫學的不同。

氣體理化性質(zhì)可能影響腫瘤的種植及其發(fā)展。體外實驗表明，二氧化碳或氦氣孵化的不同腫瘤細胞株之間活力有所差異，氦氣組的細胞增殖低于對照組[6]，而特殊的細胞因子是否影響腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移仍不明晰。細胞在二氧化碳中孵化會使培養(yǎng)基酸度發(fā)生改變[4]，二氧化碳形成的氣腹可引起小豬壁腹膜的酸中毒，而氦氣卻使壁腹膜的pH值偏堿性[29]。環(huán)境pH值可影響巨噬細胞的分化和功能，反過來會影響傷口愈合過程中膠原蛋白的比例。體外實驗顯示，氦氣可使剖腹術后大鼠傷口膠原蛋白的比率提高3倍，從而促進傷口愈合[30]。在健康的成年志愿者中，吸入氦氣有中等的抗炎作用，可引起血液中的白細胞和血小板等炎性反應因子表達減少[31]。

3.5血管系統(tǒng) 免疫系統(tǒng)的活化不僅對抗腫瘤有利，還意味著機體損傷時更多循環(huán)細胞吸附于內(nèi)皮細胞上，而后者可能在缺血再灌注期發(fā)揮保護作用[32]。在一項對大鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，應用氦氣后，可觀察到腫瘤和肝血管的白細胞與內(nèi)皮細胞相互作用增強[5]，但在健康受試者前臂缺血再灌注的模型中并未發(fā)現(xiàn)氦氣對缺血后內(nèi)皮細胞的功能障礙有所幫助[31]。

4 氦氣的臨床應用

氦氧混合氣自1934年開始應用于患呼吸道疾病的患者，目前已成功運用于成人及嬰幼兒哮喘、呼吸衰竭等疾病的治療當中[33]，均發(fā)現(xiàn)有良好療效，尚未報道任何不良反應的產(chǎn)生。除此之外，氦氧混合氣應用于新生兒胎糞吸入綜合征和呼吸窘迫綜合征時還可降低患兒對氧氣的需求及氣管插管的風險[34-35]，這提示其具有極大的潛在臨床價值。

動物實驗已證實氦氣的細胞保護作用，但目前仍缺乏臨床研究的證據(jù)。臨床醫(yī)生逐漸將其運用與心血管疾病高危人群或心臟病患者，但將其用于麻醉中防止圍術期心肌缺血仍存在一定的難度。對于氦氣介導的EPC而言，同時服用嗎啡、糖原合成激酶和P53凋亡蛋白抑制劑可降低氦氣預處理的閾值[11-12]，在可能存在“高處理閾值”患者中聯(lián)合應用以上藥物或許可以進一步增強心臟保護作用。

在圍術期同時運用氦氣和保護性的麻醉療法或可增強器官保護作用，氦氣可介導細胞保護作用但并無麻醉效應，可將其用于不需要麻醉的缺血期患者。除此之外，氦氣的預處理作用在器官移植過程中也許也能發(fā)揮一定的作用，但這仍需要更多的臨床數(shù)據(jù)支持。

氦氣的細胞學作用使其具有心肌和神經(jīng)保護作用，從而為遭受器官缺血的患者提供了一種新的治療方案，可以減輕其不良損害,但氦氣在缺血損傷患者中的作用仍需進一步的臨床研究進行驗證。

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