低氘水在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究進展

徐志紅 張舒羽 潘 璐 許波華 瞿 敏

(1.江蘇華益科技有限公司，江蘇 常熟 215522；2.蘇州大學(xué) 醫(yī)學(xué)部放射醫(yī)學(xué)與防護學(xué)院，江蘇 蘇州 215123； 3.蘇州精標(biāo)影像科技有限公司，江蘇 常熟 215522；4.蘇州奧特泉水應(yīng)用技術(shù)有限公司，江蘇 常熟 215558)

天然水中的氘含量約為0.015%，氘(D)代替氕(H)形成的水為重水，低氘水(DDW或貧氘水)即為氘含量低于0.015%的水[1～3]。目前制備低氘水的主要方法是以自來水為原料，采用物理或化學(xué)方法將氘分離出來。低氘水在人體組織器官中的分布不同，zhimak[12～13]等人在2013年與2014年通過對實驗室動物進行長達42天的觀察及各種生化指標(biāo)(磷酸酶、肌酸酐、膽紅素)的檢測分析不同組織器官內(nèi)氘水的含量，在心臟中氘水中達到8.5%，在肝臟組織中達到9.3%，在代謝活躍的腎臟組織中更是達到15.8%。這表明低氘水在不同器官中的含量可能與其器官的功能有關(guān)。

早期研究發(fā)現(xiàn)[4,5]，通過降低水中的氘含量能夠有效的增強機體的抗氧化能力。并且隨著相關(guān)研究的深入，還發(fā)現(xiàn)低氘水具有增強生物體代謝，促進生長，延緩衰老，延長壽命[6～8]等作用。此外，低氘水還能夠降低胰島素抗性、減緩糖尿病患者血糖含量[9～11]、增強血管的反應(yīng)性[14]，值得一提的是低氘水對某些癌癥疾病的輔助治療[15～24]效果顯著，并且可提高輻照后生物體的存活率[25～30]。

1低氘水對衰老的影響

低氘水可減緩植物體內(nèi)各種氧化酶[29]的表達，并可通過增加植物體中兒茶素[7]的含量，增強抵抗力。2014年Tanase C[28]等人發(fā)現(xiàn)，云山樹皮提取物多酚化合物(SBPE)和低氘水在玉米植株的代謝過程中發(fā)揮著極其重要的作用，使用低氘水處理玉米植株，檢測其葉片及根部不同酶的表達量發(fā)現(xiàn)，過氧化氫酶及超氧化物歧化酶含量顯著降低，且其根部過氧化氫酶活性然降低，而使用云山樹皮提取物多酚化合物處理玉米植株過氧化氫酶及超氧化物歧化酶表達量又得到明顯提高，其過氧化氫酶活性也相應(yīng)提高；同年，Tanase C[4]又利用低氘水處理日葵植株，發(fā)現(xiàn)云山樹皮提取物多酚化合物(SBPE)結(jié)合低氘水可以刺激植物(向日葵)產(chǎn)生光合作用色素如葉綠素a、葉綠素b、胡蘿卜素，并增加向日葵葉片中兒茶素的含量，提升植物的抵抗力，以及促進葉片的生長發(fā)育。低氘水與多酚提取物的結(jié)合可以作為一種自然的生物調(diào)節(jié)劑，增加向日葵這種農(nóng)作物的產(chǎn)量，同時在生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及穩(wěn)定弄作為產(chǎn)量上極具發(fā)展前景。

人的壽命長短依賴于各種各樣的內(nèi)在遺傳或外在環(huán)境因素，2014年Bulgaria等[6]通過調(diào)查保加利亞住宅區(qū)長壽人口，排除各種遺傳性別等因素外，居民的長期飲用水—高山水(低氘水)是導(dǎo)致保加利亞長壽住宅區(qū)人口壽命延長的最重要的因素。雖然存在爭議，但經(jīng)過長期的探究觀察，低氘水影響了細胞形態(tài)及其代謝機制，正常水中氘含量減少20%—30%對健康有益。在-0,1387 eV和波長8,95 nm的紅外光譜下檢測各種樣品的水以及人的血清中的氫鍵平均值，結(jié)果顯示，生命垂危以及患有腫瘤的病人紅外光譜下的局域值相對與對照組偏大。這表明飲用一定的低氘水在生命過程中是必要的。

2低氘水對糖尿病的影響

2008年Aneta[8]等報道用低氘水處理經(jīng)化療大鼠，結(jié)果表明低氘水處理組所有大鼠與其對照組相比血漿總糖蛋白和糖基化水平均顯著降低；2012年上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院周振宇[9]等通過建立一次性腹腔注射鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)建立糖尿病Wistar大鼠模型發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠飲用低氘白酒后能夠顯著降低空腹血糖水平，有效提高血漿胰島素水平，還能夠降低因飲酒過量而引起的胰島細胞損傷，有效的改善胰島細胞的形態(tài)、體積和分布；同年，Molnár等[13]研究人員發(fā)現(xiàn)低氘水能夠有效促進由鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)引發(fā)的糖尿病大鼠的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4(GLUT4)從胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到細胞膜，并大大增強了葡萄糖的攝取。研究者又在糖尿病患者身上進行了探究，招募了30名18～60周歲之間的糖尿病志愿者進行飲用低氘水實驗，每天飲用不同的水，結(jié)果發(fā)現(xiàn)11名每天飲用1.5 L低氘水的糖尿病志愿者(占實驗總?cè)藬?shù)的36.6%)的胰島素抵抗減輕，志愿者全身葡萄糖的攝取量從每分鐘0.2 mg增加到每公斤每分鐘4.2 mg。結(jié)果表明低氘水不僅能夠有效降低空腹血糖水平，而且能夠減緩胰島素抵抗。

3低氘水對心腦血管疾病的影響

由于低氘水的分子團比天然水分子團小50%，運動速度和滲透能力得到了有效的提高，因此能夠順利通過細胞膜上的水通道。1998年，Haulic[12]等發(fā)現(xiàn)重水(D2O)可拮抗血管緊張素的作用，從而引發(fā)動脈的舒張。低氘水則能夠有效加強腎上腺素和血管緊張素引發(fā)的血管收縮反應(yīng)，提高血管張力，并研究說明低氘水對血管的舒張和收縮具有調(diào)節(jié)作用。Krempels[15]在臨床研究腦轉(zhuǎn)移肺癌患者時發(fā)現(xiàn)低氘水可通過血腦屏障，血腦屏障阻礙了大部分抗癌化療藥劑的運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致藥劑對腦轉(zhuǎn)移腫瘤無效。試驗小鼠飲用重水(D2O)時，發(fā)現(xiàn)腦組織和其它組織中的氘含量都得到了一定的增長，然而采用低氘水代替重水后，發(fā)現(xiàn)小鼠腦組織整合與未整合的氘含量都得到了有效的降低，實驗表明低氘水能夠快速通過血腦屏障，因此，低氘水作為輔助治療劑能夠在治療腦血管疾病方面具有重要應(yīng)用前景。

心腦血管疾病是影響人類健康的主要疾病之一，大多數(shù)此類患者同樣患有動脈粥樣硬化。Steinberg等研究人員提出的動脈粥樣硬化的氧化學(xué)說認為，活性氧及其相關(guān)氧化產(chǎn)物能夠?qū)?nèi)皮產(chǎn)生損傷，誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞釋放出各種促炎因子，從而引發(fā)動脈粥樣硬化炎癥反應(yīng)，抗氧化應(yīng)激可能會對動脈粥樣硬化過程起到抑制作用。在低氘水抗衰老作用段落提到，低氘水處理玉米植株，檢測其葉片及根部不同酶的表達量發(fā)現(xiàn)，過氧化氫酶及超氧化物歧化酶含量顯著降低，且其根部過氧化氫酶活性然降低；同樣，早在2007年Olariu等人[5]在觀察飲用低氘水對機體紅細胞的抗氧化物酶類影響時發(fā)現(xiàn)，飲用低氘水的大鼠的丙二醛(MDA)含量比飲用自然水的大鼠要低，此外，飲用低氘水的大鼠的還原型谷胱苷肽(GSH)值、谷胱苷肽還原酶(GSH-Red)活性和超氧化物歧化酶(SOD)活性都比飲用自來水的大鼠要高，上述結(jié)果表明低氘水能夠有效影響動植物的抗氧化系統(tǒng)，較長時間飲用低氘水能夠起到抗氧化的作用，從而進一步提示由動脈粥樣硬化引起的心血管疾病可能飲用低氘水會得到有效改善。

4低氘水的抗腫瘤及其輔助治療作用

雖然世界醫(yī)療水平發(fā)展迅猛，但癌癥仍然是大眾聞之色變的疾病，腫瘤細胞的形成與許多基因的表達存在密切的關(guān)系。c-myc基因作為myc基因家族的一個重要成員，能夠使細胞進行無限增殖，實現(xiàn)永生化，c-myc基因能夠參與細胞凋零，與多種腫瘤的產(chǎn)生和發(fā)展有關(guān)。p53是一種腫瘤抑制基因(tumor suppressor gene)。在所有惡性腫瘤中，50%以上會出現(xiàn)p53基因的突變，p53基因發(fā)生突變后，該基因的空間構(gòu)象發(fā)生了改變，從而失去對細胞生長、凋亡和DNA修復(fù)等方面的調(diào)控作用，因此，該基因從抑癌基因轉(zhuǎn)變成為癌基因。2000年Gy?ngyi Z[14]等人在研究中發(fā)現(xiàn)，低氘水的缺乏會導(dǎo)致腫瘤細胞的回歸生長，給近親小鼠飲用低氘水后，在RNA表達48h后發(fā)現(xiàn)在六種不同的組織器官(脾臟、肺、胸腺、腎臟、肝臟、淋巴結(jié))中myc，p53基因表達均被抑制，這表明促使腫瘤形成的基因?qū)Φ碗嬖谝欢ǖ拿舾行浴?/p>

Feng-Song Cong[16]等人在2010年研究低氘水在生物體內(nèi)以及體外實驗中抑制肺癌細胞的影響及其機制研究，用不同濃度的低氘水處理人肺癌細胞A549，通過觀察發(fā)現(xiàn)，A549細胞骨架以及細胞周期均發(fā)生了改變，在某個時間點抑制了細胞的增殖，通過掃描電鏡及透射電鏡觀察也發(fā)現(xiàn)，細胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征也發(fā)生了變化。Feng-Song Cong[16]等人還通過給BalB/c小鼠皮下注射H490腫瘤細胞建立腫瘤模型發(fā)現(xiàn)，通過給荷瘤小鼠飲用低氘水60天，明顯抑制了腫瘤細胞的增長，低氘水組小鼠其腫瘤抑制率達到30%。Gy?ngyi Z[18]等人在2011年通過研究發(fā)現(xiàn)，低氘水可抑制肺癌細胞的生長，以及原癌基因的表達，他們使臨床上129位患有小細胞及非小細胞肺癌的患者飲用低氘水，結(jié)合傳統(tǒng)的放化療方法進行治療，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，結(jié)合低氘水治療的患者存活率比接受傳統(tǒng)治療的患者存活率提高率2-3倍，并且性患者存活率要顯著高于男性。同時低氘水也抵制了二羥甲基丁酸誘導(dǎo)的Bcl2,Kras 和Myc 基因的表達。因此，低氘水可以作為肺癌患者延長生存率的無毒抗癌膳食補充劑，特別是對于與腫瘤相關(guān)的基因過表達的女性患者。

2013年 Wang H,Zhu B[20]等人將鼻咽癌細胞(NPC)與正常的小鼠成骨前細胞MC3T3-E1在含有低氘水(50-150 ppm)的1640培養(yǎng)基中培養(yǎng)，利用MTT，平板克隆及Transwell等實驗檢測NPC與MC3T3-E1的增殖遷移及侵入能力，發(fā)現(xiàn)低氘水可抑制NPC細胞的增殖遷移以及它的侵入。然而，正常的小鼠成骨前細胞MC3T3-E1細胞在低氘水的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，他的生長能力得到了有效的促進。通過對NPC細胞周期的檢測發(fā)現(xiàn)，低氘水阻滯了細胞由G1期向S期的過渡，使S期細胞明顯減少，G1期細胞明顯累積。通過western-blot實驗也發(fā)現(xiàn)，用低氘水處理的NPC細胞還原型輔酶Ⅱ(NADPH)表達量顯著增加，而增殖細胞核抗原(PCNA)和基質(zhì)金屬蛋白酶9(MMP9)表達量減少。結(jié)果表明低氘水可作為一種新型無毒可輔助治療鼻咽癌的產(chǎn)品，在未來擁有廣泛的應(yīng)用前景。

在全球范圍內(nèi)，宮頸癌在女性常見惡性腫瘤中排名第3位，同時也是四種易導(dǎo)致女性癌癥患者死亡的腫瘤之一，分別占到新診斷癌癥病例和癌癥死亡總數(shù)的10%和8%。目前宮頸癌的主要治療手段是手術(shù)、放射治療和化學(xué)藥物治療。2014年廣東醫(yī)學(xué)院中美腫瘤研究所的張力[22]等人用不同低氘水濃度的培養(yǎng)基對 Hela 細胞進行處理，通過采用MTT法和進行劃痕實驗，發(fā)現(xiàn)Hela細胞的增殖和侵襲轉(zhuǎn)移能力隨著培養(yǎng)基中氘濃度下降得到明顯的抑制。在氘濃度為 50×10-6的低氘水培養(yǎng)基中，72 h的Hela細胞增殖抑制率達到39.54%(P < 0.01)。此外，劃痕實驗結(jié)果表明低氘水對宮頸癌細胞的侵襲能力同樣具有有效的抑制作用，并且同為氘濃度在50×10-6時，差異性最為明顯(P < 0.01)。通過免疫印跡試驗和免疫組化對相關(guān)蛋白的表達情況進行檢測，觀察到低氘水能夠分別對Hela細胞中p21蛋白的表達水平和Na+/K+-ATPase的表達水平進行上調(diào)和下調(diào)。 p21waf基因作為p53基因的一個重要下游基因，p21蛋白作為p21waf基因的表達產(chǎn)物是目前最為廣泛激酶抑制活性的細胞周期抑制蛋白。p21基因能夠和p53基因構(gòu)成細胞周期的G1期檢查站。一旦DNA損傷后未經(jīng)修復(fù)，那么不能通過G1期檢查站，能夠有效減少受損DNA的復(fù)制和累積。一系列研究表明，在抑低氘水制腫瘤方面有著不可忽視的重要地位，相信在不久的將來，低氘水有望成為新的抗腫瘤策略。

5低氘水的抗輻射作用

人體一旦在短時間內(nèi)受到一定劑量的輻射，會對相關(guān)機體造成輻射損傷，從而產(chǎn)生貧血、免疫功能降低和內(nèi)分泌失調(diào)等方面的影響。早在1983年到1987年Laissue J A[25,26]通過血液學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，低氘水可以對全身γ射線照射的小鼠起到保護作用，使其照后存活率顯著增高，實驗結(jié)果表明低氘水的抗輻射損傷作用與其能夠提高相關(guān)免疫系統(tǒng)的防御功能有直接關(guān)系，特別是能夠有效增強非特異性免疫防御功能，促進外周血細胞的增殖。Gabriel[27]等研究人員也進行了用半數(shù)致死量X射線照射小鼠的實驗，發(fā)現(xiàn)飲用低氘水能夠有效的增強龍牙楤木提取物的抗輻射作用。2010年Corneanu G C，Corneanu M[30]等在探究低氘水對的輻射防護作用時，使用低氘水與含0.01%多酚類物質(zhì)的低氘水對小鼠腹腔注射，照射X-rays (5.28Gy)，在作用一天后產(chǎn)生應(yīng)激因子，無論是低氘水單獨作用還是與多酚類聯(lián)合作用，都具有輻射防護效應(yīng)，尤其是低氘水與酚類聯(lián)合作用效果顯著。雖然機制尚不清楚，但低氘水的這種特有的抗輻射損傷特性，在臨床上將會很大應(yīng)用潛力。

6展 望

人體中，水的含量占到了人體總質(zhì)量的65%～70%，因此，水被稱為是生命之源。氫鍵作為維持DNA分子穩(wěn)定的重要因素，幾乎參與了機體的所有生命反應(yīng)活動，氘作為氫的同位素，正是通過這種方式影響著DNA的遺傳和復(fù)制。目前，全球?qū)τ诘碗畱?yīng)用方面的研究還處于起步階段，研究者對于低氘水對各種疾病的的作用機制還非常模糊，尤其是低氘水抵抗的腫瘤作用機制更是值得深入研究。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，低氘水將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到前所未有的廣泛應(yīng)用。

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