氫在心血管疾病中的作用

崔振雙，田國祥，張?jiān)床ǎ瑒⒋浩?，程友?/p>

1 概述

1.1 氫氣的研究背景氫氣（H2）由于具有無色無味無毒、質(zhì)輕體積小等特質(zhì)，自20世紀(jì)30年代起被作為潛水氣體進(jìn)行生物學(xué)研究，而后又被充分證明用于中、深度潛水的呼吸介質(zhì)的生物安全性中。1975年Dole等為移植了皮膚鱗狀細(xì)胞癌的小鼠使用8個(gè)大氣壓（含97.5%H2+2.5%O2）下的高壓氫倉治療2周，結(jié)果顯示腫瘤體積大幅縮小。推測原因可能為H2催化羥基（·OH）自由基衰變促進(jìn)了腫瘤體積的縮小，從而首次提出H2可用于治療疾病的概念[1]。2007年日本學(xué)者發(fā)現(xiàn)，小鼠吸入2%~4%濃度的H2后，腦缺血再灌注損傷導(dǎo)致的腦梗死面積顯著縮小，推測2%~4%濃度的H2通過抗氧化作用及選擇性中和羥基自由基（·OH）、過氧亞硝基（ONOO-）等毒性強(qiáng)的活性氧自由基（ROS），達(dá)到保護(hù)大腦的作用。在此生物反應(yīng)過程中，不會減少毒性弱且具有重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的ROS，如過氧化氫（H2O2）、一氧化氮（NO·）、超氧陰離子（O2-）等[2]，自此掀起了氫生物醫(yī)學(xué)研究的熱潮。

1.2 國內(nèi)外的研究成果在10余年的時(shí)間里，人們通過大量動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究證實(shí)，H2在中樞神經(jīng)、肺、腎、肝、胰腺、腸道、皮膚等多個(gè)系統(tǒng)疾病的治療中，均展示了實(shí)質(zhì)性的安全有效作用[3-8]。其中，對冠狀動脈粥樣硬化性心臟?。ü谛牟。?、高血壓、心力衰竭（心衰）等表現(xiàn)較明顯。2008年Hayashida等研究發(fā)現(xiàn)，心肌缺血再灌注小鼠模型自缺血至再灌注后60 min，持續(xù)吸入2%H2，吸氫組較對照組的心肌梗死面積明顯縮?。?1.6±2.5）% vs. （21.2±1.6）%[9]。2011年Zhang等[10]在動物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，腹腔注射富氫生理鹽水的心肌缺血再灌注小鼠，其心功能參數(shù)（包括左室收縮壓和舒張壓等）較對照組均明顯改善。2012年Yoshida等[11]在狗的心梗模型中得到相同結(jié)果。Guan等[12]觀察低氧引起的高血壓大鼠，每天吸入3%的H22 h，持續(xù)35 d后血壓明顯下降。Matsuoka等[13]發(fā)現(xiàn)鹽敏感型高血壓大鼠吸入2%的H26周后，左室功能得到有效改善，但收縮壓變化不明顯。2012年Zong等[14]發(fā)現(xiàn)腹腔注射富氫生理鹽水可降低倉鼠血漿低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）和載脂蛋白B（ApoB）的水平，同時(shí)改善高密度脂蛋白（HDL）的功能。研究者同樣在動物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)攝入H2有助于控制血糖，改善胰島素抵抗[15]。Iketani等[16]向低密度脂蛋白受體基因敲除（LDLR-/-）小鼠喂飼高脂食物13周后導(dǎo)致顯著的動脈粥樣硬化（AS），但當(dāng)給這些小鼠持續(xù)飲用富氫水后，AS面積顯著縮小。Ohta等[17]發(fā)現(xiàn)，給予載脂蛋白E基因敲除（apoE-/-）小鼠飲用飽和氫水6個(gè)月，可顯著減少其主動脈斑塊面積，降低主動脈氧化應(yīng)激水平，同時(shí)減少AS病變中巨噬細(xì)胞的積累。

由于在心血管疾病動物模型研究中，積累了大量H2治療心肌缺血再灌注損傷、動脈粥樣硬化、心衰、放射性心臟損傷、高脂血癥、高血壓、糖尿病等的有力證據(jù)，而后將H2的使用擴(kuò)展到臨床研究。近年來國內(nèi)外開展的數(shù)百項(xiàng)臨床研究證實(shí)，H2可明顯降低血LDL-C、氧化LDL（ox-LDL）水平，改善高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）功能，促進(jìn)血糖的控制[17,18]。2017年Katsumata等開展了一項(xiàng)單中心、前瞻性、開放標(biāo)簽、rater-blinded臨床先導(dǎo)性試驗(yàn)，將20個(gè)診斷ST段抬高型心肌梗死（STEMI）患者分成吸氫組（吸入1.3%H2+26%O2+72.7%N2的混合氣體）和對照組（吸入26%O2+74%N2的混合氣體）。試驗(yàn)組患者冠狀動脈（冠脈）造影前即開始吸入，持續(xù)至手術(shù)結(jié)束，吸氫組未出現(xiàn)嚴(yán)重H2相關(guān)的副作用。PCI術(shù)后7 d，磁共振檢測患者梗死面積縮小，P＞0.05，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。術(shù)后6個(gè)月，吸氫組左室重構(gòu)顯著改善，左室射血容量指數(shù)[（9.2±7.1） ml/m2vs.（1.4±7.2） ml/m2，P=0.03]及左室射血分?jǐn)?shù)[（11.0±9.3）%vs. （1.7±8.3）%，P=0.11]，較試驗(yàn)組均明顯改善[19]。2021年Si等[20]臨床試驗(yàn)表明，每天飲用富氫水1~1.2 L，連續(xù)3個(gè)月，可緩解不穩(wěn)定型心絞痛患者的心絞痛癥狀并降低總膽固醇（TC）、LDL-C和ApoB水平。有研究表明，氫分子可作為一種有效和安全的抗氧化劑用于人類心臟手術(shù)[21]。目前尚缺乏H2在高血壓方面的臨床研究資料，但越來越多的證據(jù)顯示，H2是一種非常出色的醫(yī)療氣體[22]。

2016年日本批準(zhǔn)吸入2%H2用于心臟驟停的臨床緊急治療。2020年我國氫氧霧化機(jī)作為三類醫(yī)療器械獲國家藥監(jiān)局批準(zhǔn)上市。同年，國家衛(wèi)健委在《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第七版、第八版）》中均推薦吸入氫氧混合氣（66.6%H2+33.3%O2）作為輔助治療措施。至此，氫生物醫(yī)學(xué)終于從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入臨床[23]。

1.3 氫治療心血管疾病的病理基礎(chǔ)H2供應(yīng)于動物和人體的途徑多種多樣，主要包括吸氫氣、喝氫水、注射富氫生理鹽水、服用氫氣固態(tài)緩釋劑和激發(fā)腸道菌群產(chǎn)生氫氣的食物、富氫水洗浴等[24]。研究顯示，小鼠吸入2%H2后，血液中H2濃度逐漸升高，5 min后達(dá)到最高水平即305 nl/ml，心肌中變化相同。當(dāng)冠脈血流被完全阻斷，支配區(qū)域心肌H2濃度上升減慢，最終達(dá)到非缺血心肌最大濃度的60%。再灌注后該區(qū)域H2濃度即迅速恢復(fù)與非缺血心肌相同的水平，可見H2在心肌組織的彌散能力呈血流依賴性[25]。同時(shí)臨床研究證實(shí)，H2在治療中無任何副作用[26,27]。

正常情況下，ROS在體內(nèi)不斷產(chǎn)生并被清除，使機(jī)體的氧化還原反應(yīng)處于動態(tài)平衡。當(dāng)ROS過多時(shí)，機(jī)體的生物反應(yīng)失去平衡，ROS可促進(jìn)人體正常組織細(xì)胞的損壞，引發(fā)疾病。心血管疾病的病理表現(xiàn)多種多樣，動脈粥樣硬化的發(fā)生始于血管內(nèi)皮的損傷和脂質(zhì)的浸潤。過多的ROS可引起血管內(nèi)膜糖蕚（蛋白多糖和糖蛋白組成）降解，使內(nèi)皮完整性受損，血管壁通透性增加，血管壁張力及白細(xì)胞吸附力改變。隨后，LDL-C通過受損內(nèi)皮浸潤到血管壁內(nèi)，在ROS、髓過氧化物酶（MPO）、脂質(zhì)氧化酶（LOX）的催化下發(fā)生氧化，形成氧化型LDL-C（OX-LDL-C），繼而激活內(nèi)皮細(xì)胞黏附因子表達(dá)，促發(fā)各種炎性趨化因子釋放、血小板趨化因子沉積、免疫細(xì)胞浸潤，炎癥不斷發(fā)展，斑塊不斷擴(kuò)大。當(dāng)發(fā)生血流阻斷或再灌注損傷時(shí)，缺血缺氧、氧化應(yīng)激導(dǎo)致產(chǎn)生ROS的主要場所—線粒體，在酶促反應(yīng)的作用下，發(fā)生線粒體正反饋，造成ROS超載。過多的ROS在衰竭線粒體、阻礙心肌細(xì)胞供能的同時(shí)，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞信號通路、基因表達(dá)、細(xì)胞增殖、凋亡等引發(fā)心肌壞死、纖維化、血管內(nèi)皮受損、心肌重構(gòu)等病理變化[28]。高血壓、心衰是在血管和心肌反復(fù)發(fā)生的炎癥及氧化應(yīng)激的過程中，引起血管受損、心肌細(xì)胞凋亡、纖維化、心肌重構(gòu)等而逐漸加重。這些病理變化的啟動，ROS產(chǎn)生過多，引起機(jī)體細(xì)胞氧化還原反應(yīng)失調(diào)是重要的原因之一。放療引起心血管損傷的關(guān)鍵機(jī)制包括氧化應(yīng)激、炎癥、表觀遺傳修飾等。一方面，射線可直接損傷生物大分子（如DNA、蛋白和脂質(zhì)等）。另一方面，射線可使H2O分解出大量有害的羥自由基，間接造成心肌生物學(xué)損傷，這種機(jī)制占放射性心肌損傷的60%~70%[29]?？梢?，氧化還原失衡是引起氧化損傷和細(xì)胞行為異常的驅(qū)動因素[30]。

H2在進(jìn)行心血管疾病的預(yù)防和治療時(shí)，正是基于各種疾病的發(fā)病機(jī)制，發(fā)揮了抗氧化應(yīng)激、抗炎、調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、改變基因表達(dá)、抗細(xì)胞凋亡、保護(hù)線粒體功能、提升免疫力等作用。而這些生物學(xué)行為是通過H2選擇性清除毒性ROS及其破壞性生物反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。但H2進(jìn)入機(jī)體后具體的作用途徑，目前尚有不同觀點(diǎn)。

2 氫治療心血管疾病的機(jī)制

2.1 直接清除和減少生產(chǎn)毒性ROS（·OH、ONOO-）H2體積極小，質(zhì)量極輕，可迅速彌散通過細(xì)胞膜和脂質(zhì)雙層，到達(dá)細(xì)胞核和線粒體。線粒體是產(chǎn)生ROS的主要場所，由于極強(qiáng)的還原性，H2很容易和ROS發(fā)生反應(yīng)，通過H2+·OH→H2O+H·，繼而H·+O2-→HO2

-，羥自由基被清除。但隨著氫氣生物學(xué)作用機(jī)制研究的深入，有學(xué)者對直接清除機(jī)制產(chǎn)生質(zhì)疑。在真實(shí)世界里，H2與·OH的反應(yīng)非常緩慢，無法顯著發(fā)揮上述的生理作用，且H2與ONOO-根本不發(fā)生反應(yīng)。H2更有可能通過調(diào)控線粒體減少自由基的產(chǎn)生，而不是清除已產(chǎn)生的自由基[31]。

2.2 提升抗氧化系統(tǒng)功能，間接清除毒性ROS體內(nèi)存在清除自由基的酶系統(tǒng)，包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化酶（GSK-px）等，而這些酶的表達(dá)又受到核因子2相關(guān)因子（Nrf2）的調(diào)控。H2通過調(diào)控Nrf2-抗氧化反應(yīng)元件（ARE）信號通路，上調(diào)Nrf2的表達(dá)與活性，使抗氧化酶系統(tǒng)活性上調(diào)，進(jìn)而清除ROS。Murakami等提出，氫氣對Nrf2的上調(diào)作用可能是氫氣激活線粒體活性的結(jié)果[32]。Ohta認(rèn)為H2可能通過抑制活化T細(xì)胞核因子激活Nrf2[33]。

毒性ROS的清除，意味著其對生物大分子（蛋白質(zhì)、DNA、脂質(zhì)、多糖等）的直接損傷減弱，從而起到保護(hù)血管內(nèi)皮、減少LDL-C氧化、保護(hù)線粒體功能、抑制細(xì)胞壞死等作用。

2.3 抑制毒性ROS的鏈反應(yīng)直接清除ROS的機(jī)制不能完全解釋H2多種多樣的生物學(xué)效應(yīng)，所以H2可能還存在對已經(jīng)發(fā)生的ROS有害行為的干預(yù)調(diào)節(jié)作用。

2.4 H2對生物大分子的保護(hù)作用H2可能具有抑制鏈反應(yīng)的優(yōu)勢。在動物和人群樣本檢測中均發(fā)現(xiàn)H2干預(yù)可降低8-羥基脫氧鳥苷水平，提示H2可抑制ROS對DNA的損傷[27]。H2可通過減少ROS的形成抑制miRNA-200調(diào)節(jié)的缺血再灌注的表達(dá)，抑制細(xì)胞死亡[34]。2019年Kura等[35]發(fā)現(xiàn)，H2可減弱小鼠因放射引起的miRNA的異常表達(dá)，包括miRNA-1、miRNA-9、miRNA-15b、miRNA-21和miRNA-199。目前，miRNA被認(rèn)為是新的氧化和炎癥應(yīng)激的調(diào)節(jié)基因，它能夠調(diào)節(jié)多種氧化還原相關(guān)基因的表達(dá)。但至今H2調(diào)節(jié)miRNA表達(dá)的根本機(jī)制尚不清楚。此外，H2可抑制P53基因的表達(dá)和磷酸化，減緩小鼠慢性心力衰竭進(jìn)展[36]。

2.5 抗炎、抗凋亡作用研究表明，H2可通過改變心肌缺血/再灌注、氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡所致大鼠心臟危險(xiǎn)區(qū)炎癥指標(biāo)實(shí)現(xiàn)抗炎作用。表現(xiàn)為炎性因子及促炎因子減少（中性粒細(xì)胞浸潤、3-硝基酪氨酸水平核因子κB 、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12、干擾素γ、細(xì)胞間黏附分子1、高遷移率族蛋白B1等），抗炎因子增多（IL-10、TGF）[37]。H2通過改善HDL的結(jié)構(gòu)功能，降低血脂、血糖水平，并作為強(qiáng)抗氧化劑，深入病灶，刺激巨噬細(xì)胞膽固醇外流，抑制LDL-C氧化，抑制單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞對TNF的黏附，減輕炎癥，達(dá)到抑制粥樣硬化發(fā)展，保護(hù)血管的功能[38]。H2還可抑制應(yīng)激引起的血清皮質(zhì)醇、促腎上腺皮質(zhì)激素、IL-6、TNF-α的釋放，減輕心肌細(xì)胞的損傷，防止血壓突然升高[39]。

凋亡是程序性細(xì)胞死亡的一種形式，H2一方面可通過中和毒性ROS，保護(hù)DNA、蛋白質(zhì)等不被自由基破壞，維持正常的線粒體功能，阻止細(xì)胞凋亡。另一方面H2通過激活心肌組織PI3K/AKT信號通路，抑制促凋亡因子Bcl-2相關(guān)X蛋白（Bax）、caspase-3、caspase-8和caspase-12的表達(dá)，并上調(diào)抗凋亡因子Bcl-2，改善Bax/Bcl-2比值來實(shí)現(xiàn)抗凋亡作用[40]。Sirt1-FoxO3a軸、腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）、p38、JNK等通路可能在H2調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，發(fā)揮抗凋亡行為中也起到一定作用。

2.6 其他作用H2可通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，提高自噬作用，實(shí)現(xiàn)對缺血/再灌注損傷的保護(hù)作用。在血管生成通路中，氫可通過抑制環(huán)磷酸鳥苷（cGMP）的降解，使cGMP水平升高、蛋白激酶激活和血管生成。H2增加細(xì)胞內(nèi)鈣水平，刺激血管內(nèi)皮生長因子，增加一氧化氮（NO）的產(chǎn)生。通過血管生成機(jī)制和旁分泌血管內(nèi)皮生長因子（VEGF），刺激FIk1-Notch信號促進(jìn)形成側(cè)支循環(huán)。

氫的上述生物學(xué)效應(yīng)并非彼此獨(dú)立，而是相互交叉關(guān)聯(lián)，其抗炎、抗氧化應(yīng)激、抗細(xì)胞凋亡等作用，相互依賴，相互促進(jìn)，呈現(xiàn)龐大的生物鏈網(wǎng)式反應(yīng)。

3 氫用于心血管疾病治療的重大意義

2019年，PURE研究通過對21個(gè)國家對16萬余成年人的研究顯示，心血管疾病仍是當(dāng)前世界發(fā)病率、死亡率第一的疾病?！吨袊难芙】蹬c疾病報(bào)告2021》顯示，我國心血管病的發(fā)病率、致死率仍高居榜首，每5例死亡中就有2例死于心血管疾病。因此促使臨床需提供更多、簡便、價(jià)廉、安全的有效治療手段。氫分子作為一種安全、有效、容易獲取的新型抗氧化劑，在心血管疾病治療領(lǐng)域具有廣闊的前景。