學術論文丨氫氣對神經系統疾病治療作用的研究進展
氫氣是自然界最簡單的元素，曾經一直被視為惰性氣體。自2007年發現氫氣可改善腦缺血再灌注損傷以來，大量的研究開始探尋氫氣的治療和保護作用[1]。至目前已有大量關于氫氣用于疾病治療的報道，其療效已在多種疾病模型中得到驗證，包括組織的缺血再灌注[2]、神經退行性疾病[3]、動脈粥樣硬化、視網膜病變、內耳毛細胞[4]、突觸、半月板損傷等。氫氣作為一種新型的醫學氣體分子，攝入方式包括吸入、口服、靜脈注射等，其安全性亦得到驗證。本文就氫氣作為藥物在神經系統疾病中發揮作用的機制及應用前景進行闡述，為臨床應用提供依據支持。
1 氧化應激在神經系統疾病中的作用
大腦本身相對于其他器官而言，有著高水平的氧氣消耗，卻有著較低的抗氧化水平，因此，特別容易受到氧化應激的影響。氧化應激會使海馬神經元損傷，從而影響認知功能和學習能力[5]。保持氧化還原的穩態是維持大腦正常功能的關鍵[6]。氧化應激－炎性因子中一個重要的轉錄因子就是細胞核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2 related factor 2 , Nrf2)[7]。Nrf2是細胞抗氧化防御機制的主要調控因子，它通過與抗氧化應答元件(antioxidant response element,ARE)結合，調節多種抗氧化或解毒酶的表達。抗氧化應激信號通路的失調可引起炎性反應，Nrf2的激活將刺激Ⅱ相解毒酶基因和抗氧化酶基因的表達上調，誘導Ⅱ相解毒酶的表達增加，其中包括血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1 , HO-1)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、NADPH氧化還原酶1(NADH oxidoreductase 1, NQO1)、谷胱甘肽S轉移酶(glutathione S-transferase, GST)等。而Kelch樣ECH相關蛋白1(Kelch-like ECH-associ-ated protein 1 , Keap1)對Nrf2進行負調控，也參與到這個信號通路中。
Nrf2的下游產物如HO-1、SOD具有免疫調節和抗炎作用，其免疫調節功能的發揮主要是通過抑制巨噬細胞活性、膽綠素還原酶和一氧化碳的產生，以及促炎膽紅素的降解。Nrf2可通過HO-1選擇性抑制細胞因子，如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、白細胞介素(interleukin, IL)-1β、IL-10的上調，調控趨化因子、環氧化酵素2型、一氧化氮合成酶等的表達，從而介導炎癥的發展。炎性因子可破壞血腦屏障進入中樞，進一步導致中樞神經炎癥。IL-1β和IL-6是啟動機體炎性反應的細胞因子，可觸發下游炎性瀑布反應。IL-1β激活淋巴細胞后，誘導其他炎性因子的釋放[8], 最終導致神經元的炎性損傷。因此，Keap1/Nrf2/ARE通路是細胞抗氧化防御系統的核心參與者，介導200多種抗氧化、解毒和藥物運輸相關蛋白的轉錄激活，維持細胞內氧化還原穩態[9]。 Nrf2的抗氧化應激在大腦發揮著積極的作用。
2 氫氣的選擇性抗氧化作用
選擇性抗氧化作用是氫氣最根本的作用，當前氫氣的臨床應用也主要基于此特性。氫氣可中和機體氧化應激反應中產生的氧自由基，并選擇性中和過氧亞硝基陰離子、羥自由基等高活躍性自由基，從而發揮有效的抗氧化作用。氧化應激損傷主要由活性氧(reactive oxygen species , ROS)引起，游離自由基-OH和ON是具有細胞毒性的ROS[10], 而氫氣可針對性降低此二種細胞毒性ROS的水平[11]。炎性反應貫穿于多種神經疾病發生、發展的始終，其瀑布級聯反應涉及免疫細胞的激活和炎性因子的釋放。多項臨床研究證實氫氣可通過下調促炎細胞因子 TNF-α、IL-6和高速率族蛋白-1的水平[12], 上調抗炎細胞因子IL-10的表達，以及降低趨化因子角質形成細胞、巨噬細胞炎性因子-1α、巨噬細胞炎性因子-2和單核細胞趨化蛋白-1的水平，從而發揮抗炎作用[13]。氫氣能夠有效地穿過生物膜，到達線粒體及細胞核層面[14], 并易穿透血腦屏障。滕娜等[14]采用兔溺水模型造成急性肺損傷，發現氫氣吸入可激活Nrf2信號通路，增加血清中miRNA、OH-1蛋白、Nrf2下游抗氧化蛋白產物的表達水平，從而減輕肺損傷，提示氫氣的抗氧化機制可能與激活Nrf2通路關系密切[15-16]。綜合以上研究結論，氫氣發揮抗炎作用可能是通過激活氧化應激通路，增加抗炎因子表達，并抑制促炎因子釋放來實現的。目前發現與氫氣發揮抗氧化作用有關的包括Nrf2/HO-1、核因子-κB、Rho[17]等在內的多條信號通路，但其中涉及的具體靶向分子尚未完全明確，亦可能存在未知的基因和信號通路，因此尚需深入研究。
3 氫氣對神經系統疾病的治療作用
3.1 氫氣對神經退行性病變的改善作用
氫氣以其小分子、易通過血腦屏障、選擇性抗氧化的特點，在神經系統疾病治療方面具有潛在應用價值。氧化應激被廣泛認為是導致神經退行性變(nu-rode g enerative diseases , NDD) 的原因之一，包括癡呆和帕金森病。應激反應可引起機體氧化損傷，抑制海馬神經元的再生，從而進一步破壞學習和認知功能。具有抗氧化應激作用的信號通路是機體防御神經退行性疾病的主要保護系統，同時為治療神經退行性疾病提供了干預靶點。TAN等[18]發現氫氣改善阿爾茨海默病的機制主要是通過抗炎、抗氧化應激、抗凋亡、調節自噬及激活激素信號通路等途徑。氫氣通過減輕神經元的炎性損傷來減慢阿爾茨海默病的病情發展并改善預后。
3.2 氫氣對急性認知功能障礙的改善作用
術后譫妄是手術患者常見的急性認知功能障礙，可導致圍術期死亡率的上升、住院時間延長及醫療費用的增加[19]。比較譫妄和未發生譫妄的手術患者發現，兩者的抗氧化基因表達譜并不相同，因此，血清中多個免疫因子水平也存在差異[9]。有研究發現，譫妄患者腦內小膠質細胞、星形膠質細胞活性增高，IL-6水平增加[20], 進一步證明了譫妄的炎癥機制。該學者還發現與非譫妄患者相比，譫妄患者IL-6和IL-8水平的變化有差異，兩者具有不同的時相表現，IL-6水平在譫妄發生時增高，而IL-8水平增高發生在譫妄前；與低活動型譫妄患者相比，高活動型或混合型譫妄患者具有較高的IL-6水平。提示炎性細胞因子可能參與促進神經元損傷，促使譫妄的發生。XIN等[21]研究揭示吸入高濃度氫氣可抑制大鼠術后炎性反應，減輕神經元凋亡，從而改善術后急性認知功能障礙。KIYOMI等[3]研究發現向肝切除術后少量腹腔內注射富氫生理鹽水可減輕術后急性認知功能障礙。劉剛等[22]研究證實，氫氧2∶1吸入可降低老年患者骨折術后譫妄的發生率。氫氣改善急性認知功能障礙的機制可能與調控炎性反應和改善氧化應激狀態有關[6]。
3.3 氫氣對腦動脈粥樣硬化的干預作用
氧化應激與動脈粥樣硬化的形成和發展密切相關。被氧化的低密度脂蛋白在動脈粥樣硬化中起推動作用，可能通過結合細胞表面的低密度脂蛋白受體(lectin-like oxidized LDL receptor-1 , LOX-1)來促使內皮功能障礙。炎性細胞因子TNF-α可上調LOX-1的表達。氫氣治療降低斑塊血清被氧化的低密度脂蛋白膽固醇水平，同時抑制內質網應激，減少主動脈ROS積累[23], 其機制可能與Nrf2的激活相關。氫氣亦被發現有調節血脂水平 的作用。已有研究發現，氫氣吸入可能通過影響代謝綜合征大鼠模型的一般狀態、脂質代謝參數來發揮保護作用[24]。
3.4 氫氣對缺血再灌注損傷的保護作用
氧化應激是腦缺血再灌注所致神經元損傷的主要原因。氧化應激反應中產生的ROS在缺血再灌注損傷的發生、發展過程中起到關鍵作用[25]。高活躍自由基可通過誘導脂質過氧化、細胞核內DNA修飾和蛋白質變性等多種途徑導致神經元壞死，也可通過損傷線粒體途徑致細胞色素 C(cytochrome C , CytC)釋放，激活下游通路中多種蛋白導致細胞核內DNA損傷[26]。氫氣可選擇性中和游離的羥自由基、過氧亞硝基陰離子等毒性自由基，從而減輕腦缺血再灌注損傷[27]。譚永星等[28]對全腦缺血再灌注后的大鼠吸入高濃度氫氣進行干預，發現其水迷宮試驗結果優于對照組，海馬CA1區神經元核蛋白(NeuN) 陽性細胞計數亦有明顯差異，提示氫氣對缺血再灌注后的海馬體神經元具有保護作用，可改善大鼠的認知能力，其機制可能與氫氣減少再灌注氧化應激損傷，進而保護神經元的剩余功能等有關。
3.5 氫氣對外傷性腦損傷的治療作用
外傷性腦損傷是導致年輕患者功能障礙甚至死亡的重要原因。外傷后的神經系統氧化應激和免疫炎性反應是加重損傷的主要病理機制。免疫炎性反應啟動后，可產生鈣離子內流、線粒體障礙等一系列級聯反應，引起損傷加重。王躍振等[29]采用吸入高濃度氫氣的方式對創傷性腦損傷大鼠進行干預，結果顯示干預組神經元損傷減輕，促凋亡蛋白bax、半胱氨酸蛋白酶-3及氧化應激相關蛋白髓過氧化物酶、HO-1水平明顯降低，抗凋亡蛋白bcl-2水平明顯升高。
氫氣對腦彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury，DAI) 亦具有改善作用。DAI與傳統的外傷性腦損傷定義不同，以廣泛性軸索損傷為主要病理變化。DAI的病理機制目前尚不完全清楚，但免疫炎性反應在其中的作用是當前的研究熱點。國內研究者通過腹腔注射氫水對DAI大鼠模型進行干預，發現干預組較對照組的腦組織形態學有明顯改善，膠質纖維酸性蛋白陽性細胞數目減少，IL-6、IL-1β和磷酸化的c-Jun氨基末端激酶 (p-JNK)表達水平均較對照組降低[30]。提示免疫炎性反應推動了DAI后的病理生理過程，星形膠質細胞的活化和炎性因子的大量釋放導致DAI后腦組織損傷的進行性加重，而氫氣作為抗氧化劑通過抑制上述病理生理機制從而改善DAI急性期腦損傷，亦使對DAI預后的改善成為可能。
4 小 結
氫氣作為一種安全有效的治療氣體，在疾病治療方面有巨大的潛在優勢和應用前景。氫氣以其小分子、易擴散的特點，可在神經元線粒體、細胞核及其亞結構水平發揮作用。基于其選擇性抗氧化應激的特性，可改善神經退行性疾病、腦缺血再灌注損傷、動脈粥樣硬化及外傷后的免疫炎性反應等多種神經系統疾病的進展 。但仍有潛在機制及應用范疇未能揭曉，因此，需要進一步的臨床和基礎研究，為神經系統疾病的治療提供新的方式。
參考文獻
[1] 賀思緣，劉越好，黨楊杰，等．氫氣在醫學領域的應用[J] . 醫學信息，2021 , 34(2):39-41.
[2] 萬強，李庭庭，肖媛，等．吸入高濃度氫氣對大鼠腦缺血－再灌注損傷的影響[J] . 中國腦血管病雜志，2021 , 18(5):303-310.
[3] KIYOMI NISHIMAKI T A , IKUROH OHSA- WA E N , CHIAKI IKEJIMA T Y , et al. Effects of molecular hydrogen assessed b y an animal model and a randomized clinical study on mild cognitive impairment[J] . Curr Alzheimer Res , 2018 , 15(5):482-492.
[4] 石磊，于寧，秦含黛，等．氫氣對噪聲性聾的有效防護時間及機 制研究 [J] . 中華耳科學雜志，2021, 19(1):66-70.
[5] RYAN S L , KIMCHI E Y. Evaluation and man-agement of delirium[J] . Semin Neurol , 2021 , 41(5):572-587.
[6] WANG Z , WANG G , XIE K. Prospects of mo-lecular hydro gen in perioperative neuroprotec-tion from basic research to clinical application[J]. Curr Opin Anaesthesiol, 2020, 33(5): 655-660.
[7] LU M C , JI J A , JIANG Z Y , et al. The Keap1-Nrf2-ARE p athway as a potential preventive and therapeutic target: an update[J] . Med Res Rev , 2016 , 36(5):924-963.
[8] CHEN J B , KONG X F , MU F. High-flow hydro-gen inhalation might suppresses the immune func-tion of middle-aged participants: a self-controlled study[J] . Med Gas Res, 2021, 11(1):12-17.
[9] MALDONADO J R. Neuropathogenesis of de-lirium: review of current etiologic theories and common pathways[J] . Am J Geriatr Psychia-try，2013, 21(12):1190-222.
[10] HIRANO S I, YAMAMOTO H , ICHIKAWA Y, et al. Molecular hydrogen as a novel antitu-mor agent: possible mechanisms underlying gene expression[J] . Int J Mol Sci , 2021 , 22 (16):8724.
[11] NIA A M , KALANTARIPOUR T P , BASIRI M, et al. Nepeta dschuparensis bornm extract moderates COX-2 and IL-1β p roteins in a rat model of cerebral ischemia[J]. Iran J Med Sci , 2017 , 42(2):179-186.
[12] 李媛，謝克亮，陳紅光，等．Nrf2在氫氣治療嚴重膿毒癥腸損傷中的作用[J] . 中華危重病急救醫學，2014 , 26(6):415-419.
[13] LUCAS K, ROSCH M, LANGGUTH P. Molecu-lar hydrogen( H2) as a potential treatment for acute and chronic fati gue[J] . Arch Pharm (Weinheim),2021 , 354(4):e2000378.
[14] 滕娜，孫明潔，李會．吸入氫氣對重癥急性胰腺炎大鼠肺損傷的影響[J]. 中國醫藥導報，2020 , 17(15):26-28.
[15] QI B , YU Y , WANG Y , et al. Perspective of molecular h ydrogen in the treatment of sepsis[J] . Curr Pharm Des , 2021, 27(5):667-678.
[16] 張紅濤，劉玲玲，于洋，等．吸入氫氣對膿毒癥小鼠急性肺損傷 時肺組織Rho/ROCK通路的影響[J] . 中華麻醉學雜志，2016, 36(7):843-846.
[17] AVELINO-SILVA T J , CAMPORA F , CURI- ATI J A , et al. Association between delirium superimposed on dementia and mortality in hospitalized older adults: a prospective cohort study[J] . PLoS Med, 2017, 14(3):e1002264.
[18] TAN X, SHEN F, DONG W L , et al. The role of hydrogen in Alzheimer ’s disease[J] . Med Gas Res, 2018, 8(4):176-180.
[19] WANG Y , SHEN X. Postoperative delirium in the elderly ：the potential neuropathogenesis[J] . Aging Clin Exp Res, 2018, 30(11): 1287-1295.
[20] HSHIEH T T , INOUYE S K , OH E S. Deliri-um in the elderl y[J] . Clin Geriatr Med, 2020, 36(2):183-199.
[21] XIN Y, LIU H, ZHANG P, et al. Molecular hy-drogen inhalation attenuates postoperative cog-nitive impairment in rats [J]. Neuroreport , 2017 , 28(11):694-700.
[22] 劉剛，王如意，于泳浩，等．氫氣吸入對老年患者髖部骨折術后譫妄的影響[J] . 臨床麻醉學雜志， 2018 , 34(7):643-646.
[23] SONG G , ZONG C , ZHANG Z , et al. Molecular hydrogen stabilizes atherosclerotic plaque in low-density lipoprotein receptor-knockout mice[J] . Free Radic Biol Med, 2015, 87:58-68.
[24] LIU B , XUE J , ZHANG M , et al. Hydrogen in-halation alleviates nonalcoholic fatty liver dis-ease in metabolic syndrome rats [J] . Mol Med Rep, 2020 , 22(4):2860-2868.
[25] YIN T , BECKER L B , CHOUDHARY R C , et al. Hydrogen gas with extracorporeal cardiop-ulmonary resuscitation im proves survival after prolonged cardiac arrest in rats[J] . J Transl Med , 2021 , 19(1):462.
[26] 劉玉祥，富路．氫氣對氧化應激影響的研究進展 [J] . 中華老年 心腦血管病雜志，2017 , 19 (9):997-1000.
[27] 王子成，張野，王剛，等．氫氣改善冠狀動脈旁路移植術患者血中氧化應激和炎性因子水平[J] . 國際麻醉學與復蘇雜志，2019 , 40(8):720-724.
[28] 譚永星，袁楠楠，夏裕寧，等．H2對大鼠全腦缺血再灌注損傷后海馬CA1區神經元及樹突棘的保護作用[J] . 中華神經醫學雜志，2016 , 15(11): 1091-1097.
[29] 王躍振，李庭庭，曹紅玲，等．吸入高濃度氫氣對大鼠創傷性腦損傷的影響[J] . 臨床麻醉學雜志，2019, 35(10):1011-1015.
[30] 王露，殷振宇，王一峰，等．氫氣在老年神經系統常見疾病中的應用研究進展[J] . 中華老年心腦血管病雜志，2018 , 20(10):1118-1120.
文章來源：重慶醫學2022年9月第51卷第18期
注：轉載內容，如有侵權，請聯系刪除