氢气对肺部疾病的保护作用

氢是自然界中最简单和丰富的化学元素，占所有元素质量的75%。氢气(H2)是一种无色无味气体，以往因其相对的生理惰性，常被用于潜水医学领域。随着2007年Ohsawa等[1]首次报道氢气具有选择性抗氧化功能，其生物学效应已受到广泛关注。同时，氢气的抗氧化、抗凋亡、抗炎以及抗过敏特性，使其在疾病的预防和治疗等领域也具有广阔的应用前景。

研究结果表明，氢气在体内几乎所有器官中均具有生物学功能。研究人员首先观察到氢气在兔的大脑缺血再灌注(ischaemia－reperfusion，I/R)模型中的抗氧化作用[1]。此后，人们逐渐在肝脏[2,3]、肾脏[4]、心脏[5]、脑疾病[6]及糖尿病、肥胖[7]、肿瘤[8]等全身性疾病动物模型中，观察并证实了氢气的抗炎、抗氧化能力。但是直到近几年，氢气在肺部疾病中的作用才逐渐受到关注，有诸多问题值得进一步深入研究。

一、氢气的生物学效应及治疗优势

氢气是由2个电子和2个质子组成的最小气体分子——氢分子构成，当浓度达4%～75%时具有易燃性。Kayar等[9]研究表明，即使在高压条件(5 MPa)下，哺乳动物的组织也不会与氢气发生氧化反应。据此，人们曾一度认为氢气具有生理惰性，像氮气一样，在生理条件下不与体内任何物质发生反应。

2007年Ohsawa等[1]发现，用含氢培养基培养antimycin A(抗霉素A)诱导的氧化应激状态下的PC12细胞，可以显著降低细胞核及胞质中的·OH和ONOO－等活性氧自由基(reactive oxide species，ROS)含量，而不会伴随H2O2、NO·和O2－·的减少，从而首次证明氢气在细胞水平的选择性抗氧化效应。随后，Buchholz等[10]检测了小肠移植术后大鼠肺部及移植物中CCL2、肿瘤坏死因子(TNF)－α、IL－6及IL－1等炎症因子水平，发现吸入2%氢气组明显低于吸入空气组，进而首次观察到氢气的抗炎调节作用。随后，多项研究结果证实了氢气在多器官中的抗炎作用，并发现氢气可能通过部分抑制丝裂原活化蛋白激酶活性，包括c－jun氨基端激酶(JNK)、p38、细胞外信号调节蛋白激酶(ERK1/2)及上游蛋白激酶[11]发挥抗炎作用。研究人员通过观察心肌缺血再灌注模型缺血灶细胞发现，氢气可以明显减少TUNEL阳性细胞，并降低caspases3和caspases12的水平，提示氢气可抑制细胞程序性凋亡[5]。另外，Itoh等[12]给予大鼠饮用饱和氢水，发现氢水可减轻PCA反应(动物Ⅰ型变态反应模型)，降低血清IgE含量。然后研究者以大鼠RBL－2H3细胞为研究对象，发现氢气可降低FceRI相关的Lyn蛋白磷酸化水平，抑制NADPH的氧化酶活性，提示氢气的抗过敏作用，并可能对支气管哮喘、过敏性鼻炎、过敏性结膜炎及花粉症等具有治疗和保护性作用。

综合既往研究，氢气的治疗优势主要在于：(1)易通过细胞膜到达亚细胞结构；(2)对正常生理参数无影响，如体温、血压、pH值和PaO2；(3)不影响代谢中氧化还原反应及细胞信号传导；(4)人体可耐受高浓度的氢气而无不良反应；(5)成本低廉。

二、氢气的应用方式

氢气的给药方式主要有3种。(1)气体吸入：氢气具有高穿透性，在体内可迅速弥散。动物实验证明，通过呼吸机、面罩吸入、鼻导管等方式吸入氢气可快速起效，发挥选择性抗氧化、抗凋亡能力，减少I/R模型动物的器官损伤。但是，需指出的是氢气在空气中浓度达4%～75%时具有易燃性，吸入氢气的安全性仍然值得关注。(2)氢水：饱和氢水制法简单，可以通过直接溶解[13]或电化学法(Mg＋2H2O→Mg(OH)2＋H2)获得[14]。氢水的优点在于管理方便、相对安全、生物敏感性高。研究显示氢水中含0.08 mg/L氢分子即有同饱和氢水(1.5 mg/L)相同的疗效[6]。目前，已有研究团队研制出可供静脉注射[15]或腹腔注射[16]的饱和氢水。因饮用氢水在肠道吸收过程中可能出现氢分子丢失，推荐经静脉或腹腔注射，便于准确控制给药浓度。(3)饮用电解水(electrolysedreduced water，ERW)：电解水pH值较高，含氧量低而含氢分子极高，被认为是"活性氢"。因此，电解水能够显著消除氧自由基，保护DNA、RNA及蛋白质。此外，ERW可使血液透析[4]、糖尿病患者[17]受益，且能抑制肿瘤血管生成[18]、治疗肝脏损伤[2]及感染[19]。

三、氢气在肺脏疾病中的作用

1．肺移植术后及肺缺血再灌注损伤：

肺缺血再灌注损伤(ischemia－reperfusion－induced lung injury，LIRI)是指经历一段时间缺血肺脏在恢复血流灌注后，出现缺血性损伤进一步加重的现象。主要病理特征为微血管渗出、血管阻力增加、水肿、氧化损伤及肺动脉高压，常见于肺移植术后。虽然发病机制不明，但临床和基础研究结果显示，活性氧自由基引起的氧化应激是LIRI的重要发病机制[20]。Kawamura等[21]于2010年首次观察到氢气对肺脏缺血再灌注的影响。研究者于术后1 h给予肺移植大鼠吸入2%氢气，发现氢气可显著提高移植肺脏的气血交换率，减少病理损伤，降低移植肺脏中细胞间黏附分子－1(intercellular adhesion molecule－1，ICAM－1)、TNF－α、IL－1β及IL－6水平。吸入氢气后，还可引起肺部丙二醛(MDA)及4－羟基(4－HNE)水平下降，提示脂质氧化减少。同时，氢气还可显著下调凋亡蛋白caspase－8的活性，增加Bcl－2、Bcl－xl等抗凋亡蛋白的水平，抑制移植肺脏中细胞凋亡。2011年，该研究团队给提供器官的大鼠术前吸入2%氢气，术后移植物中同样发现了与之前相似的结果，提示氢气对LIRI具有持续的保护作用[22]。器官供者与受者均吸入2%氢气后，研究者观察氢气对脑死亡大鼠供体肺LIRI的影响，结果提示氢气具有全身系统性抗氧化、抗炎和抗凋亡作用[23]。Tanaka等[24]分析了大鼠肺移植术前吸入2%氢气后供体肺的基因序列，结果显示，CC16等182种基因上调，PLUNC等47种基因下调，而上调的基因大部分编码抗凋亡、抗炎蛋白。氢水对LIRI同样具有保护作用，Li等[15]给予新西兰兔夹闭左肺门制作缺血模型，再灌注前10 min腹腔注射氢水。结果显示氢水可提高肺的气血交换率、降低肺水肿程度、氧化应激水平及炎症水平，从而保护LIRI。综上所述，目前已明确氢气对LIRI具有保护作用，并有望应用于器官移植等疾病治疗。

2．高氧性肺损伤：

高氧性肺损伤(hyperoxic acute lung injury，HALI)是由肺内长时间高浓度氧环境(局部氧浓度>50%)引起的以肺部内皮、上皮细胞损伤和肺泡毛细血管蛋白质渗出为病理特征的临床综合征。活性氧自由基(ROS)在HALI病理生理过程中同样起着重要作用。氢气作为新型抗氧化剂，对HALI也有着一定保护作用。

Zheng等[25]在2.5个大气压条件下使SD大鼠暴露于98%氧浓度的环境5 h以制作HALI模型，于高氧环境暴露前30 min腹腔注射氢水预防给药，结果显示氢水能够减轻肺部病理损伤程度，减少肺水肿及蛋白渗出。进一步研究结果证明，氢气可减少HALI模型大鼠肺组织内超氧化物歧化酶(SOD)、髓过氧化酶(MPO)表达，减少丙二醛及8－羟脱氧鸟苷(8－OHdG)含量，同时降低肺组织TNF－a和IL－1b等炎症因子水平，提示氢分子通过抗氧化应激及抗炎作用对HALI动物模型发挥保护性效应[26]。2013年Kawamura等[27]以家兔制作HALI模型，证明吸入2%氢气同样可减轻肺水肿，降低肺部氧化损伤程度、炎症水平，抑制细胞凋亡，并且首次证明氢气可通过部分调节Nrf2－ARE通路，激活Nrf2的转录，诱导HO－1生成，发生抗氧化作用。以上研究结果表明，氢分子通过抗氧化、抗炎、抗凋亡对HALI起到保护作用。

3．放射性肺损伤：

肺脏是极易受到放射损伤的器官，主要由氧化应激引起。电离辐射会和水分子反应产生氧自由基和氮自由基。其中·OH与生物大分子的快速反应造成了主要的细胞损伤。Terasaki等[28]在放射过程中给胸部放射的小鼠吸入氢气及饮用氢水，发现可减少辐射后肺上皮细胞中·OH及ONOO－水平，降低受辐射小鼠肺部MDA及8－OHdG含量，抑制肺部细胞凋亡，同时降低肺部纤维化程度。

4．ARDS：

ARDS是由多种病因导致的以肺毛细血管弥漫性损伤、通透性增加为基础，以肺水肿、透明膜形成和肺不张为主要病理变化的临床综合征，其发病率达59/10万。Xie等[29]以盲肠结扎穿孔术(CLP)制作脓毒症小鼠急性肺损伤模型，于术后1和6 h给予小鼠吸入2%氢气，结果显示氢气可降低中度与重度脓毒症小鼠的死亡率，减少BALF中蛋白水平及肺组织病理损伤，降低肺部8－iso－PGF2α等高氧化标志物水平，增加SOD、CAT含量，同时降低MPO、高迁移率蛋白(HMGB1)水平。该研究团队于同年发现氢气对脂多糖诱导的ALI动物模型同样具有保护作用，并且发现氢气可以通过抑制NF－κB活性，降低肺部KC、MIP－1α、MIP－2及MCP－1等趋化因子浓度。Du等[30]于2013年研究了氢水对缺血性休克引起的ALI的影响，结果显示氢水可减轻急性肺损伤病理损伤程度、减轻肺水肿，降低肺部TNF－α、IL－6等炎症因子，减轻肺部氧化损伤程度。另外，Liu等[31]报道氢气对百草枯引起的ALI有相似的保护性作用。Fang等[32]证实腹腔注射饱和氢水对重度烧伤引起的ALI大鼠模型也有相同效应。值得一提的是，该研究检测了大鼠血液中氢分子浓度，保证实验的准确性，结果显示氢水可减轻肺水肿，降低肺组织MDA、Carbonyl及8－OHdG等氧化标志物及IL－1β、IL－6及TNF－α等炎症因子水平，并抑制MPO活性。综上所述，氢气对不同病因引起的ALI动物模型均有保护性作用。

四、氢气参与肺部疾病保护作用的分子信号通路

虽然人们在多种肺部疾病动物模型中均观察到氢气具有保护作用的现象，但其作用机制与信号通路仍有待于进行深入研究。HMGB1是脓毒症发病过程中重要的炎症因子，可被血红素氧化酶1(HO－1)抑制。Li等[33]在脓毒症小鼠模型中发现，吸入氢气可以直接或间接激活Nrf2通路，活化其下游分子HO－1，进而抑制HMGB1引起的炎症反应。核因子κB通路是经典的炎症通路，激活核因子κB可上调炎症基因，激活一系列前炎症因子及凋亡蛋白。同时核因子κB又能介导细胞保护机制，抗细胞凋亡。Huang等[34]给予机械通气性肺损伤(VILI)小鼠吸入2%氢气，发现氢气可以激活核因子κB，促进细胞保护酶Bcl－2的表达，抑制肺损伤中细胞凋亡。但是，Xie等[29]对脓毒症急性肺损伤动物模型研究则发现，氢气通过抑制核因子κB，降低肺部KC、MIP－1α、MIP－2及MCP－1等趋化因子作用，达到抗炎作用。这提示氢气对核因子κB通路的作用存在争议。在脂多糖诱导的ALI小鼠模型中，Qiu等[35]发现氢气可能通过阻断前凋亡激酶JNK的磷酸化，下调凋亡基因Bax和caspase－3，上调抗凋亡基因Bcl－xl，抑制细胞凋亡。此外，还有研究认为[36]，吸入2%氢气可抑制p38MAPK通路激活，从而下调其下游TNF－α表达，抑制脂多糖诱导的ALI动物模型肺部炎症细胞的聚集。

总之，氢气因其选择性抗氧化、抗凋亡及抗炎症特性在多种肺部疾病，如肺缺血再灌注、急性肺损伤、肺放射伤、肺移植等中起保护作用。但是，氢气的作用信号通路尚不明确。更值得一提的是，目前尚无研究证实氢气在肺部变态反应性疾病中的抗过敏能力。进一步明确氢气的作用机制、阐明氢气在肺部变态反应性疾病中的作用将成为今后一段时间研究的方向。

作为一种无色无味、无不良反应、组织穿透性强的气体，氢气因其独特的生物学特性，在可预见的未来，将有着潜在的临床应用前景。目前，多数的氢分子医学研究，特别是对于肺脏疾病的研究尚处在动物实验阶段。但是，随着氢气分子作用机制研究不断深入与给药安全性等问题的解决，氢气治疗有望成为一种有效的临床干预，用于肺部慢性炎症、变态反应甚至是肿瘤疾病的预防与治疗。

【编者按】

氢是大自然中最为常见的化学元素，是一种无色无味气体，化学性质稳定，长期以来医学界认为其对生物体没有生物学作用。近些年来，国外、尤其是日本和国内该篇文章作者的团队就氢对实验动物的生物学作用进行了基础研究，发现氢可能具有抗氧化、抗凋亡及抗炎症的生物学作用。中华结核和呼吸杂志一直以来主张百花齐放、鼓励新的学术观点在杂志刊登，为从事科学研究的医务人员提供学术平台。本篇文章并不代表本刊的学术观点，谨此刊出以飨读者。