氫氣在神經損傷保護中的研究

來源：氫產業(yè)網　發(fā)表時間：2018-1-29 10:36:19　閱讀：6120

原文來自：中華全科醫(yī)學 2017 年10月第15卷第1O期
作者單位1．蚌埠醫(yī)學院2014級康復醫(yī)學與理療學專業(yè)在讀研究生；2．云南圣約翰醫(yī)院骨科；3．第二軍醫(yī)大學第三附屬醫(yī)院骨科
摘要：氫氣以往被視為惰性氣體，只應用于潛水醫(yī)學，并未受到其他醫(yī)學學科重視。自從2007年，日本學者發(fā)現氫氣可以有效地清除自由基，改善大腦的缺血再灌注損傷，自此改變了人們的認知。此后，各國科學家積極開展各種實驗以研究氫氣的效應。目前，氫氣被證實的效應有抗氧化、抗炎、抗凋亡等，有數十種疾病模型和人類疾病用氫氣治療有效，但其治療疾病的具體機制尚不明確。神經損傷是一種既有藥物較難治愈且起效緩慢的疾病，其損傷機制包括過氧化損傷和炎癥反應等，目前臨床并沒有有效的解決辦法。越來越多的實驗人員將目光轉移到氫氣生物學效應研究，建立了各類中樞神經損傷或者外周神經損傷模型，用于探討氫氣對神經損傷的保護作用及機制研究。目前，氫氣或氫水治療已應用于多種神經損傷模型，并被證實有保護效應，其中包括大腦的外傷性腦損傷、缺血缺氧損傷、出血后損傷和脊髓的打擊傷、鉗夾傷、缺血再灌注損傷、外周神經缺損損傷、視神經損傷以及自身免疫性腦脊髓炎等。本文就氫氣在神經損傷保護中的研究進展作一綜述。
氫是自然界最基本的化學元素，是地球上重要的物質組成部分。氫氣曾一直被視為惰性氣體，近年來卻被廣泛應用于多種實驗中。。氫氣分子呈電中性，體積又非常小，因此能輕易穿過細胞膜，具有極強的擴散性，能到達身體幾乎任何部位。1975年，Dole M等首先在《Science>)上發(fā)表了關于氫氣治療疾病的文章，該文探討了高壓氫氣作為一種治療手段治療皮膚鱗狀細胞癌的可能性。然而由于該試驗操作設備要求高，技術難度大，并未引起人們的關注。2007年，日本科學家證明吸入2％的氫氣可以改善大腦的缺血再灌注損傷，原因是氫氣可以有效清除自由基，該研究成果發(fā)表在《Nature Medicine》上，引起了廣大學者的關注與研究熱情。目前研究表明，有數十種疾病模型和人類疾病用氫氣治療有效。同時，越來越多的實驗研究認為氫氣或氫水可以有效防治多種神經損傷。氫水是把氫氣溶解于純凈水或者生理鹽水中以方便應用，是氫氣的一種存在狀態(tài)。以下就氫氣在神經損傷保護中的研究進展作一綜述。
1氫氣對中樞神經損傷的保護作用
1．1外傷性腦損傷(TBI)當今社會，導致青年人功能障礙或者死亡的一個重要原因就是TBI。發(fā)生腦外傷后，患者的學習及記憶能力通常有下降表現。TBI是全世界死亡和殘疾的主要原因，可能導致永久的神經功能障礙，這給家庭和社會造成沉重的負擔。氧化應激和免疫炎癥反應是損傷的主要病理機制。JiX等通過建立大鼠創(chuàng)傷性腦損傷模型，并于損傷5min后腹腔注射不同劑量的富氫水，與對照組比較發(fā)現氫水可以有效降低血腦屏障滲透性，減輕大腦水腫，減少損傷面積，可以顯著提高因TBI導致的神經功能障礙，并認為這些效應可能與大腦組織中8異前列腺素F2a、丙二醛(MDA)的減少以及超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(catalase，CAT)的活性升高有關。因此，氫氣可能具有抗氧化作用。
除此之外，氫水還證明對腦彌漫性軸索損傷(diffuse axonal injury，DAI)有效。DAI也屬于創(chuàng)傷性腦損傷，但與TBI不同的是，它是以廣泛軸索損傷為主要病理變化，表現為軸索腫脹、斷裂、軸索回縮球形成，它的病理機制目前仍不清楚。研究人員采用頭顱瞬間旋轉損傷裝置制作大鼠DAI模型，實驗組予以腹腔注射高濃度氫氣(10ml/kg)，連續(xù)3d，每天2次，結果發(fā)現氫氣注射組較對照組相比大腦皮層星形膠質細胞有所減少，白細胞介素-6(IL-6)、IL-1p及相關信號通路p-JNK表達降低，說明氫氣具有減輕炎性反應的作用。
1．2大腦缺血缺氧性損傷腦缺血是臨床上一種十分常見的疾病，病理生理機制復雜。一般表現為缺血再灌注損傷，而羥自由基(hydroxylfreeradical，·OH)和亞硝酸陰離子(peroxynitriteanion，ONO0-)等自由基又是損傷的主要因素。OhsawaI等學者最早對氫氣對神經系統的影響進行研究，其通過對培養(yǎng)的神經元實施氧糖剝奪60min模仿缺血再灌注過程，24h后觀察，發(fā)現在氫氣環(huán)境下的神經元存活率和活性更高，·OH水平有所下降，并通過阻斷大腦中動脈90min，再灌注30min建立大腦缺血再灌注模型，然后吸人不同濃度的氫氣，結果發(fā)現動物吸人2％的氫氣后，·OH和ONOO-含量下降，大腦的梗死面積明顯變小，氫氣顯著改善了腦缺血再灌注損傷狀態(tài)，得出結論氫氣可以減輕氧化應激反應，抑制腦損傷。
吸入高濃度氫氣是近年來氫氣治療的新方式，并且也取得了確切療效。袁楠楠等¨刮采用四血管阻斷法建立全腦缺血再灌注(Ischemia．reperfusion，I/R)損傷模型，研究高濃度氫氣吸入對大鼠全腦L/R損傷海馬CA1區(qū)神經元的影響。分別于術后72h、9d觀察，發(fā)現氫氣干預組海馬CA1區(qū)神經元存活數量明顯較多，形態(tài)接近正常；小膠質細胞數量明顯減少，大鼠的學習記憶和空間定位能力提高，提出其機制可能與氫氣抑制I/R后小膠質細胞的激活與活化有關。全腦I/R可誘導炎性細胞因子的激活，并影響全身免疫系統導致損傷加重，調節(jié)性T細胞(Treg細胞)與MicroRNA(miRNA)參與了細胞反應過程。LiQ等在制造大鼠全腦I/R模型后即刻與6h，分別向大鼠腹腔注射氫水，于術后6、24和96h觀察，發(fā)現對照組海馬的miR．210表達顯著增加，氫水可抑制其表達；Treg細胞數目在I/R組下降，而氫水處理使之增加；并且發(fā)現24h的Treg轉化生長因子-B(transforming growth factorTGF)、TNF-a和NF=KB含量存在高度相關，因此，大鼠的腦復蘇機制可能與上調的Treg細胞數有關。
1．3大腦出血后損傷蛛網膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)是一種具有高病死率、高致殘率和不良預后的毀滅性腦血管疾病。早期腦損傷(early braininjury，EBI)，即在SAH后72h內發(fā)生的損傷，是SAH不良預后的原因。在EBI中起關鍵作用的是氧化應激，主要由氧合血紅蛋白刺激產生。另一個參與EBI病理生理過程的重要因素是炎癥。一些文章證明，氫氣誘導的保護效應與NFKB通路有關，這種信號通路會導致腦水腫、炎癥、神經元凋亡和血腦屏障破壞，NFKB在SAH后被激活。因此，終止激活NFKB的易位過程可以阻斷許多與炎癥相關的基因轉錄，并且最終減輕SAH相關的EBI。Shao A等探討了在SAH后早期通過腹膜內注射氫水對NFKB途徑和NLRP3炎癥小體的影響，采用血管內穿孔法制作SAH模型，隨機分為假手術組，SAH組，SAH+生理鹽水組和SAH+氫水組。所有大鼠在SAH后24h處死，經過檢查發(fā)現氫水治療可以通過抑制NFKB活化和SAH后NLRP3炎癥小體形成，來減弱炎癥反應。Hong Y等進一步探討了氫氣在SAH中抗凋亡的分子機制，于即刻和8h分別給予大鼠腹腔注射富氫水，并于術后24h檢測Akt、pAkt、GSK3B、pGSK3b、Bcl-2、Bax和caspase 3等，通過對照發(fā)現，氫水可以減輕EBI中神經細胞凋亡，可能是通過AKT/GSK3B通路發(fā)生作用。
腦內出血(intracerebralhemorrhage，ICH)后的肥大細胞的活化會增加血腦屏障(blood—brain barrier，BBB)滲透性，形成腦水腫，因而造成大腦損傷。Manaenko A等利用ICH模型通過觀察氫氣對肥大細胞的影響來驗證氫氣對神經的保護作用。8周齡的雄性小鼠，分別制作膠原酶誘導模型和自體血液注射模型，然后吸入含2．9％氫氣和2l％氧氣的混合氣體，結果顯示：在ICH后24和72h，血腦屏障被破壞，出現腦水腫和神經缺陷，同時Lyn激酶的磷酸化和類胰蛋白酶釋放，證明了肥大細胞的活化，氫氣吸入減少了此反應，因此認為氫氣吸人通過防止肥大細胞活化，阻止了血腦屏障的破壞。
1．4實驗性自身免疫性腦脊髓炎(EAE)多發(fā)性硬化是一種遲發(fā)性變態(tài)反應性疾病，發(fā)生在中樞神經系統，屬于自身免疫性疾病，具有慢性、反復發(fā)作性、中樞神經系統脫髓鞘性等特點，由髓鞘蛋白抗原主動免疫實驗動物誘發(fā)，EAE是其動物實驗模型。謝建平等使用大鼠制作EAE模型，每日腹腔注射不同劑量的富氫鹽水，連續(xù)20d，記錄大鼠體重、行為學評分變化；干預結束后進行脊髓白介素．17(IL-17)、．干擾素(INF-y)以及SOD活性檢測。結果發(fā)現氫水干預明顯降低了疾病發(fā)病率，抑制發(fā)病后體重下降，并且減少了炎癥因子釋放，并且6ml/kg劑量比3ml/kg效果更佳。
1．5脊髓外傷脊髓受到外來暴力打擊后，會產生一系列病理生理變化，其造成的損傷可分為原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷。繼發(fā)性損傷的具體機制尚不明確，目前公認的因素有氧自由基介導的脂質過氧化反應、興奮性氨基酸、鈣離子超載、前列腺素等。因此，減少ROS的產生就能夠減輕脊髓繼發(fā)損傷的損傷程度，從而為神經功能恢復創(chuàng)造有利條件。
中樞神經損傷后，星形膠質細胞增生肥大，特異性膠質纖維酸性蛋白(GFAP)表達隨之增加。增生的星形膠質細胞聚集于損傷處形成瘢痕，形成了一道機械屏障和化學性屏障，不利于神經再生。氫水被證明可以抗炎及抑制星形膠質細胞活性。Liu FT等建立大鼠Allen脊髓打擊模型，每12h進行一次氫水腹腔注射，結果發(fā)現氫水對照組在術后1dSTAT3、p-STAT3、GFAP和促炎性細胞因子就有所下降。在術后7和14d觀察到星形膠質細胞活性被抑制，大鼠運動功能有所提高，尤其是注射氫水減少了星形膠質細胞內活性氧含量，減少了促炎性細胞因子的產生以及星形膠質細胞的聚集。蛛網膜下腔注射氫水可以抑制細胞凋亡，減輕脊髓損傷。孫建鋒通過對大鼠脊髓損傷模型進行局部蛛網膜下腔間斷注射富氫鹽水(0.25ml／kg)，證明富氫鹽水能上調SOD水平，減輕氧化應激損傷，抑制炎癥反應，并使降鈣素基因相關肽(CGRP)表達水平上調。CGRP是一種保護神經細胞的調節(jié)肽，通過上調保護神經細胞功能，進而抑制細胞凋亡。脊髓鉗夾損傷模型用來模擬擠壓應力對脊髓造成的損傷。顧崢嶸等研究了高濃度氫氣吸入對小鼠脊髓鉗夾損傷的影響，對治療組給予66.7％氫氣吸入，持續(xù)3d、每天4次的方案治療。結果表明氫氣治療組小鼠脊髓鉗夾傷后的BMS評分、BBB評分均升高、caspase 3蛋白的表達水平降低，小鼠足跡分析結果和脊髓損傷區(qū)的組織形態(tài)均得到明顯改善。
1．6脊髓缺血再灌注損傷I/R損傷屬于脊髓的繼發(fā)性損害，是造成神經損傷的重要因素之一。實驗證明吸人氫氣或注射氫水均可減輕脊髓I/R損傷。Zhou L等對新西蘭大白兔進行20min腎下主動脈夾閉，建立脊髓I/R模型，分別在夾閉前后5min進行氫水(5mL/kg或10ml／kg)靜脈注射，結果較對照組相比，氫水注射提高了損傷后脊髓中SOD和CAT活性，減少了前角運動神經元死亡和TNF及HMGB1的產生，降低caspase3活性，明顯提高了后肢功能評分，并提出激活mitoKATP通道可能是氫水治療脊髓損傷的保護機制，預防性注射氫水對于脊髓損傷同樣有效。孫延卿等通過ZIVIN法制備脊髓I/R兔模型，并采用氫鹽水治療，于再灌注后6、12、24、72h與模型組相比，發(fā)現氫鹽水組兔后肢運動功能評分明顯較高，72h時脊髓MDA濃度降低、SOD濃度升高，前角運動神經元凋亡及炎性細胞浸潤減少，認為其作用與其抗氧化有關。腹腔注射氫水還可以增加血管內皮生長因子(VEGF)的表達VEGF是一種多肽類糖蛋白，能夠特異性的促進血管內皮生長和血管形成，因此能改善脊髓的微循環(huán)障礙，從而發(fā)揮保護神經作用l。研究人員采取開腹并夾閉腹主動脈35min的方法建立兔脊髓缺血再灌注模型，于術前5min及8h通過腹腔注射富氫鹽水(5ml/)，發(fā)現氫水注射可以減少炎性細胞浸潤及細胞凋亡，減輕神經纖維的排列紊亂，與生理鹽水對照組相比，降低了MDA含量，升高了CAT活性，緩解了紅素氧合酶1(HO-1)的下降，髓過氧化物酶(MPO)、細胞間黏附分子-1(CAM1)和基質金屬蛋白酶9(MMP-9)含量顯著下降，而血管內皮生長因子VEGF的表達則明顯增加。
2氫氣對外周神經的保護作用
2．1外周神經再生外周神經損傷在臨床中極為常見，盡管軸突有自發(fā)再生能力，但沒有手術干預，軸突再生進入殘端彌補缺損、恢復功能仍然比較困難。自體神經移植目前是最常見的修復策略，組織工程神經移植(TENGs)也已被批準用于臨床的外周神經修復。然而，他們的效果通常不太令人滿意。藥物療法是外周神經損傷的重要輔助治療，許多藥物通過抗氧化或抗凋亡機制發(fā)揮神經保護作用；因此，具有抗氧化和抗凋亡的物質在外周神經損傷后具有治療應用的潛力，氫氣的應用也開始報道。ZhangYG等使用60只雌性SD大鼠，采用臀肌分離切口暴露右坐骨神經切除坐骨神經的10mm節(jié)段并在手術顯微鏡下反轉后與神經切口連接�？p合傷口后對實驗組大鼠每天腹膜內注射5ml/kg氫生理鹽水。通過進行行為分析、電生理評價、Fluoro．Gold(FG)逆行跟蹤和再生神經和腓腸肌肌肉的組織形態(tài)學觀察，評估軸突再生和功能恢復情況。結果表明通過富氫水減輕了外周神經損傷，對神經再生治療有效果。
2．2視神經損傷(ONC)氫水可以保護視網膜神經節(jié)細胞(RGC)。視神經(目前有學者認為視神經屬于中樞神經系統)損害由視神經傳導通路上某種病因引起，表現為傳導功能的異常。Sun JC等通過手術建立ONC模型，并于早上6點和晚上6點對大鼠進行腹腔注射氫水(5ml/kg)，發(fā)現氫水可以降低RGC凋亡，降低MDA水平，而且可以提高閃爍誘發(fā)電位和瞳孔對光反射反應。證明氫水對視神經損傷有保護作用。
綜上所述，當前這些研究主要進行了氫氣的效應研究，而且大部分集中在氫氣的抗氧化、抗炎、抗凋亡等效應研究，雖然在傳導通路和miRNA等方面也有所涉及，但關于其治療機制還沒有獲得突破性進展。而且，盡管目前已經有大量的動物實驗，證明了氫氣對許多疾病具有治療作用，但還缺乏臨床上隨機對照試驗的證據，還不能真正應用于臨床。雖然氫氣或氫水一致被認為具有安全性，但是有研究報道曾給予38名急性腦缺血患者使用氫氣注射液，其中一名出現腹瀉，另一名出現心臟衰竭，原因仍需探討，更多的隨機對照雙盲實驗也需要展開。
炎癥和氧化幾乎是所有疾病的共同基礎，而氫氣具有抗氧化、抑制炎癥反應、減少凋亡等作用，所以氫氣的有效范圍可能非常廣泛。但氫氣在神經損傷保護中的陰性報道提示我們，疾病的病理生理過程復雜，氫氣也不是對所有炎癥和氧化為基礎的疾病有效，而且單純的抗炎、抗氧化也不一定就能有治療效果�；A試驗的模型又無法完全模擬臨床情況，這給氫氣醫(yī)學向臨床轉化帶來了挑戰(zhàn)，更精準、更嚴謹、更合理的基礎研究需要我們去進一步深入探索。目前，各類神經損傷都存在著預后不佳或恢復緩慢等困難，而治療神經損傷病變的方法及藥物均偏少，且存在起效慢，容易錯過治療時間窗，以及難以到達作用部位等問題。
通過總結我們發(fā)現，氫氣可能對各類神經損傷有效，如果能將氫氣進一步應用于臨床或許能改善當前現狀，使之成為神經損傷的一種輔助治療措施或是康復手段。相信通過更多的基礎研究和臨床實驗，氫氣可以在醫(yī)學領域，尤其是在神經損傷領域真正解決一些問題。

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