本文就目前氫生物學的主要現(xiàn)狀進行了分析，提出效應明確，機制不清的主要問題，并對這一問題進行了相對深入地分析，在此基礎上，提出了這一領域研究應該采取的思路和路線。 氫氣選擇性抗氧化作用和對腦缺血再灌注損傷具有治療作用的效應2007年被日本學者發(fā)現(xiàn)以來，迅速引起國際醫(yī)學領域的廣泛關(guān)注，目前國際上這一領域的論文和綜述數(shù)量已經(jīng)超過400篇，其中數(shù)十種疾病獲得了初步的臨床驗證。對人類疾病的治療效果仍需要大規(guī)模隨機安慰劑雙盲對照的臨床證據(jù)，考慮到氫氣具有十分大的劑量安全性，但這一治療性氣體有可能改變目前國際面臨的醫(yī)學困境，部分解決目前許多疾病缺乏可靠治療方法的難題。除臨床研究以外，關(guān)于氫氣生物學效應機制的研究也是十分重要，不僅對我們理解氫氣研究的深度，而且對指導將來的研究方向，尋找更有效的疾病治療類型，推廣氫氣應用的范圍都具有重要價值。本文作者長期從事氣體醫(yī)學效應研究，也是這一領域發(fā)表論文數(shù)量最多的科研小組。我們從氫氣目前存在的分子機制不明確這個角度，提出一些可能的研究模式和方向，供這一領域的學者參考。 一、氫氣是否具有生理性作用? 目前大部分研究都是針對氫氣對疾病的治療效果研究，本質(zhì)上講這些研究都屬于藥理學或治療學研究范疇。但作為一種存在于身體內(nèi)的氣體，這種氣體的生理作用也值得探討。 既然氫氣對許多疾病具有治療作用，但是否具有生理性作用也需要明確。所謂生理性作用，就是對正常人會不會產(chǎn)生影響。如果不會產(chǎn)生生理性影響，那么氫氣治療疾病的作用只能出現(xiàn)在疾病或損傷的異常情況下，這從邏輯上并不十分合理。換句話說，氫氣或者具有生理性作用。如果氫氣具有生理性作用，意味著劑量很大時有可能會出現(xiàn)不良效果或副作用，只要生理效應超過一定限度，幾乎一定會產(chǎn)生不利的效應，這是生物學的普遍規(guī)律。因此，這一領域需要回答的一個重要問題就是氫氣是否是一種生理性調(diào)節(jié)物質(zhì)，根據(jù)研究的深度，在明確氫氣效應分子過程的基礎上，可以確定氫氣是一種新型的氣體信號分子。 二、治療或作用機制不十分清楚 目前，我們?nèi)砸詺錃饩哂羞x擇性抗氧化為最重要依據(jù)，在這個基礎上，進一步延伸氫氣具有抗炎癥和抗細胞死亡的作用，由于炎癥損傷重要的方式是氧化損傷，所以抗氧化也能在一定程度上解釋成抗炎癥的一種類型。氧化損傷也是許多細胞死亡的重要啟動因素，甚至是一些細胞死亡的關(guān)鍵執(zhí)行這，因此氫氣抗氧化也是其對抗細胞死亡或凋亡一種體現(xiàn)。 關(guān)于抗氧化，許多研究不僅考慮到直接抗氧化效應，而且從抗氧化酶角度來分析，有許多研究證實氫氣可以提高機體和細胞的抗氧化能力。體外物質(zhì)的抗氧化效應和內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)存在非常明顯的區(qū)別，一般來講，具有直接抗氧化的物質(zhì)，并不應該具有促進身體本身抗氧化酶的作用，補充外源性抗氧化物質(zhì)反而可能會抑制內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)。恰好相反，許多氧化應激因素是啟動體內(nèi)抗氧化的重要誘導因素。這方面已經(jīng)有非常多的研究證據(jù)，機制也十分清楚，當身體內(nèi)活性氧增加時，可以激活一種非常重要的轉(zhuǎn)錄因子Nrf2.Nrf2是身體內(nèi)負責抗氧化的總司令，許多抗氧化酶例如SOD和合成抗氧化蛋白(GSH)的酶幾乎都是受這個分子調(diào)節(jié)的。一旦這個分子和系統(tǒng)被激活，我們身體抗氧化和解毒的能力就會增強。一般情況下，這個系統(tǒng)是在細胞和身體受到氧化相關(guān)傷害的時候啟動，這類似于國家受到敵人破壞或侵犯，國家調(diào)動軍隊抵抗。這里的敵人就是氧化因素，軍隊就是Nrf2控制的抗氧化系統(tǒng)。動員身體抗氧化的主要因素來自于氧化應激，而外源性抗氧化物質(zhì)如果降低了身體的氧化應激程度，則可以抑制這個系統(tǒng)，這符合負反饋調(diào)節(jié)的機制。而增加身體的氧化應激水平也可以激活這個系統(tǒng)，例如運動鍛煉和服用一些藥物。從這個角度分析，氫氣如果能動員身體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)，或者說促進Nrf2的激活，這就類似于一種外源性氧化劑的身份，而不是抗氧化作用。 當然從選擇性抗氧化角度也可以解釋這個疑惑，因為選擇性抗氧化只針對沒有信號作用的有毒活性氧，而對具有信號效應的活性氧沒有作用，啟動抗氧化系統(tǒng)的正是這些具有信號作用的活性氧。而在損傷情況下，各種類型的活性氧，包括具有信號作用和具有毒性作用，都明顯增加，氫的作用是保留了具有誘導效應的活性氧，中和了具有傷害作用的活性氧。由于具有傷害作用的活性氧被氫氣中和，這可以維持細胞的正常功能，例如可以避免許多抗氧化酶和基因被毒性自由基的破壞，這會更有利于具有信號作用的活性氧發(fā)揮更好的效應。 但是這種狀況存在的前提是氫的選擇性抗氧化效應確實存在。但不幸的是，選擇性抗氧化目前的最直接證據(jù)只來自于溶液，也沒有太多實驗室重復驗證。而在體只有從效應分子改變的間接證據(jù)。因此，關(guān)于選擇性抗氧化仍是需要進一步明確的問題，特別需要尋找在體的直接證據(jù)。 關(guān)于抗炎癥的問題，雖然氧化損傷是許多驗證損傷的實質(zhì)。但研究發(fā)現(xiàn)氫對各類炎癥因子具有調(diào)節(jié)作用，這里就出現(xiàn)一個問題，是氫對抗了氧化損傷效應，還是氫抑制了炎癥反應調(diào)節(jié)。這是完全不同的問題。例如一種可以直接阻斷TNFa的藥物目前用于各類炎癥性疾病，效果也不錯，有十分明確的作用方式，是通過阻斷TNFa發(fā)揮作用。但氫氣是如何發(fā)揮抗炎癥作用的，并沒有明確的方式和分子目標。所以，從對抗炎癥角度也不能完全清楚解釋氫氣生物學效應。 細胞凋亡和壞死，這個效應更加靠后，因為細胞死亡往往是各種極端不利因素的集中效應，雖然細胞死亡本身存在比較詳細的分子過程。但氫從哪個角度產(chǎn)生效應，目前仍只能從抗氧化角度來探討這個問題。 總之，選擇性抗氧化仍是目前最有說服力的解釋。但沒有很好地證據(jù)支持，特別是缺乏明確的體內(nèi)證據(jù)。 三、氫氣的效應機制研究設想 氫氣的效應客觀存在，機制不十分清楚，這是目前研究的最客觀描述。那么如何研究，在大方向上是清楚的，就是要力爭弄清楚氫作用的分子機制，但具體如何進行研究則是比較具有挑戰(zhàn)性的問題。 明確氫氣具有非抗氧化間接效應十分重要。 因為氫氣在體內(nèi)存在的時間十分短暫，例如一定停止補充，人體內(nèi)在30分鐘內(nèi)就可以通過呼吸系統(tǒng)完全釋放出來，而許多治療結(jié)果顯然存在持續(xù)性或長期性效應。短時間接觸，長時間效應，這表明氫氣的作用具有間接性而不是直接性的。氫氣抗氧化往往被默認為直接效應，這導致許多治療效應無法用抗氧化來解釋。機體內(nèi)氧化損傷理論上會持續(xù)發(fā)生，氫的短時間作用如何克服這種長期的損傷，顯然就是一個疑問。假如氫是通過間接效應產(chǎn)生，那么是什么分子作為氫氣在身體內(nèi)產(chǎn)生作用的代理就十分重要。從現(xiàn)在的研究看，如Nrf2、饑餓素、FGF21和HO-1等 逐漸被人發(fā)現(xiàn)，但這些分子是否可以在生理狀況下被氫氣啟動，如果不能，那么仍有可能這些分子本身是被損傷因素誘導，這只是氫氣效應的伴隨現(xiàn)象，而不是效應分子。解答這個問題比較理想方法是使用藥物阻斷和基因敲除這些分子，觀察是否效應仍存在。如果效應消失，那么可以確定這些分子確實屬于氫發(fā)揮作用的體內(nèi)效應分子。其次要回答，氫的效應分子是一種，幾種還是多種。這個問題更難以解決，雖然采用組學方法有利于尋找興趣分子，例如有人發(fā)現(xiàn)許多氧化還原酶有可能參與氫的效應。但仍必須對每個具體分子進行確認。這也是組學研究方法本身要求的。 采用預適應的研究模式能確定氫氣的生理性和間接效應。 證明氫氣具有間接效應，也可以采用預適應的研究模式，預適應常規(guī)的研究是觀察一種損傷因素動員身體保護效應的研究方法和手段。這種研究模式非常有利于確定預適應處理因素的生物效應，因為可以在確定保護效應后采用不損傷的模式，單純觀察預適應處理對機體的影響效果。 如果氫氣是通過其他分子發(fā)揮作用，那么我們可以預先用氫氣對動物和細胞進行處理，然后再進行損傷，只要確定這種效應存在，就可以首先明確，氫的效應能通過機體本身的效應反應間接產(chǎn)生。這也可以從一個角度推翻選擇性抗氧化的說法，至少可以提出氫氣效應的多樣性，明確氫氣的效應本質(zhì)上屬于一種調(diào)節(jié)分子，而不僅是對抗有毒自由基的直接作用。如果能證明存在這種效應，那么我們只需要對正常機體進行細節(jié)分析，例如采用組學等研究手段尋找興趣分子。在這個基礎上，將這些興趣分子阻斷或激活，看是否能完全或部分取消氫氣的效應。如果這個思路可行，那么氫氣作為一種生物信號分子也就有了更充分的說服力。 用生物信息學手段從進化角度尋找氫氣的可能效應分子。 氫氣是一種生物活性分子有其必然性，首先許多細菌、低等動物和大部分植物都能產(chǎn)生氫氣，細菌產(chǎn)生氫氣的酶是當前生物氫能源領域研究的熱點，對氫產(chǎn)生的分子細節(jié)十分清楚，這些能產(chǎn)生氫氣的酶在進化過程仍會存在大量后代分子，例如在高等生命細胞線粒體內(nèi)的氧化磷酸化過程的復合物中就存在這樣的分子，一些生物信息學研究已經(jīng)有比較明確的結(jié)論。但是現(xiàn)在這些酶已經(jīng)不具有產(chǎn)生氫的能力。但這些分子很可能殘留能識別氫分子的位點，這些位點遇到氫氣仍會產(chǎn)生一些效應，這可能就是氫氣發(fā)揮作用的模式之一。因為能量代謝在細胞功能上的重要地位，一切影響能量代謝的調(diào)節(jié)都會產(chǎn)生非常大的效應。 從氫氣對氫鍵的影響來分析氫氣生物學效應的廣泛性。 氫氣作為一種氣體分子，和其他生物大分子的作用也不能排除水分子的參與。一些研究發(fā)現(xiàn)，氫能夠顯著影響水分子的結(jié)構(gòu)。水分子在許多情況下并不是單兵作戰(zhàn)，在生物體系內(nèi)，氫鍵的重要性和普遍性是決定生命進化的基礎和前提，也是各種生物功能發(fā)揮的平臺和基礎。既然氫能影響到水分子的氫鍵，對其他類型的生物分子氫鍵也可能會產(chǎn)生影響，如果是這樣，這種效應可能就是巨大和顯著的。但是如何將這種效應和宏觀效應結(jié)合起來，把通路弄清楚，則十分具有挑戰(zhàn)性。 總之，目標明確，前景光明，任務艱巨，這應該是我們對氫生物學領域的總體認識，相信我們在這個領域的艱苦付出能給人類健康事業(yè)作出決定性貢獻，讓我們一起為之而奮斗。 |
