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新领域:氢气对气腹肝损伤的保护作用

东北农业大学张建涛课题组2018年1月在Oncotarget发表研究论文,证明氢气皮下注射能改善二氧化碳气腹肝损伤,这是国际上首次报道氢气对气腹导致的内脏损伤的研究。

腹腔镜比传统手术有更多优点,如出血少、切口小、身体伤害更少和恢复时间快。但是腹腔镜也有不少副作用,其中腹腔器官缺血损伤就是其中比较常见的类型。为实施腹腔镜手术,需要使用人工气腹,就是向腹腔内注射一定体积的气体,把腹腔变成一个类似气球一样的结构,这样可产生强于打开腹腔的视觉效果。人工气腹比较常用的气体是二氧化碳,常见压力是11–14毫米汞柱,这个压力比正常门静脉血压高7–10毫米汞柱。腹腔高气压会导致肝血流不足导致缺血损伤,气腹放气后可恢复组织血流,但也能导致缺血再灌注损伤。缺血和缺血再灌注损伤都可以导致氧化应激和氧化损伤。

新领域:氢气对气腹肝损伤的保护作用

肝缺血和缺血再灌注损伤导致氧化应激和活性氧增加,导致严重肝损伤。除了氧化应激,组织缺血再灌注也能导致细胞凋亡和炎症反应和炎症因子释放。虽然缺血再灌注损伤发生的分子过程十分复杂,但是活性氧导致的氧化损伤是其中比较重要的基础。许多研究表明,氢气能通过抗氧化作用减少组织活性氧,对抗各种组织缺血再灌注损伤。作为一种改善性气体,氢气对许多疾病具有改善作用,例如对帕金森病、急性胰腺炎、肝硬化和脓毒症等。氢气能减少氧化损伤和炎症反应减少组织缺血再灌注损伤。不过过去没有研究评估氢气对气腹导致的器官损伤尤其是肝脏损伤的作用,最新研究主要针对这一想法进行验证。

论文摘要:二氧化碳气腹经常用于腹腔镜手术,随着腹腔镜技术的广泛应用,气腹导致的肝脏和内脏器官损伤越来越受到人们的关注。气腹导致的内脏器官损伤主要是腹腔气压升高导致的腹腔内器官血流灌注不足引起的缺血损伤,以及随后排气后血流恢复导致再灌注损伤。二氧化碳气腹还存在组织二氧化碳增加的酸中毒因素。研究中将大鼠随机分为三组,分别为对照组、气腹组和氢气组。对照组动物仅麻醉90分钟,气腹组和氢气组动物在腹腔内注入二氧化碳,压力为15毫米汞柱90分钟。气腹10分钟后,氢气组动物皮下注射了氢气(0.2毫升/公斤) 。丙氨酸转氨酶和天冬氨酸转氨酶分析评估肝功能,丙二醛、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽含量测定来评估氧化应激,mRNA和蛋白表达检测核因子E2相关因子2(Nrf2)和Nrf2下游靶基因,凋亡相关基因和炎性细胞因子等。显微镜分析肝组织病理改变。研究结果显示,气腹动物肝功能、抗氧化剂含量、炎症因子和肝病理损伤后均出现明显改变,氢气皮下注射能改善这些指标。研究结果显示,皮下氢气注射可以减少二氧化碳气腹导致的肝损伤,其作用是通过减少氧化应激、细胞凋亡及炎性细胞因子释放实现的。

研究亮点:气腹器官损伤是氢气医学最新研究,氢气皮下注射也是比较少采用的方法,研究设计和研究指标选择方面都是比较常规的研究内容,其中Nrf2相对比较新。Nrf2是代表身体内源抗氧化系统,氢气提高该系统功能是氢气抗氧化和抗炎症的一种说法。

关键论文结果

新领域:氢气对气腹肝损伤的保护作用

Figure 3: Hypodermic injection of hydrogen gas protectedagainst liver histology injury induced by pneumoperitoneum. Histopathology examination at 6 h. (A, B)C group. (C, D) P15 group. (E, F) H2 group.

论文讨论

本研究旨在确定氢气皮下注射对二氧化碳气腹诱导肝损伤的保护作用。二氧化碳是气腹期间最常用的气体。二氧化碳吹入可导致内脏器官的缺血显著,随后增加再灌注损伤通缩。因此,二氧化碳气腹可引起对人体健康的负面影响。内脏器官如肝,肾,脾,肠,卵巢和睾丸易受气腹不利影响。肝脏受到肝动脉和门静脉的供血,是受缺血影响最敏感的器官之一。据报道,10 mmHg气腹导致肝动脉,门静脉和微血管灌注显着减少。此外,气腹增加从10到15毫米汞柱可以通过39%减少肝流动,引起肝缺血损伤,和放气手术导致肝缺血再灌注损伤的血液再灌注后的结果。一些研究表明,二氧化碳气腹影响肝酶的功能,并且使组织损伤。我们的结果显示了类似结果。事实上,我们的结果显示,气腹和氢气组的ALT和AST水平均升高,但氢气组的水平低于气腹组。反映肝损伤程度的组织病理学检查显示,氢气组损伤小于气腹组。因此,氢气皮下注射可以减少二氧化碳气腹期间的肝损伤。

氢气有许多优点。氢气的生物效应可以缓解多种疾病。将氢气引入体内的方法可以不同,包括吸入氢气,吸入氢气和富氢注射盐水。已经证明,氢气皮下注射的保护作用与氢水腹腔注射所获得的保护作用相同。此外,与氢气吸入和富氢盐水注射相比,皮下注射氢气更方便,更安全和迅速被吸收。在我们的研究中,生化分析和组织病理学检查的结果显示皮下注射氢气减少了二氧化碳气腹引起的肝损伤。这种保护作用与降低的氧化应激,细胞凋亡和炎性细胞因子的产生有关。

缺血再灌注损伤导致一些内源性抗氧化酶(如SOD)的下调和活性氧产生过量。SOD是一种具有特定生物催化功能的金属酶。超氧自由基可被SOD催化并转化为过氧化氢。MDA起源于氧化蛋白和脂质过氧化自由基的分解,其含量反映了脂质过氧化程度。SOD和MDA水平通常估计组织的抗氧化能力。GSH是重要内源性抗氧化剂。GSH通过活性氧解毒保护组织免受氧化应激损伤。我们的结果显示氢气皮下注射通过降低MDA水平和增加SOD和GSH水平来降低肝脏氧化应激,提示氢对氧化应激的保护作用。Nrf2是一种转录因子,通过介导内源性抗氧化剂的水平来抵抗氧化应激损伤。Keap1通常与Nrf2结合抑制它并将其保留在细胞质中。然而,Keap-1-Nrf2复合物在Nrf2激活后由于氧化损伤而解离,使得Nrf2易位至细胞核中。在此,结合到抗氧化反应元件,并且致抗氧化剂酶,包括HO-1和NQO1。最近的研究表明Nrf2可以保护肝脏免受缺血再灌注损伤。HO-1和NQO1都是关键效应基因,它们激活可防止细胞氧化损伤。HO-1通过抑制炎症和凋亡来发挥细胞保护作用。还可将血红素降解为CO、铁和胆绿素,发挥间接抗氧化作用。NQO1是一种黄素蛋白,其黄素辅因子在直接清除超氧化物中起关键作用。因此,NQO1可直接发挥抗氧化保护作用。我们的结果显示气腹后肝脏Nrf2、HO-1和NQO1的mRNA和蛋白水平均增加。皮下注射氢气后,mRNA和蛋白质水平均显着增加,表明在二氧化碳气腹期间通过增加抗氧化剂水平提高了对抗缺血再灌注损伤的肝保护作用。

Nrf2也具有抗炎能力。炎症反应可导致缺血再灌注期间的肝损伤。炎症反应与促炎性细胞因子的释放有关。TNF-α是一种促炎细胞因子,是急性期反应的主要细胞因子。ICAM-1是可以由TNF-α诱导的细胞粘附分子,而IL-10是一种抗炎细胞因子阻遏促炎性反应,从而减少由炎症引起的组织损伤。以前的研究表明,腹内压升高可以增强促炎细胞因子的表达。事实上,枯否细胞在再灌注的初始阶段活化的并且它们因而同时释放促炎细胞因子如TNF-α和抗炎细胞因子如IL-10。此外,缺血再灌注可以增加肝内皮细胞中ICAM-1的表达。在我们的研究中,气腹后IL-10,TNF-α和ICAM-1的表达增加。然而,氢气皮下注射增强了IL-10 mRNA和蛋白的表达,降低了TNF-α和ICAM-1 mRNA和蛋白的表达,表明氢气改善了二氧化碳气腹导致的炎症反应。

在肝脏缺血再灌注损伤期间可以刺激细胞凋亡。事实上,肝脏缺血再灌注可以增加Bax和caspase-3的表达。高二氧化碳气腹压力导致细胞凋亡增加。Bax和Bcl-2是细胞凋亡过程中的重要基因。Bax是一种促凋亡蛋白,而Bcl-2是一种抗凋亡蛋白。Bax可以诱导caspases激活其他各种凋亡分子。切割的半胱氨酸蛋白酶-3在表征凋亡途径的半胱天冬酶级联中起重要作用。激活的caspase-3导致DNA片段化和凋亡。在我们的研究中,气腹并不增加Bcl-2的表达,但增加了Bax和caspase-3的表达,提示气腹诱导肝细胞凋亡。氢气皮下注射后,Bax和caspase-3表达减少,表明二氧化碳气腹期间肝细胞凋亡减少。

一些方法可用于降低气腹诱导的损伤,如缺血预处理,气腹预处理,低腹内压力,逐步上升二氧化碳吹入,褪黑激素,茶碱,促红细胞生成素和右旋美托咪。一些试剂也可用来减少缺血再灌注损伤,如没食子儿茶素-3-没食子酸酯,天麻和氧化苦参碱。如果氢气可以在临床上使用,因为它比那些方法便宜,虽然它的吸入由于它的易燃和爆炸特性可能是危险的。氢气的皮下注射比吸入更安全和简单。而且,与其他药物相比,氢气不会留下残留物。作为一种潜在的抗氧化剂,氢气具有许多优点,如快速扩散,不直接消除功能重要的活性氧,即使在较高浓度下也没有毒性。因此,我们的研究强调皮下注射氢气可以对二氧化碳期间的肝损伤起到保护作用气腹通过减少氧化应激,细胞凋亡和炎性细胞因子的释放。因此,皮下注射氢气可能是针对气腹引起的肝脏损伤的有前途的方法。

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