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新型改善气体氢气的作用机制(二)

氢气作为新型改善气体的研究进展

氢气生物学作用的核心是抗氧化,但是从这里出发,衍生出多种分子水平的作用机制。最新综述中,作者对近年来氢气作用的分子机制进行了系统总结,这非常值得赞赏。

摘要:氧化损伤是大多数疾病的共同病理生理基础,氢气作为一种新型的抗氧化物质,可选择性中和毒性最强的活性氧要要羟基自由基,这可能会成为预防和改善疾病的重要手段。目前,关于氢气的医学研究逐渐升温,氢气可改善的疾病类型已达到近百种,在研究对象上有细胞学研究尧器官水平的研究和整体动物研究,并已初步涉及到临床研究遥尽管如此,有关氢气效应的基础生物学机制仍有待深入探索遥现结合最新研究进展,对氢气生物学效应尧分子机制和摄入方式以及临床应用等方面做简要概述。

新型改善气体氢气的作用机制(二)

2氢气作用的分子机制

2.1还原羟自由基

羟基自由基是自由基链反应的主要引发因素之一[26],一旦链反应在生物膜上开始,就会持续蔓延并对组织细胞造成严重损伤。链反应会生成脂质过氧化物和氧化应激标志物,如4-羟基壬烯醛和丙二醛[27]。目前,许多研究都表明氢气能降低这些氧化标志物水平[28,29]。氢气在生物膜上脂相的分布高于水相,而不饱和脂质区是起始链反应的主要靶标,所以氢气可以直接抑制链反应,避免细胞受到损伤。另外,羟基自由基可以修饰脱氧鸟嘌呤,形成8-羟基-脱氧鸟嘌呤(8-OHdG)[30,31]。动物及临床研究证明,氢气同样能降低8-OHdG水平[31,32]。在细胞实验中,氢气已被证实可以还原羟自由基[1]。此外,相关实验证实氢气生理盐水可通过中和电离辐射引起的羟自由基,减少辐射所诱发的小鼠雄性生殖细胞损失,具有辐射保护效应[33]。

2.2还原亚硝酸盐

硝基酪氨酸是由亚硝酸阴离子修饰蛋白质的酪氨酸残基所形成的,是反映机体氧化应激状态的重要标志物[34]。研究表明,不论是氢气[35]、富氢水[36]还是氢气生理盐水[32,37],均可降低模型动物体内的硝基酪氨酸水平。而且,Ishibashi等[32]发现饮用富氢水可降低类风湿性关节炎患者的硝基酪氨酸水平。已知参与硝基酪氨酸蛋白转录调节的许多蛋白质因子都被(-O-NO2)或(-S-NO2)修饰,因此,氢气可能是通过减少(-O-NO2)或(-S-NO2)来调节各种蛋白质因子的表达[34],从而减少硝基酪氨酸蛋白的生成。

2.3调节内源性抗氧化通路

Nrf2-ARE是目前最为重要的抵抗内外界氧化应激的防御性转导通路。其中,核因子红细胞相关因子2(nuclear factor erythroid-related factor2,Nrf2)是管理和控制内源性抗氧化系统最重要的分子,可通过诱导相关蛋白质的表达,比如血红素氧合酶1(heme oxygenase 1,HO-1),来对抗氧化应激和各种毒性物质[38,39]。由于其内源性特点,所以研究氢气对其的调节,可为实现有效、可控的抗氧化改善开辟新途径。危重患者接受高浓度氧气改善肺部疾病是造成高氧肺损伤的主要原因,Kawamura等[40]研究发现,正常小鼠暴露于高浓度氧(98%)60 h后,吸入2%氢气可使有关Nrf2的基因上调,增加mRNA转录和HO-1蛋白的表达,改善高氧肺损伤;但在Nrf2-/-小鼠中,氢气并不能缓解高氧肺损伤或诱导HO-1,这表明氢气可以通过诱导Nrf2相关因子(如HO-1)的表达,来改善高氧性肺损伤。乳果糖可以通过胃肠道中的细菌发酵而产生大量的氢,Zhai等[41]通过RT-PCR和蛋白质印迹实验发现,口服乳果糖可激活脑中Nrf2的表达,对大鼠的脑缺血/再灌注损伤具有一定缓解作用。除了前文所述蛋白质因子,机体自身还有多种抗氧化酶,包括超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、谷胱甘肽过氧化酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)等。研究显示,氢气也可通过提高内源性抗氧化酶活性来降低氧化应激损伤[42]。所以,氢气降低氧化应激不仅通过直接作用,也有间接作用,即通过诱导内源性抗氧化系统,间接发挥抗氧化作用。

2.4调节促炎性因子和促凋亡因子的表达

氢气可间接地上调或下调相关蛋白质表达来对抗不同的病理情况。在大多数炎症模型中,氢气通过降低促炎性因子的表达来发挥抗炎作用,这些促炎性因子包括NF-资B[43]、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-12、CCL21、干扰素-酌、ICAM-1[44]、PGE2[45]以及HMGB-1[46]。此外,氢气还可通过上调抗凋亡因子,或下调促凋亡因子来发挥抗凋亡作用。已有多个实验室报道,氢气可促进Bcl-2和Bcl-xL[45]等抗凋亡因子的表达,以及抑制caspase-3[3,20]、caspase-8[45]和caspase-12[3]等凋亡蛋白的表达。在促凋亡因子Bax的表达中,氢气不仅可以抑制其编码基因的转录和翻译[45,47],而且还可以抑制Bax蛋白从细胞质转移到线粒体[48]。

2.5充当肾上腺受体激动剂

Matsumoto等[49]研究发现,氢气能增加饥饿素的表达和分泌,而该激素进入大脑后可通过激活多巴胺神经元细胞上的受体发挥保护作用,使多巴胺神经细胞免受毒素损伤,但这种作用能被茁1肾上腺素受体阻断剂或饥饿素受体阻断剂所破坏,这或许是氢气保护效应的一种新解释,即氢气激活胃的茁1肾上腺受体,从而促进饥饿素的合成和释放,产生神经保护作用。

2.6抑制Wnt/β-catenin信号

Wnt/β-catenin信号通路是参与调节细胞分裂、生长以及维持组织细胞内环境稳定等的一个分子系统。在某些炎症性疾病和肿瘤细胞中,Wnt/β-catenin系统被过度激活,即β-catenin水平过高。最新研究表明,氢气能够通过促进茁β-catenin的降解以及加快β-catenin的磷酸化,来抑制被激活的Wnt/β-catenin信号[50]。氢气的作用对正常的Wnt/β-catenin生理水平没有影响,只有在Wnt/β-catenin异常激活时才有相应的表现,这也体现了氢气在许多疾病中的积极改善作用。Wnt/β-catenin信号的异常激活也是骨关节炎恶化加重的表现,因此Wnt/β-catenin信号通路可能是骨关节炎的改善靶点。2016年,研究人员首次在人类骨关节炎软骨细胞中发现,氢气不仅能抑制Wnt/β-catenin信号,而且也能抑制Wnt3a/BIO诱导分化的ATDC5软骨形成细胞的蛋白多糖丢失[50]。此外,口服富氢水对动物外科手术诱导的骨关节炎有保护趋势。总之,研究结果提示,氢气可能有延缓人类关节炎发展的作用,但是其他信号通路和分子,包括转化生长因子-茁(transforming growth factor-β,TGF-β)和炎症反应因子,也参与关节炎的发生和发展,所以在此研究中也不能排除氢气对这些信号的调节作用。

2.7调节其他信号通路

氢气的抗氧化能力已经在许多实验中得到了证明,但是氢气所表现出来的一些生物学效应是不能用抗氧化来解释的,而是其自身作为信号分子参与相关细胞通路的调节。Itoh等[4]发现在小鼠I型超敏反应的模型中,服用富氢水可减缓被动皮肤过敏反应(passive cutaneous anaphylaxis,PCA),降低血浆组胺的水平。同时,用氢气预处理lgE致敏嗜碱性白血病的RBL-2H3细胞,能减少脱粒标志物茁氨基己糖苷酶的释放。而且,氢气能抑制Lyn及其下游信号分子Syk、PLC1、PLC2、Akt、ERK1/2、JNK、p38和cPLA2的磷酸化。另外,氢气也能抑制抗原诱导激活的NOX和ROS的产生,研究者认为这是信号转导抑制的一个结果。上述分析表明,氢气并不是通过清除自由基,而是作为特定的信号调节分子来改善I型超敏反应。Tanaka等[51]报道称在肺移植过程中通入氢气,可显著增加表面活性剂相关分子、ATP合酶和应激反应分子的表达。Li等[52]研究发现氢气能降低破骨细胞的特异性标志物的表达水平,包括抗酒石酸酸性磷酸酶、降钙素受体、组织蛋白酶K、基质金属蛋白酶-9、碳酸酐酶域型、空泡型H+-ATP酶等。此外,氢气能通过调节多种蛋白质的表达,改善多种病理状态。其中包括: 基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)[36,53];脑利钠肽;胞间粘附分子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)和髓过氧化酶; 环氧合酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2),神经元型一氧化氮合酶(neuronal nitric oxide synthase,nNOS),锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD),间隙连接蛋白30和43[54];胶原蛋白芋[48];离子钙结合衔接分子1 (ionizedcalciumbinding adapter molecule 1,Iba1)[55]。这些分子可能都不是氢气的主要靶分子,但是其间接的作用能影响到最终效应,我们可对其进行基因和蛋白质水平的分析,以寻找氢气防治疾病的分子靶点。

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