氢气在恶性肿瘤改善中的应用

摘要：恶性肿瘤是世界范围内主要死亡原因之一。尽管各种恶性肿瘤改善方法，如外科切除、局部消融改善、动脉化疗栓塞、放疗、系统性化疗等发展迅速，但仍存在临床疗效欠佳、5 年生存率低等问题。近年来，随着对氢气的基础研究的深入，其对包括恶性肿瘤在内的多种疾病的改善作用日益受到重视。氢气不仅能促进结肠癌细胞凋亡，联合化疗药物5-氟尿嘧啶使用时更具有协同作用，也可以缓解顺铂所致肾脏毒性，而不影响其抗肿瘤效果。氢气可以缓解肝癌患者放疗不良反应，显著提高肿瘤患者生活质量，而不影响放疗效果。氢气的应用为恶性肿瘤的改善提供了新的思路。本文主要就氢气的抗氧化、抗炎、放化疗辅助及信号通路调节方面在恶性肿瘤改善中作用的研究进展进行综述。

氢元素是自然界最基本的化学元素之一，其大约占宇宙物质组成成分的90%，是有机生命组成最多的元素。氢作为电子传递介质也是生命能量转化的中心成员，而水作为生命体内环境最重要的成分也是由氢元素组成的。因此，氢元素是生命元素。氢气曾一直被视为惰性气体，常温常压下，氢气的溶解度比较低，且不能被机体大量吸收利用。连续呼吸高压氢气2 周后，荷瘤动物模型的皮肤恶性肿瘤体积明显缩小，表明高压氢气可有效改善皮肤恶性肿瘤，其可能机制为氢气的抗氧化作用[1]。但因高压氢气具有爆炸的危险，导致其无法广泛应用于临床。直到2007 年，Ohsawa 等[2]报道，吸入2%的氢气可显著改善动物脑缺血再灌注损伤，并认为其机制是选择性清除羟自由基和过氧亚硝基阴离子。氢气可用于改善包括心血管疾病、脑血管疾病、代谢性疾病、呼吸系统疾病及部分肿瘤等多种疾病[3-6]。氢气具有抗氧化、抗炎及信号通路调节等功能，这些功能共同作用，使氢气发挥相应生物学效应。本文就氢气在恶性肿瘤改善中的作用机制进行综述。

1 活性氧(ROS)、炎症与恶性肿瘤

1.1 活性氧与恶性肿瘤高浓度ROS 可导致细胞蛋白质、脂质体及DNA 的损伤，从而引起衰老、退行性或致命的病变，这是许多人类疾病包括恶性肿瘤、心血管疾病、神经退行性疾病、代谢性疾病的共同过程。过氧化氢和一氧化氮等发挥非常重要的信号作用，机体内存在着特异性的清除系统，而羟自由基和过氧亚硝基阴离子在体内无有效的清除系统，毒性作用非常强，是导致细胞氧化损伤的主要介质[2]。因此，找到可以选择性清除羟自由基和过氧亚硝基阴离子的物质，可作为改善各类氧化损伤的有效方法，这是选择有效抗氧化改善药物的正确思路之一。恶性肿瘤细胞往往处于高代谢状态，ROS 水平超过正常细胞。为维持快速增殖的状态，肿瘤细胞必须让生长因子通路处于持续激活状态，这种状态使之能吸收更多营养、存活和分裂信号增强。这种状态也必然导致线粒体、内质网和烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶产生更多的ROS。ROS 通过多个信号途径，在恶性肿瘤的发生、发展、侵袭和转移过程中发挥重要作用，因此ROS是致癌的。ROS 具有两面性，不仅有损伤效应，也有保护作用。ROS 是细胞内的重要信号分子，在多种生理过程如细胞凋亡中发挥作用。细胞凋亡信号转导主要包括受体激活、Bcl-2蛋白及caspase激活和线粒体功能异常等过程。ROS 可调节抗凋亡蛋白Bcl-2 表达水平，影响细胞坏死和凋亡信号通路。但由于涉及细胞死亡的触发，ROS 在恶性肿瘤所有非手术改善手段中均会出现，其适量增加可诱导细胞衰老和凋亡，具有抗肿瘤效应，因此也被用来杀死癌细胞，对此，ROS是恶性肿瘤抑制剂。

细胞内ROS 水平主要取决于抗氧化系统和ROS 产生的动态平衡，失去平衡会导致细胞内ROS 水平增加或氧化应激。如果有物质可以调节这个通道，可能降低导致疾病发生的氧化应激作用，发挥改善某些氧化损伤的作用。总之，ROS 是导致恶性肿瘤发生的帮凶，也是控制恶性肿瘤恶化的帮手。ROS 和抗氧化剂在恶性肿瘤发生过程中的作用一直都存在争论，在不同的状态下，可产生促进和抑制作用[7]。

1.2 炎症与恶性肿瘤炎症反应是多种疾病共同的病理过程，其包括白细胞介素(IL)-1β、IL-6、肿瘤坏死因子(TNF)-α、单核细胞趋化因子(MCP)- 1、高迁移率族蛋白B1(HMGB1)及细胞间黏附分子-1(ICAM-1)等。其中IL-1β、IL-6和TNF-α 在介导急性期炎症反应过程中发挥重要作用。HMGB1 是一种晚期炎症因子，可以进一步促进炎症细胞的活化和聚集以及其他炎症介质的生成、释放，从而引发瀑布式的炎症反应。而吸入氢气或口服氢饱和生理盐水均可直接或间接激活Nrf2 通路，活化其下游分子血红素氧合酶-1(HO-1)，进而抑制HMGB1 引起的炎症反应[8-10]。恶性肿瘤危害机体的重要原因是发生远处转移。恶性肿瘤转移也是在炎症协助下完成的。乳腺癌发生转移是通过启动一种常见系统炎症瀑布效应，其中重要的协助细胞就

是中性粒细胞和γδ-T 细胞，这种炎症反应能提高肿瘤细胞转移的机会[11]。首先，IL-1β 促进γδ-T细胞表达IL-17，导致粒细胞集落刺激因子(granulocytecolony-stimulating factor，G-CSF)的系统性增加，进而导致肿瘤周围大量中性粒细胞浸润，这些被肿瘤诱导的中性粒细胞可以抑制CD8+细胞毒性T 淋巴细胞，而CD8+细胞毒性T 淋巴细胞具有限制肿瘤细胞转移的重要作用。通过抑制γδ-T 细胞和中性粒细胞，尽管不能影响原发肿瘤的生长，但能显著降低乳腺癌向肺和周围淋巴结转移的机会。由此可见，炎症是恶性肿瘤的重要特征之一，炎症在肿_瘤发生、发展和恶变等不同阶段可以发挥作用。控制炎症可能会抑制肿瘤发生、发展的不同阶段。

2 氢气、活性氧及炎症

2.1 氢气与活性氧多项研究都证实了氢气可通过提高抗氧化系统的活性，降低氧化应激所致的组织损伤。在细胞水平证明，氢气可选择性中和羟自由基(·OH)和过氧亚硝酸阴离子(ONOO-)。因此认为，氢气改善脑缺血再灌注损伤的基础可能是“选择性抗氧化作用”。含氢饱和生理盐水可显著降低辐射损伤小鼠血浆中的丙二醛水平和肠组织8-羟基脱氧鸟苷水平，同时提高血浆超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽(GSH)的水平。在N-甲基亚硝基脲诱导的视网膜色素变性的动物模型中也发现，经饱和氢水干预组SOD 活性显著提高[12]。含氢饱和生理盐水对深低温循环骤停大鼠脑损伤有明显的保护效应，且可明显提高血清和脑组织中SOD 活性。氢气通过直接和间接作用达到减少活性氧的作用，其中间接作用物质包括HO-1、SOD、过氧化氢酶及髓过氧化物酶等[13-16]。

氢气的抗氧化作用具有以下特点：首先，因氢气的还原性较弱，与活性强和毒性强的活性氧才能发生反应，而不能和具有重要信号作用的活性氧反应。其次，氢气与自由基反应的产物是水，多余的氢气可通过呼吸排出体外，无任何残留。最后，氢气的制备相对容易，造价低廉。

2.2 氢气与炎症氢气是一种理想的抗氧化抗炎症分子[17]。在围产期脑损伤模型研究中发现，氢气可降低促炎性细胞因子的表达及氧化应激代谢产物对脑组织的损伤，提示氢气可能预防炎症相关的脑损伤[18]。在酵母多糖诱导的全身性炎症反应动物模型的研究中发现，吸入氢气可减少多脏器损害，提高小鼠存活率，这些有益作用与氢气降低血清氧化损伤产物、TNF-α 水平，增加SOD、促炎细胞因子HMGB1水平相关[19]。Han 等[20]通过细胞及动物实验均证实，经氢气处理可抑制细胞外信号调节激酶(ERK)磷酸化、c-Jun 氨基末端激酶(JNK)和p38MAPK 活性，核因子κB(NF-κB)、TNF-α 和IL-1β 表达，同时防止磷酸化的ERK、JNK 和p38从细胞质到细胞核的移位，从而减少炎症介质的表达，减轻炎症反应。在缺血再灌注肾损伤研究中也发现，氢饱和生理盐水可以逆转再灌注损伤后尿素氮(BUN)、Cr、Bcl-2、caspase-3、caspase-9、caspase-8、IL-6和TNF-α 的升高，氢气通过抗炎作用发挥肾脏保护作用[21]。氢气还可降低组织中

TNF-α、IL-6 等炎症因子水平，减轻脏器氧化损伤程度[22]。以上研究均表明，在与炎症相关的疾病改善中，氢气具有潜在的应用价值。以中性粒细胞为中心的炎症反应属于最普遍的炎症反应类型，而炎症是肿瘤转移的重要原因，因此氢气可以通过发挥抗炎症效应，减少炎症因子的释放，发挥抑制肿瘤转移的效果。

3 氢气与放化疗

长期以来，放化疗作为主要改善手段广泛应用于恶性肿瘤的改善中。恶性肿瘤化疗不良反应的发生与体内大量自由基的生成密切相关。顺铂可导致活性氧的积累，超氧阴离子自由基和羟基自由基可通过减少还原型谷胱甘肽的方式，发挥抑制抗氧化物活性的作用[23]。氢气可缓解恶性肿瘤放化疗的不良反应。其不仅能促进结肠癌细胞凋亡，与5-氟尿嘧啶联合使用可以明显增加后者的抗肿瘤效果，显著提高p-AMPK、凋亡诱导因子(apoptosisinducing factor ，AIF)及caspase-3 的表达，且氢气浓度越高，协同作用效果越明显，

还可以明显延长荷瘤动物的寿命，而对非肿瘤细胞，氢气能减少细胞凋亡[24]。应用氢气能减轻顺铂造成的小鼠肾脏毒性，提高动物存活率和体质量，且在其降低顺铂毒性的同时，并不影响其抗肿瘤效果[25]。在对艾氏腹水瘤细胞最新研究中发现，氢气可单独或联合纳米白金发挥抑制肿瘤生长的作用，诱导细胞周期停滞，且联合应用其作用更加明显[26]。氢气可逆转顺铂引起的氧化应激产物升高及抗氧化酶活性的下降，其机制为通过降低丙二醛活性，升高SOD 活性，从而在化疗过程中发挥脏器保护功能。

有临床研究发现，接受放射改善的肝癌患者每天饮用氢水(0.55～0.65mmol/L，1.5～2.0 L/d)连续6 周，可以抑制患者体内氧化应激水平，提高血清抗氧化能力，改善患者的生活质量，尤其是可以改善患者食欲下降，而且不影响放射改善的效果[27]。氢气也具有通过保护免疫系统达到抗辐射作用，通过抑制辐射诱导的caspase-3 的活化，减轻辐射诱导的血液系统损伤，还可缓解辐射造成的白细胞和血小板的下降[28]。另一项氢饱和生理盐水干预恶性肿瘤的研究发现，经氢气干预可减少活性氧产生，达到减缓辐射诱导的胸腺淋巴瘤生长的作用[29]。通氢气培养组的人舌鳞癌细胞株克隆数较正常培养组减少72%，每个克隆细胞总数减少66%，氢饱和生理盐水培养的纤维肉瘤细胞同样具有上述效果，其克隆数明显下降[30]。研究已证实氢饱和生理盐水及氢气均可通过减少氧化应激产物，达到抑制肿瘤生长的效果，但对不同部位恶性肿瘤细胞株作用有所不同。虽然上述研究已经提出了氢气对特定肿瘤的抗癌特性，但氢气抑制癌细胞的具体机制仍需进一步研究。_ 4 氢气抗肿瘤可能的机制及信号通路细胞信号转导过程发生障碍或异常，可造成细胞生长、增殖、分化、代谢、凋亡等一系列生物学异常，从而导致包括肿瘤的各种疾病的发生。氢气可通过调节多种基因的表达，改善多种病理状态。氢气可调节如下基因的表达：基质金属蛋白酶(MMP)2、MMP9[31]、MMP3、MMP13[32]、ICAM-1、髓过氧化物酶(myeloperoxidase)和环氧化酶2(COX-2)[33]。以上基因的过表达，有助于肿瘤细胞的生长、迁徙、转移，通过下调其表达，可能达到抑制肿瘤进展的作用。氢气可抑制凋亡信号调节激酶1(ASK1)的磷酸化及其下游信号分子p38MAP 激酶、JNK、IκB，而不影响来自NADPH 氧化酶产生的ROS[34]。氢饱和生理盐水可显著降低JNK 和NF-κB 水平[35-36]。多项研究发现，氢饱和生理盐水干预组可显著降低血浆及组织中血管内皮生长因子(vascular endothelial growthfactor ，VEGF)水平[37-39]。

5 总结

虽然恶性肿瘤常无法治愈，但大量研究提示氢气对多种恶性肿瘤具有潜在的预防、改善和缓解作用。更重要的是，氢气是一种无毒性的天然小分子，非常容易获取和使用，这给氢气的临床试验带来了便利的条件。氢气改善疾病可能的分子机制包括选择性抗氧化作用、调节基因表达以及调节信号通路等。氢气改善疾病存在间接分子基础，应该对这些作用机制进行基因和蛋白水平的分析，以寻找氢气改善疾病可能的靶向分子。为了实现氢气疗法在临床中的应用，必须明确其改善疾病的确切机制，如氢气如何清除羟自由基，如何参与细胞信号转导和激活，抑制通路，氢气与其他抗氧化剂促进细胞保护作用及如何减少炎症等都是非常重要的。此外，还需要确定其在各种疾病模型中的特定浓度的疗效，以及最佳的应用方案。