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2014年12月3日 星期三

第三節 氫氣治療肝臟病的研究發展

早在2001年,就有高壓氫對肝損傷的保護作用。2007年,日本學者最早開展的研究也包括肝 缺血的研究。因此氫氣治療肝臟疾病是相對比較早,而且後來從研究方式和疾病類型上,涉及肝臟疾病的研究也非常豐富。


一、氫氣在肝臟疾病方面的早期研究
氫氣在肝臟領域的應用研究十分突出,早在2001年,法國潛水醫學領域就有學者希望證明氫氣的抗氧化作用,在法國馬賽著名飽和潛水設備公司COMEX SA的設備、技術和人員幫助下,他們展開了這一研究。讓感染了日本曼氏血吸蟲病的小鼠連續14天呼吸氫氧混合氣(氫氣濃度為87.5%,分壓為0.7MPa),觀察對小鼠肝臟功能,肝組織氧化損傷、纖維化和血液炎症反應等方面的影響。研究結果證明,連續呼吸高壓氫氣對肝臟血吸蟲病動物的肝組織損傷、炎症反應和後期的肝纖維化均有非常顯著的保護作用。可以說,這一研究具有一定的開創性意義,因為這是最早證明氫氣具有抗炎症、抗肝纖維化作用的文獻。但是該研究仍存在兩個比較明顯的不足或缺陷。首先是劑量太大。這一研究無法取代2007年日本學者發表在Nature Medicine上文章的學術地位。因為後者證明呼吸2%的氫氣具有生物學效應,2%的氫氣分壓只有2kPa,呼吸時間是35分鐘,而法國2001年的研究是709.1kPa(7 atm),呼吸時間是14天。兩者的濃度相差350倍,暴露持續時間相差567倍。也正是由於對設備條件的過高要求,法國的研究並沒有引起學術領域的關注。第二是關於機制的解釋無法讓人信服。他們認為氫氣的作用是決定於其抗氧化作用。但在同篇文章作者也發現,動物呼吸同樣濃度的氦氣也具有和氫氣幾乎完全類似的效果,如果從抗氧化角度,氦氣幾乎沒有任何還原性,因此氫氣的還原性不能合理地解釋高壓下持續暴露的抗氧化抗炎症治療效果。由於該研究條件要求苛刻,對結果又沒有合理的理論解釋,導致該研究沒有引起其他學者的廣泛關注。


二、氫氣對肝臟疾病治療效果研究
日本學者在發表首篇關於小劑量氫氣治療腦缺血再灌注損傷的研究後,隨後就發表了呼吸氫氣治療肝臟缺血再灌注損傷的文章。Fukuda等在2007年採用大鼠肝臟缺血再灌注損傷的模型,通過對組織標本的H-E染色加MDA和肝功能酶學檢測,發現氫氣對肝臟的缺血損傷有非常明顯的治療效果。2009年時,哈佛大學口腔醫院的學者Kajiya等在實驗中讓大鼠喝下能產生氫氣的細菌,發現對伴刀豆球蛋白誘導的肝炎具有預防作用,如果預先用抗生素殺滅這些細菌,則抗肝炎的作用消失,這顯示了氫氣對肝炎的預防與治療作用。他們還證明,飲用氫氣飽和水對伴刀豆球蛋白誘導的肝炎具有類似的治療效果。同年。Tsai等發現飲用富氫電解水可以保護小鼠四氯化碳誘導的肝臟損傷。中國學者孫漢勇等採用GalN/LPS、CCL4和DEN3種肝損傷動物模型,通過檢測氫氣、活性氧水平,評價氧化損傷、細胞凋亡和炎性反應程度,發現腹腔注射氫氣生理鹽水對急性肝臟損傷,肝纖維化和肝臟細胞增生均具有顯著的抑制作用,同時細胞凋亡相關分子如JNK和Caspase-3活性下降。研究結果證明氫氣不僅能治療急性肝臟損傷,而且能治療肝硬化。劉渠等研究認為,腹腔注射氫氣生理鹽水通過提高肝臟抗氧化能力,抑制肝臟炎性反應能治療膽管阻塞後黃疸和肝損傷,這對臨床研究的指導意義很大。
關於脂肪肝的研究,有人曾經報導電解水對酒精性肝損傷具有保護作用,也許提示氫氣具有解酒的作用。日本學者最近對非酒精性脂肪肝的研究證明,長時間飲用氫氣水可以對抗高脂飲食引起的脂肪肝,不僅對肝臟功能、肝形態學如纖維化,而且對脂肪肝相關細胞內信號通路均有明顯的阻斷效應,該效果可以和傳統的治療脂肪肝的藥物吡格列酮(促進胰島素受體敏感性,降血脂)治療效果相媲美。考慮到傳統藥物昂貴的價格和長期使用的副作用,氫氣顯然存在更大優勢,因此如果氫氣對人類脂肪肝也存在同樣的治療和預防效果,在當前脂肪肝成為一種新型的生活習慣流行病的背景下,氫氣的巨大應用價值將是十分顯然的。在該研究中,作者還證明,長期飲用氫氣水不僅可以對抗脂肪肝,而且可以顯著減少這種脂肪肝晚期轉化成肝癌的比例,也就是說可以減少脂肪肝發生肝癌的可能性。這也是氫氣在預防腫瘤發生方面最直接的證據。
和脂肪肝研究相關的另外一項研究是日本太田成男教授小組關於肥胖治療效果的研究,該研究也主要專注於肥胖後肝臟代謝的研究,並證明氫氣可以通過促進一種重要的信號分子成纖維細胞生長因子(FGF)21發揮減肥和治療脂肪肝的效果。FGF家族至少有22個成員組成,它們具有多種生物學活性,其應用研究十分廣泛。FGF21是日本學者於2000年發現的FGF家族的一個新成員,FGF21主要在肝臟中特異性表達,腎臟和脂肪組織中也有表達。已有研究表明,FGF21是一種非常有意義的保護糖代謝穩態的細胞因子,其生物學功能主要體現在糖脂代謝凋控方面,具有與胰島素類似的作用。FGF21的激活物被譽為下一代糖尿病治療的新型藥物靶子,氫氣具有治療糖尿病的作用目前已經有初步的臨床效果報導,儘管對肥胖和脂肪肝缺乏臨床證據,但有大量動物試驗方面的證據。許多氫氣產品的廠家有關於對脂肪肝治療效果的描述,雖然無法作為客觀證據,也提示對這一疾病的治療效果值得關注。
氫氣在肝臟疾病的臨床研究十分缺乏,最近韓國學者Kang等對49例接受放射治療的惡性肝癌患者,採用隨機安慰劑對照方法,給患者在放射治療期間飲用一定量的金屬鎂制備的氫氣水,通過對生活質量進行評價,發現該氫氣水可顯著提高肝癌患者放射治療後的生活質量,同時可以降低血液中氧化應激指標。上述研究表明,作為一種選擇性抗氧化物質,氫對肝臟缺血、藥物性肝炎、膽管阻塞引起的肝硬化、脂肪肝等多種類型的肝臟疾病具有明顯的治療作用,說明氫氣在肝臟疾病的治療方面具有十分廣泛的應用前景。


三、氫氣在肝臟疾病研究的展望
雖然氫氣在肝臟疾病領域的研究有一定規模,但仍有許多研究盲區。
1.器官移植
氫氣在肝臟器官移植方面的研究目前仍屬於空白。關於器官移植的研究,在腎臟、心臟、小腸和肺都有相應研究,儘管肝臟移植在臨床上已經廣泛使用,肝臟移植損傷和器官體外保護仍存在其他器官類似的問題,但氫氣在肝臟移植方面目前沒有任何研究報導。筆者認為,借鑒其他器官移植損傷的研究模式,氫氣作為器官移植體外保護液對冷缺血再灌注損傷的保護作用,對肝臟移植在體的急性損傷效應的保護作用,對肝臟移植後期的肝臟功能的長期保護作用,都值得探索。

2.病毒性肝炎
氫氣對各類病毒性肝炎治療作用的研究目前沒有任何報導。雖然氫氣很難說具有直接抗病毒的作用,但病毒性肝炎誘導的肝臟免疫炎症反應可以作為氫氣治療的重要依據。

3.臨床研究
這當然更重要的,也是氫氣生物學領域存在的普遍問題,也可以說氫氣的生物學效應目前缺乏臨床研究證據的支持。特別是各類自身免疫性疾病、皮炎、脂肪肝、肥胖、腫瘤化學與放射治療後損傷等方面都非常值得開展臨床醫學研究。

第二節 惰性氣體的飽和

一、飽和及飽和度
在化學中,“飽和”是指溶質在溶劑中的濃度達到最大溶解極限的狀態。
在本書中,“飽和”一詞的使用,與化學中的概念有所不同,而且除用作名詞、形容詞外,還用作動詞,依次列舉如下:
1.氣體溶入體液、組織,其張力與外界該氣體的分壓相等,即單位時間內進出溶解的分子數相等,呈現動態平衡的狀態稱為“飽和”。2.某種組織中溶解氣體已達飽和狀態,該組織稱為“飽和組織”。3.環境中氣體分壓高於體內組織中該氣體的張力時,依壓差梯度擴散人體內,隨著時間的推移,使體內該氣體的張力逐漸升高,直至壓差梯度消失,這一過程稱為“飽和”。
“飽和度”,是高氣壓醫學中用於表明飽和程度的術語。為便於將不同的飽和程度定量地表示和準確地計算並比較,把飽和狀態稱為完全飽和,而把未達完全飽和狀態稱為部分飽和。若部分飽和恰為所預期達到的完全飽和的一半,則為半飽和。
惰性氣體在體內的飽和度,常用百分數表示。如以100%飽和表示完全飽和,50%表示半飽和等。與此相對應,也用百分數表示飽和度的缺額,即表示尚未飽和的程度。飽和度和飽和度缺額互為消長,兩者之和為1。


二、半飽和時間和假定時間單位
半飽和時間是Haldane首先提出的,它是指“填滿”某類組織當時存在的惰性氣體飽和度缺額的一半所需要的時間,通常用符號t1/2 表示。比如:“填滿”血液或淋巴的氮氣的飽和度缺額的一半需要5分鐘,而“填滿”中樞神經系統灰質的氮飽和度缺額的一半則需要10分鐘;這5分鐘就被認為是氮在血液和淋巴等組織中的半飽和時間,10分鐘則為氮對中樞神經系統灰質等組織的半飽和時間。
以半飽和時間作為惰性氣體飽和的計時單位,稱為“假定時間單位”,假定時間單位(n)就等於實際時間(T)除以半飽和時間:




例如:人體在壓縮空氣中實際暴露40分鐘,就血液和淋巴(t1/2 =5)而言,n=40/5=8個假定時間單位;而對中樞神經系統灰質t1/2 =10)而言,n=40/10=4個假定時間單位。


三、飽和過程
(一)通過呼吸-循環系統完成飽和過程

機體進入高氣壓環境以後,呼吸不同成分的氣體情況與此類似,呼吸氣中的超過血液中相應張力的氮會通過肺泡迅速擴散入血液,然後由動脈血液帶到全身組織。由於肺泡壁的面積和全身毛細胞血管的面積都非常大,它們的管壁都非常薄,因此,在肺和全身組織中進行的氣體交換可以說在瞬間即可完成。飽和過程的主要時間就花在氣體在血液中的運輸上,血液在全身循環一周約18秒。血液把氣體傳遞給組織後,回流的靜脈血重新與肺泡接觸,此時呼吸氣和血液之間的氮氣的壓差梯度已比前一次循環有所減小,由肺泡向血液以及由血液向組織擴散的惰性氣體也比前一次有所減少。如此周而復始。隨著時間的推移,組織內惰性氣體張力與外界該氣體的分壓達到平衡,肺泡氣,動脈血,組織,靜脈血各環節之間惰性氣體的壓差梯度都消失。

(二)飽和度的增長幅度按循環周次或假定時間單位數的增加呈指數關係遞減

在常壓下,體內的氮張力與空氣中的氮分壓一直處於平衡狀態。一般成年男性,體內所溶解的氮量約為1000ml。其中血液內的溶解量約39ml,約占溶解於體內總氮量的4%。機體剛進入高氣壓時,飽和度缺額為1,經過全身血液循環一周(18秒),將為全身增加氮飽和度4%,餘下飽和度的缺額為“1-4%”;循環第二周,則再完成剩餘缺額的4%,即4%x(1-4%),缺額為(1-4%)2,依次類推,可見後一周所完成的飽和度比前一周按指數關係遞減(表4-2)。如此反覆進行,直到完全。


表4-2:以血液循環為計時單位推算氮飽和度


如果以假定時間單位為計時單位,那麼,在第一個假定時間單位內所完成的惰性氣體的飽和度為50%,飽和度缺額為50%。在第二個假定時間單位內,又“填滿”了第一個假定時間單位所遺缺額的50%,即50%x50%=25%,兩次累計飽和度達75%,這時飽和度缺額為25%。第三個假定時間單位內,又飽和了第二個假定時間單位所遺缺額的50%,即25%x50%=12.5%,累計飽和度達87.5%,此時飽和度缺額為12.5%。依次類推。隨著假定時間單位數的增加,飽和度的累積值越來越大,遺留的缺額越來越小(圖4-1)。


圖4-1:惰性氣體飽和度增長圖解
曲線上的圓圈,以空白表示飽和缺額所占比例,塗黑表示已飽和的比例



理論上,需要經無數個假定時間單位,才能接近完全飽和,但一般經過6個假定時間單位,飽和度達到98%時,即作為100%飽和。不同組織的 t1/2 的具體時間不同,但在此時間單位內針對飽和度缺額所完成惰性氣體在組織中的飽和度的比例則相同。
經過了若干數目的假定時間單位(n)後所達到的累計飽和度(S),可用下列公式算出:




通常,將此式簡化為:S = (1-0.5 n)
根據此式可詳細計算不同假定時間單位暴露後的氮飽和度累積值(表4-3)


表4-3:以假定時間單位為計時單位計算氮飽和度
*通常用公式:S = (1-0.5 n)


(三)惰性氣體在不同組織中的飽和速度不同

如果全身各組織氮溶解的各項參數都與血液相同,而且血液對各組織的灌流都十分豐沛,通暢,那麼,全身,全身的氮飽和度累積到50%,僅需5分鐘左右(表4-2)。然而,機體的各種組織成分與血液相差懸殊,氮在不同組織中的溶解系數相差甚遠,而且不同組織的血液灌流狀況差別也很大。因此,不同組織的半飽和時間不可能一樣,即在不同組織中的飽和速度不同。
若組織中含脂肪多,則因為惰性氣體在脂肪中的溶解度高於水中溶解度,張力上升慢,故半飽和時間長(慢);若組織的血液灌流量大,因單位時間內可以溶入的惰性氣體多,溶解氣體的張力上升快,故半飽和時間短(快)。有些含脂肪多的組織,血液灌流豐富,半飽和時間未必很長;另有一些組織,含脂肪不多,但血液灌流較少,半飽和時間未必很短。當然,含脂肪多又血液灌流少的組織,半飽和時間會很長(“慢組織”);含脂肪少又血液灌流很多的組織,半飽和時間會短(“快組織”)。


四、理論組織
Haldane根據氮氣在體內不同組織中的半飽和時間的不同,對組織進行分類,稱這樣分類的組織為理論組織。
根據半飽和時間的長短,Haldane將全身組織分為以下5類(Ⅰ~V)理論組織:
Ⅰ類組織:t1/2 =5,又稱5分鐘組織,包括血液、淋巴等。
Ⅱ類組織:t1/2 =10,又稱10分鐘組織,包括腺體、中樞神經系統的灰質等。
Ⅲ類組織:t1/2 =20,又稱20分鐘組織,包括肌肉等。
Ⅳ類組織:t1/2 =40,又稱40分鐘組織,包括脂肪、中樞神經系統的白質等。
V類組織:t1/2 =75,又稱75分鐘組織,包括肌腱,韌帶等。
五類理論組織的半飽和時間雖各不相同,但只要假定時間單位數相同,所達到的飽和度就相等。經過各自的6個假定時間單位後,五類理論組織的飽和度均可達到98%。還可以根據各類理論組織的半飽和時間來推算它們各自“完全飽和”所需的時間(ts)。其計算公式為:tst1/2 x6。
按此公式計算,五類理論組織達到“完全飽和”所需的時間依次為:5x6=30分鐘;10x6=60分鐘;20x6=120分鐘;40x6=240分鐘;75x6=450分鐘。可見,半飽和時間越長的組織,達到“完全飽和”所需的時間也越長。但機體暴露於壓縮空氣下450分鐘後,氮氣在各類理論組織中都已“完全飽和”。
從以上的論述中,我們可以掌握兩個重要信息。首先,當人體呼吸一定體積分數(如2%)的氫氣後,人體內的氫氣濃度是逐漸增加的;其次,不同的組織氫氣濃度增加的速度是不一樣的。根據理論組織的規律,血液中的濃度首先增加,然後是腦組織,而某些慢組織增加的速度則非常緩慢。血液中可以在30分鐘達到最大飽和濃度,繼續呼吸氫氣在血液中的濃度也不會繼續增加,但腦組織則需要60分鐘才可以達到同樣的最大飽和濃度,其他組織需要更長時間。

2014年11月29日 星期六

第三節 關於選擇性抗氧化的疑問

雖然氫氣的生物學效應是確定的,在人體和多種動物模型中的治療效果是非常驚人的。但氫氣治療疾病的分子機制目前仍存在疑問。

由於氫氣的溶解度比較低,按照體積計算,水中的溶解度大約1.6 ml/100 ml,脂肪中的溶解度大約3.0 ml/100 ml。如此低的體積分數,考慮到氫氣的還原性比較低,氫氣幾乎不可能與氧氣等弱氧化物質直接發生反應。不過生物體內的活性氧種類很多,有的氧化作用弱,例如一氧化氮、過氧化氫和超氧陰離子;有的氧化作用很強,例如羥自由基和亞硝酸陰離子。氫氣不與氧化作用弱的活性氧直接反應,但是氫氣可以與氧化作用很強的活性氧,如羥自由基和亞硝酸陰離子直接發生反應。日本學者2007年和後續文章通過大量證據證明這種效應的存在。
關於氫氣的選擇性抗氧化,目前存在許多問題。因為羥自由基活性比較強,其本身選擇性應該不會太好,擴散距離只有一個蛋白分子大小,當然導致這種現象的原因是細胞不像水溶液的成分那樣單一,存在多種大量能與羥自由基反應的物質,雖然氫氣與羥自由基發生選擇性中和反應,但並不能直接推論為羥自由基可以選擇性被氫氣中和。這個觀點已經有學者提出,是從反應速度上看,羥自由基與其他生物分子發生反應的速度是與氫氣發生反應速度的1000倍,除非氫氣濃度特別高,否則不應該具有選擇性。羥自由基與其他物質的衍生產物如果也能與氫氣發生反應可能更具有說服力,例如亞硝酸陰離子可能選擇性更好一點,因為它本身活性比羥自由基弱,擴散距離大,更容易遇到氫氣並與之發生化學反應。
另外,關於選擇性抗氧化的只有離體間接證據,在體是否也是具有同樣的選擇性抗氧化作用,需要更直接的證據來證明。一些現象也提示,氫氣的生物學效應可能比較複雜,首先2007年太田成男教授小組就發現,呼吸4%的氫氣作用低於呼吸2%,這說明其生物學效應不是線性,而是存在多種情況。最近日本的Mami小組研究發現,即使飲用1/20飽和氫氣水,仍然能有效治療帕金森病。如此低的氫氣濃度能取得很好效果。說明氫氣的作用比我們原來想像的作用要強大地多。有些實驗也發現,一定濃度的氫氣可影響過氧化氫和超氧陰離子濃度。這些研究證據提示,氫氣的選擇性抗氧化作用可能並不是絕對的。
與一般化學溶液不同,受溫度、濃度等條件限制,許多生物化學反應必須在酶的催化下才能實現,酶的作用是降低反應活化能,讓不具有反應條件(溫度、濃度等)的化學反應進行,生物體存在大量種類繁多的具有催化氧化反應的酶,是否這些酶具有可催化氫氣與弱氧化物質發生反應。由於氫氣分子量很小,穿透能力強(體內沒有任何屏障能阻擋氫氣的自由擴散),發生這類反應的可能性是很大的。另外,氫化酶是低等生物產生和代謝氫氣的關鍵酶,在高等生物細胞內,同樣存在這些酶的後代分子,那麼這些酶是否仍可發揮產生或代謝氫的作用,或者在一定條件下發揮這樣的作用,也值得深入探討。
許多金屬具有吸附氫氣的特點,例如鐵、銅等金屬元素,這些元素在生物體系中也比較豐富,氫氣是否在生物體內也可以被這些金屬吸附,這也是值得考慮的問題。最近國內有學者提出,氫氣的生物學效應就是在某些金屬離子催化下實現的。

第四節 氫分子醫學領域的研究展望

我們自從2008年發表第一篇研究論文以來,中國學者在這個領域共發表研究論文已經達到110多篇,而國際上這個領域的總數量仍不超過400篇,在疾病種類研究上,中國學者為主的研究幾乎占50%,儘管我們起少比較晚,但我們在國際上的研究規律已經是最大的。參與氫氣生物學效應的中國各個醫科大學和研究所數量迅速增加。根據初步統計,目前有復旦大學上海醫學院、上海交通大學醫學院、同濟大學醫學院、第二軍醫大學、第四軍醫大學、第三軍醫大學、南京大學醫學院、天津醫科大學、華西大學醫學院、陝西師範大學、中國醫科大學、首都醫科大學、哈爾濱醫科大學、蘇州大學、泰山醫學院、溫州醫學院等以及上述部分大學的多家附屬醫院。

國家自然科學基金項目數量能間接反映中國學者在這個領域的關注程度。統計數據顯示,2009年關於氫氣治療疾病的項目有2項,2010年達到4項,2011年已經達到6項,2012年已經達到10項。相信將來國家自然科學基金中關於氫分子生物學研究的項目會逐年增加。
從目前發表論文的情況看,中國學者在氫分子生物學研究方面需要注意的問題依然存在。一是研究的深度不夠,與美國和日本學者相比存在明顯差距,具體表現在我們的研究大多數停留在觀察治療效果,用常規的指標確認治療效果,很少能涉及分子機制的研究。另一個是沒有開展臨床治療的研究,儘管氫氣仍沒有作為藥物用於臨床,但作為保健品,人們仍可以使用,美國和日本學者已經在這方面進行了有益的探索。由於氫氣水和氫水棒已經商品化,可以飲用,日本和東南亞各國都有大量人群使用的報導,在糖尿病、腎衰竭、動脈硬化等疾病方面進行了初步探索。但中國的臨床研究相對滯後,關鍵原因是沒有受到臨床上的真正重視。由於我們國家人口多,疾病種類廣泛,開展臨床研究有很多優勢,只要規範選擇合適的疾病類型,我們理應在氫氣的臨床研究方面取得更好的成績。
從國際上看,氫分子生物學領域有一些重要問題仍沒有引起足夠關注。如內源性氫氣效應的研究,食用人體不吸收的營養素,如甘露醇、乳果糖和許多中藥成分等可能具有促進腸道細菌產生氫氣的作用,這種能增加內源性氫氣產生的手段也應該具有呼吸氫氣同樣的效果。電針本質上就是一種直流電刺激,電針治療過程中由於組織液被電解,在正極可產生氧氣,而在負極可產生氫氣。因此,電針治療過程中體內氫氣的水平會增加,電針的治療效果是否與氫氣有關值得探討。金屬鎂被用於可溶性生物材料如骨材料和血管支架,在含金屬鎂生物材料溶解過程是因為金屬鎂與水發生反應,產生氫氧化鎂和氫氣。因此,在分析這類生物材料對疾病的影響時也可探討氫氣在其中發揮的作用。


總之,將來氫分子生物學效應的發展將可能出現在如下這些方面。
1.氫分子的生物學作用的分子機制研究。這方面主要尋找氫氣的生物分子效應靶點、作用原理。2.氫氣的臨床應用研究。主要是選擇合適的疾病類型,開展嚴格雙盲隨機多中心的臨床研究,重點是對疾病治療效果的確認。近年有望取得突破的疾病類型包括類風濕關節炎等自身免疫性疾病、阿爾茨海默病等神經退行性疾病、糖尿病等代謝性疾病。3.氫氣的臨床使用方法研究。重點是尋找合理的臨床應用方案、氫氣相關藥物的進入、劑量-效應關係、各類使用氫氣的特殊方式有效性研究。4.氫氣在細菌、真菌、植物等多種生物體系中的作用研究。儘管氫氣在細菌和原蟲等肯定可發揮重要作用,但真菌和植物是否存在氫氣的生物學效應目前尚缺乏證據。5.其他類似氣體分子的生物學效應研究。其他一些類似氣體分子,如甲烷、氦氣、其共同特點是結構簡單,沒有毒性作用,應用前景廣泛。氫氣的生物學效應研究給這些氣體的研究提供了借鑒,有望形成一股氣體生物學研究熱潮。
許多經典的“小”分子化學物質,例如小分子肽只能靠接觸和其他分子發生反應,許多維生素和金屬離子只能結合在大分子的規定部位發揮輔酶的作用。在生物的液體微觀環境中,氣體分子不僅可以在水相分布,也可以在脂相分布,更重要的是可以深入生物大分子的內部。這是許多傳統的大分子物質所不具備的特點,也許這些氣體的生物學效應秘密恰好就隱藏在這些最簡單的化學性質中。


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第二節 氫氣治療疾病的發現

2007年日本學者報導,動物呼吸2%的氫氣可有效清除強毒性自由基,顯著改善腦缺血再灌注損傷,採用化學反應、細胞學手段證明,氫氣溶解在液體中可選擇性中和羥自由基和亞硝酸陰離子。而後兩者是氧化損傷的最重要介質,體內缺乏他們的清除機制,是多種疾病發生的重要基礎。隨後他們又用肝缺血和心肌缺血動物模型,證明呼吸2%的氫氣可以治療肝和心肌缺血再灌注損傷。採用飲用飽和氫氣水可治療應激引起的神經損傷和基因缺陷氧化應激動物的慢性氧化損傷。美國匹兹堡大學器官移植中心學者Nakao等隨後證明,呼吸2%的氫氣可以治療小腸移植引起的炎症損傷,飲用飽和氫氣水可治療心臟移植後心肌損傷、腎臟移植後慢性腎病。日本和美國學者也先後證明飲用飽和氫氣水或氫棒產生的氫氣水能治療能治療人類2型糖尿病,特別是對2型糖尿病相關的氧化損傷具有顯著的改善效果。國內第四軍醫大學謝克亮等的研究證明,呼吸氫氣能治療動物系統炎症、多器官功能衰竭和急性顱腦損傷。我們的研究也證明,呼吸2%的氫氣可以治療新生兒腦缺血缺氧損傷。隨後,我們成功制備了飽和氫氣注射液,並與國內40多家實驗室開展合作,先後發現該注射液對疼痛、關節炎、急性胰腺炎、阿爾茨海默病、慢性氧中毒、一氧化碳中毒遲發性腦病、肝硬化、脂肪肝、脊髓創傷、慢性低氧、腹膜炎、結腸炎、新生兒腦缺血缺氧損傷、心肌缺血再灌注損傷、腎缺血再灌注損傷和小腸缺血再灌注損傷等具有良好的治療作用。特別是我們的實驗證明,早期治療可明顯改善新生兒腦缺血缺氧損傷晚期神經功能和學習記憶能力。這些研究說明,氫氣是一種理想的毒性自由基的良好清除劑,具有潛在的臨床應用前景。

仔細分析最近5年氫分子生物學的研究歷史,以日本、美國和中國學者為主的研究隊伍不斷壯大,但研究的水平並沒有相應提高。究其原因,可能是這個領域並沒有得到國際上最前沿科學家的關注,目前國際上最前沿的研究主要是關於腫瘤幹細胞、小分子RNA干擾、表現遺傳學和中樞神經系統功能的研究。氫分子生物學研究在整個大的生命科學領域仍舊只能算一個局部的相對冷門的小領域。
另外,氫氣生物學效應方面的研究方法上也存在比較特殊的難度,例如氫氣的定量、跟蹤等都比較困難。這也是影響氫分子生物學研究快速發展的客觀因素。

第一節 氫分子生物學的早期研究


氫分子生物學的研究目前已經成為生命科學領域的熱點,從2007年到現在短短5年內發表的相關論文已經達到400多篇。早期主要是日本、中國和美國等國家為主的實驗室開展這一研究領域,而現在包括歐洲許多著名實驗室也相繼加入到這一隊伍,這顯示出氫分子生物學的研究隊伍在不斷壯大。2010年5月,以從事氫分子生物學為主要成員的數名學者共同創辦了《醫學氣體研究》雜誌,該雜誌創辦以來,發表的論文中涉及氫分子生物學的研究占50%以上,這足以說明這一領域的重要影響。關於醫學氣體的研究,過去比較知名的包括一氧化氮和一氧化碳,最近10多年研究的還有硫化氫。氫氣的研究是否可以成為氣體生物學研究領域的主要成員將決定於氫氣生物學效應機制的突破性進展。因為如果在作用機制上沒有突破,單純從宏觀效應上縱向研究,氫分子生物學將在生命科學領域,特別是基礎理論為主的生物學領域沒有地位。因此,從事氫分子生物學效應研究的學者必須把眼光重點放在分子機制研究上。
2008年,筆者曾經寫過一篇文章,提出氫分子生物學研究將來有可能問鼎諾貝爾醫學生理學獎,當然需要有兩個重要前提,一是氫氣在臨床上被證明有效果並被廣泛應用於臨床;二是明確了氫氣的生物學效應機制。現在這種看法仍沒有過時,不過從這個領域國際學術研究進展情況看,並沒有看到短期內可以實現的曙光。希望中國有志向的年輕科學家迎難而上,破解這一領域的謎團,不錯過這一非常有前景的課題。


第一節  氫分子生物學的早期研究


早就有人注意到氫氣是低等生物重要的代謝物質,例如有的細菌可以產生氫氣,有的可以利用和降解氫氣。那麼氫氣是否參與高等生物正常代謝或疾病過程,在2007年以前這樣研究的非常忯少。
氫氣具有還原性是公認的事實,由於氫的溶解度比較低,與氧類似,但因為氧有血紅蛋白可以結合,因此氧可以順利通過呼吸大量吸收,所以一直以來。生物學家特別是潛水醫學家認為,氫氣是生理學惰性氣體。也就是說,氫氣不會與生物體內的任何物質發生反應。早期在潛水醫學領域,由於存在高壓呼吸氫的情況,溶解的量隨分壓上升而增加,科學家試圖證明高壓情況下,氫或許可以與氧在溶解狀態下反應,或者與自由基發生反應,但由於實驗設計問題,沒有證明該反應存在。估計一方面是因為檢測方法的靈敏度不夠,另一方面也說明氫確實不容易與機體成分發生反應。不過早在1975年有人曾證明呼吸高壓氫氣能治療皮膚鱗狀細胞癌。2001年又有人證明,呼吸高壓氫氣可治療肝寄生蟲感染引起的炎症反應。這些研究沒有引起大家的關注,主要原因可能是高壓氫不可能作為一般臨床治療手段。在輻射化學領域,有人證明溶液中氫可與羥自由基直接反應,這同樣沒有被生物學家所關注。
回顧歷史可以讓我們清楚了解一門學科和一種思想的起源。關於氫氣生物學效應的研究。早在200多年前氫氣剛剛被發現後,就有人進行過探索,早期的研究只能簡單地觀察氫氣被動物呼吸後的反應,顯然觀察結果證明氫氣對動物沒有產生顯著的影響。早期關於氫氣的生物學效應,最熱鬧的當然屬於潛水醫學,因為氫氣作為人類潛水呼吸的氣體被國際許多重要的潛水醫學研究單位深入研究,作為呼吸氣體的最重要前提是該氣體的安全性,就是不能對人體產生明顯的影響,包括在極端高壓下呼吸這種氣體。許多年的潛水醫學研究證明呼吸氫氣是非常安全的,但也同時給人們一種深刻印象,呼吸氫氣對人體是沒有明顯生物學效應的。所以說萬事都存在兩面性,潛水醫學的研究給氫氣研究奠定了非常好的基礎,但也從某種程度上限制了該領域的發展,不過後來在其他領域的發現,突破了這一習慣思維,而關於潛水醫學的研究又給氫分子生物學的研究提供了非常有價值的生物安全性證據。
雖然潛水醫學認為氫氣屬於惰性氣體,但畢竟在1975年就有人開展了氫氣治療腫瘤的研究,後來2001年才有法國學者將高壓氫用於治療肝臟寄生蟲感染的研究。為什麼這麼長時間沒有其他學者關注氫氣在醫療上的應用,一方面關於氫氣是惰性氣體的說法已經在人們頭腦中根深蒂固,可能許多人根本不會去考慮氫氣的生物學效應,這個說法不是憑空想象。20年前,在激光多普勒技術應用前,根據氫氣在某一組織下降的速度和該組織的血液供應有關這一特點,一種用呼吸氫氣檢測組織血流的方法在許多疾病模型中廣泛使用,該方法是讓動物呼吸高達10%的氫氣10~30分鐘後,然後檢測組織中氫氣濃度的下降速度來間接計算該組織的血流量。從現在的角度看,這一檢測技術可以對許多研究的疾病本身產生一定治療作用,但從來沒有人發現這一效應,這不得不說是一種遺憾。

第四節 神奇的氫氣可治病

(本文於2012年發表在《科學畫報》上,科學畫報給本文選擇了許多精美圖片,這裡僅選用文字部分。)



Amusing hydrogen is drug
氫氣是我們非常熟悉的一種氣體,它可以用來充氣球,也可以用作燃料。如果說氫氣還可以用來治療疾病,你是否會覺得不可思議呢?那麼,氫氣真的可以治療疾病嗎?
氫不僅是宇宙中含量最高的元素,占全部化學元素的80%以上,而且是各種生命物質中含量最豐富的元素,也占人體所有元素的80%以上。氫氣是由兩個氫原子組成的氣體分子,是一種化學性質相對穩定的氣體,也是分子質量最小的氣體。由於它的分子體積非常小,所以很容易在其他物質中擴散,如可在人體等生物體內存在並擴散到幾乎任何部位,氫氣最典型也是最重要的化學性質是具有還原性。利用氫氣具有還原性等特點,人們在工業領域大量使用氫氣。雖然氫氣在化學和工業領域是非常重要的氣體,但是過去生物學家並沒有全面認識到氫氣的生物學作用,更不會認為氫氣與疾病治療有任何關係。


氫氣為什麼可以治療疾病
1975年,有人在美國《科學》雜誌上發表論文,聲稱呼吸氫氣可以治療惡性黑色素瘤。考慮到腫瘤的發生可能與細胞氧化損傷過度有關係,而氫氣具有一定的還原性,因此科學家聯想到用氫氣治療惡性腫瘤。不過,直接呼吸氫氣是非常危險的,因為氫氣和空氣混合可以發生爆炸。而且,氫氣很難溶解在液體中,也就是說可以進入身體的氫氣數量非常少。為了解決這些問題,科學家嘗試把氣體的總壓力提高到8個大氣壓,這樣可把氧氣的濃度降低到不會燃燒的安全範圍,並可提高氫氣在身體內溶解的濃度。這個試驗最終獲得成功,科學家證明連續14天呼吸8個大氣壓的氫氣可以有效地治療惡性黑色素瘤。遺憾的是,儘管這個試驗很成功,但是呼吸高壓氫氣需要大型設備,而且操作起來非常危險,此後幾乎沒有人再進行此類研究。
雖然直接吸入氫氣具有很大的危險性,如果把氫氣的濃度降低,也是可以避免發生燃燒或爆炸的。然而,由於氫氣溶解度非常低,人們一直不相信低體積分數的氫氣能夠治療疾病。直到2007年,日本醫科大學太田成男教授採用體積分數為2%的氫氣治療動物腦缺血的試驗取得成功,世界生物學界才再次把眼光投向這個小小的氣體分子。太田成男指出,氫氣能治療疾病原因是它具有選擇性抗氧化作用。
氧化還原反應是生物體最基本的化學反應類型,例如大部分需氧細胞獲取能量的途徑就是依靠氧氣把能量物質氧化。但是,身體內的氧化還原反應如果不充分就會產生一些中間產物,這些中間產物往往具有很強的活性,活性氧就是這類中間產物的典型代表。過去生物學界曾經認為,活性氧是導致許多疾病的根本原因,清除活性氧是治療疾病的有效方法。經過多年的研究,人們嘗試過多種能清除活性氧的還原性物質,比如維生素C、維生素A等,結果發現這些物質並不能有效治療疾病。
隨著對活性氧研究的深入,人們發現活性氧不僅可以造成細胞損傷,也是細胞功能的重要調節物質,過度清除活性氧不僅不能治療疾病,甚至還會導致細胞損傷。人們還發現,過氧化氫是細胞內含量最多的活性氧,它的作用主要是作為生物活性物質發揮正面作用;而羥基自由基在細胞內含量最少,其主要作用是產生毒性作用。太田成男研究發現,氫氣可以選擇性中和羥自由基,對過氧化氫沒有任何作用。由此可見,氫氣是一種具有選擇性抗氧化作用的物質,這是氫氣治療疾病的最重要基礎。


用氫氣治療疾病安全嗎
從疾病發生機制上考慮,氧化損傷幾乎是所有疾病的最基本病理生理過程。既然氫氣是選擇性抗氧化物質,就有可能對人類大部分疾病具有治療作用。大量運動試驗證明,氫氣可通過減少氧化損傷、炎症性損傷、細胞凋亡等病理過程,對40多種人類常見疾病具有顯著的治療效果,例如腦卒中、阿爾茨海默病、糖尿病、關節炎等。
雖然氫氣對許多疾病具有潛在的治療價值,但是到目前為止,由於沒有大規模臨床研究證據,尚沒有任何一項研究可以明確肯定上述疾病的臨床治療價值。可喜的是,關於氫氣治療疾病的臨床研究正逐漸增加,如在糖尿病、腎衰竭、腦卒中、皮膚病、肝癌後放射治療造成的損傷等方面有氫氣治療有效的報導。相信隨著進一步的研究,特別是大規模臨床研究的深入開展,這個問題不久將有明確的答案。
從我們目前掌握的知識來看,氫氣對人體十分安全。從生物學作用角度來看,氫氣屬於惰性氣體,其作用類似氮氣,很早以前人們就使用氫氣作為呼吸氣體用於潛水醫學研究。大量研究發現,人體呼吸一定壓力的氫氣是非常安全的,即使長期呼吸也不會造成任何明顯傷害。更重要的是,潛水呼吸的氫氣壓力往往是十到幾十個大氣壓,而用於治療疾病的氫氣分壓只有很小的壓力,因此使用氫氣治療疾病的安全性是非常高的。
事實上,人體內一直存在一定濃度的氫氣。人體大腸內的細菌就可以產生許多氫氣,而這些氫氣大部分被其他細菌作為能量物質利用。有一種常見腸道疾病為乳糖不耐受症,這種患者腸道內缺乏乳糖酶,無法消化牛奶等食品中的乳糖,當這些乳糖進入大腸後,細菌利用這些能量物質大量產生氫氣。從這個角度考慮,氫氣從來就是人體內存在的一種氣體,這也是使用氫氣治療疾病具有安全性的一個重要前提。
從生物進化角度考慮,氫氣曾經在低等生物中充當能量供應的角色,它們類似於高等生物中葡萄糖的地位。最近有新的研究發現,深海生物就是利用來自海底的氫氣作為基本能量來源的。既然氫氣可以作為能量物質,那麼這種氣體的安全性也是比較大的。


如何使用氫氣治療疾病
目前,用氫氣治療疾病的基本方法包括呼吸、飲用或注射氫氣溶液、促進體內細菌產生氫氣等。呼吸氫氣的方法包括呼吸高壓氫氣和低壓氫氣,呼吸高壓氫氣常用於潛水呼吸或治療潛水疾病,很難在普通的臨床治療中得到應用。呼吸低壓氫氣具有較強的可行性,近年來關於氫分子生物學效應的研究最常採用的方法就是呼吸低壓氫氣和氧氣的混合氣體。
飲用氫氣水作為一種保健品目前已經在日本上市。不過,這類產品的價格較高,雖然已經進入國內市場,但是大多數國內消費者難以承受。注射氫氣溶液是我們實驗室首先使用的一種技術,目前在許多疾病的研究中取得成效。由於注射的方法比呼吸氫氣在劑量控制、給藥時間和反復給藥等方面具有更大優勢,這種方法被認為是最具有臨床應用前景的方法。
通過促進大腸細菌產生更多氫氣,也可實現利用氫氣治療疾病的目的。但是,這種方法還存在一定缺陷,例如大腸內不僅存在可以產生氫氣的細菌,也存在大量利用氫氣的細菌,這提示氫氣可能會產生一些不利作用。因此,使用這種方法仍存在一定的風險。不過,由於這種方法更加簡單、方便使用,仍值得開展探索性研究。
目前,用氫氣治療疾病的研究在國際上已經逐漸成為一個熱點,但不可否認的是,該領域仍屬於新興研究方向──氫氣的生物學效應。氫氣既然有治療作用,就有可能具有不良反應。雖然目前沒有發現可氫氣有毒性和副作用的證據,但不能就此推斷氫氣沒有任何不良反應。最近一些研究發現,長時間使用氫氣可能造成肝臟和腦內許多基因表達發生改變,這意味著氫氣在高等生物中的作用可能不僅是一種抗氧化物質,可能還具有更複雜的生物學效應。氫氣的生物學研究需要更多不同領域,特別是化學、生物學和臨床醫學等領域學者的積極參與和合作,以早日解開氫氣生物學效應的各種謎團,為人類健康貢獻力量。