氢气效应机制（2）：内源性抗氧化

虽然选择性抗氧化是氢气生物学效应最流行的假说，但存在明显不足，如无法全面解释氢气多种生物学效应，羟基自由基理论上也不应只选择与氢气发生反应。更有意思的是发现氢气具有预防损伤的作用，氢气预防效应不应该是氢气直接参与，因为损伤发生时氢气已经离开损伤组织，氢气具有预防作用说明可以通过影响细胞内某些分子产生作用。关于间接效应研究最多的是认为氢气通过激活细胞内源性抗氧化系统Nrf2实现抗氧化作用。

能量和信息是生物活动的基础，氧化能量代谢是需氧生物赖以生存的基础，而氧化能量代谢的营养物质和生物体自身成分并没有区分，例如人体需要的三大能量营养素蛋白质、脂肪和碳水化合物同样存在于细胞结构中，这导致物质能量代谢具有伤害自身的条件。为了克服物质能量代谢对自身成分的伤害，细胞对能量代谢过程进行分区和分步，并对整个反应过程产生的有害物质进行针对性清除。有氧代谢生物系统中，最具有代表性有毒代谢产物是各种类型活性氧，这要求需氧生物必需建立有效的中和或清除活性氧的系统。Nrf2(核因子e2相关因子)是细胞内最重要的抗氧化系统的核心成员。细胞内拥有一套精细的抗氧化系统，主要是由各种抗氧化剂和抗氧化酶组成，内源性抗氧化剂如谷胱甘肽的各种催化酶和抗氧化酶如SOD的蛋白表达几乎全部受到Nrf2的精细调控。

Nrf2不仅是调控细胞氧化应激反应的重要转录因子，也是维持细胞内氧化还原稳态的中枢调节者。Nrf2通过诱导调控一系列抗氧化蛋白的组成型和诱导型表达，可以减轻活性氧和亲电体引起的细胞损伤，使细胞处于稳定状态，维持机体氧化还原动态平衡。体内激活Nrf2系统的最重要信号是氧化应激产生的活性氧，从而形成一个自身负反馈调节系统。当细胞内活性氧增加时，活性氧激活Nrf2系统，细胞表达出更多抗氧化酶和合成抗氧化剂的蛋白酶，抗氧化系统效应加强使活性氧产生下调，从而实现氧化还原的平衡。

氢分子具有多种生物学作用，包括抗氧化作用、抗炎作用、促进糖脂代谢作用、血管舒张作用、神经保护作用、抗凋亡作用。在这些作用过程中，据推测氢分子首先作用于某些目标分子，产生传递信号并使器官组织细胞作出反应。这个假设已经获得了部分验证，将在后续内容中进行具体解释。Nrf2就是其中研究最广泛的候选分子是的蛋白质。这种分子广泛分布于全身多种组织细胞中，是维持细胞的理想氧化还原稳态的关键调节因子。通常和Keap1蛋白质分子结合，当细胞发生异常，如受到氧化应激、炎症或体内毒性分子作用。Nrf2脱离Keap1变成游离状态，可进入细胞核产生转录活性。这就建立了一个伤害防御系统来对付异常行为。Nrf2进入细胞核，激发编码各种防御系统所需蛋白质基因表达增加。Nrf2建立的身体防御系统的机制是近年来人们广泛研究的课题。研究认为，氢分子也可激活Nrf2防御系统发挥广泛的医学作用。

Nrf2的抗氧化作用可通过血红素加氧酶1 (HO-1)实现。HO-1是一种抗氧化酶，主要促进含铁血红素与氧的结合和释放，血红素是血红蛋白中氧的载体。值得注意的是，HO-1本身具有多种生理功能，例如保护细胞免受氧化应激。Hirohisa Ono等报道吸入氢气治疗严重急性皮肤红斑具有显著结果，氧化应激可破坏血管内皮细胞的Nrf2/HO-1通路，氢气可恢复这一通路(Ono et al. 2012a)。HO-1在各种免疫应答中也发挥着重要作用，这是目前深入研究的课题(Lobota et al. 2016)。在大鼠创面愈合实验中，Tamaki等(2016)展示了氢水对腭部损伤后测量的一些生物学参数的影响，包括Nrf2和HO-1(图7)。显然，氢水具有抗氧化和抗炎作用，此外还通过增强特定基因的表达来促进愈合过程。当然仅从其实验结果来看，尚不清楚所观察到的愈合加速是由于作者所建议的某些分子通路，还是仅仅是氢水对伤口杀菌作用的结果。需要进一步的实验来确定起作用的实际愈合机制。氢分子与Nrf2作用之间的密切关系已在各种实验中得到证实，包括在缺乏Nrf2的小鼠中未观察到氢气管理对降低高氧肺损伤的作用(Kawamura et al. 2013)。野生小鼠(Nrf2+/+)暴露于高氧(98%氧气, 2% 氮气) 60 min后，肺受到严重损伤，2%氢气抑制肺损伤。在此过程中，吸入2%的氢气后，Nrf2依赖基因NQO1 (NADPH脱氢酶醌1)、GSTA2(谷胱甘肽转移酶A2)和HO-1显著升高，如图8a-c所示。图9比较这些结果与Nrf2缺陷鼠，差别很明显。这些结果表明，氢分子激活Nrf2依赖信号通路，保护大鼠免受高氧肺损伤。

Zhai et al.(2013)在另一个大鼠实验中发现，氢给药与缺血再灌注损伤脑核中激活的Nrf2数量存在明显相关性。Nrf2也被认为参与了抗炎机制。Nrf2也参与抗炎机制。大量炎症因子的产生会加剧自身免疫性疾病、糖尿病、癌症等疾病，可以通过激活Nrf2来缓解这些疾病(Kobayashi et al. 2016)。

随着对Nrf2研究增多，越来越清楚的是，它发挥的生理效应非常广泛。越来越多的人认识到，Nrf2通过10多种转录因子对建立生物防御系统的基因进行全面控制。某些分子可通过影响Keap1激活Nrf2，使人们猜测氢分子也以类似方式发挥作用。氢分子可通过Nrf2以外途径发挥作用，而途径多样性被认为是其医学效应多样性的基础。关于Nrf2防御状态建立的机制，从最近对氢分子的防病作用的研究中获得了一些线索。在氧化应激下向人类神经细胞提供氢分子，线粒体首先会变得更加活跃，产生更多活性氧，然后刺激Nrf2通路，这一过程至少需要3小时(Murakami et al. 2017)。氢气启动氧化应激也符合逻辑，刺激Nrf2通路一般都属于伤害性刺激，而氢气生物学安全性往往被过分夸大，导致无法意识到这一关键问题。作为一种简单分子，细胞完全可能会把氢气作为一种伤害应激分子利用。我们前面曾经阐述过类似观点，氢气可能不仅具有选择性抗氧化作用，也可能在选择性抗氧化的同时有效保留了活性氧信号，而后者往往代表一种温和伤害因子发挥诱导抗氧化作用，这种诱导效应恰好是Nrf2最重要的功能。

氢分子对帕金森病和脓毒症小鼠预防作用被认为是通过类似机制起作用。也有人认为，氢分子发送钙离子信号来激活细胞内的线粒体(Iuchi et al. 2016)。人们在分子水平上对氢对氧化应激的影响进行了深入研究，发现了许多反应途径作用的生物分子。LeBaron等(2019)对迄今为止在这一层面上获得的知识进行了综述。

图7 氢水对口腔溃疡损伤后某些影响。

□ 对照组, ■ 氢水组。(a) (b) 显示Nrf2和HO-1相对增加；(c) 显示血清抗氧化能力提高；(d) (e) 显示组织和血液炎症因子 IL-6下降；(f)显示修复因子FGF7的改变(Tamaki et al. 2016)。

图8 氢气提高Nrf2目标基因表达。

(a) NQO1, (b) GSTA2 60小时后 (c) HO-1 30 和 60小时后。4种不同暴露，98%高氧，高氧+2%氢气，空气，空气+2%氢气 (Kawamuraet al. 2013)。

图 9 氢气吸入对Nrf2基因的影响。

比较野生小鼠和Nrf2基因缺陷小鼠的差异。60小时处理后(a) NQO1, (b) GSTA2 (c) HO-1的变化。HPRT：次黄嘌呤磷酸核糖基转移酶。(Kawamura et al. 2013)。

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温馨提示：根据《食品药品监督管理条例》，氢气不能替代药物治疗。