氢气饮料对脑外伤的神经保护作用【全文】
氢气医学的重要动力来自企业，2007年日本学者的研究项目就是一家氢水企业，因此不应该因为企业相关研究，而对研究本身存在歧视的问题。当然利益冲突必需考虑，对研究的客观性应该是学者自身的基本要求。
本研究来自一家饮料公司的赞助，存在推广和宣传产品的情况。但研究内容，特别是对相关背景的介绍，仍然值得氢气医学领域的学者借鉴，也应该值得中国氢气医学产业公司学习。氢气的效应证据相对比较薄弱，但氢水和饮料完全可以参考这种研究，和学术界合作，拿出相关的证据。这不仅对于产品推广，也对于氢气医学学术研究有推动价值。本文近8000字，阅读要有耐心。
创伤性脑损伤是导致死亡和残疾的主要原因。据估计，与运动相关的创伤性脑损伤每年超过数百万。创伤性脑损伤的病理生理学包括高水平的炎症、氧化应激、离子稳态失调、线粒体功能障碍和凋亡。大脑血流量也会减少，导致缺氧和代谢废物的清除减少，这进一步加剧了损伤。目前创伤性脑损伤没有公认的有效的治疗或干预手段，可能部分是由于药物通过血脑屏障输送困难。最近，氢气被用作治疗脑梗塞和脑外伤等神经退行性疾病的神经保护药物。分子小和非极性性质使氢气很容易通过血脑屏障、细胞膜和亚细胞室扩散。氢已被证明通过调节各种转录因子和蛋白磷酸化级联反应发挥选择性的抗炎、抗氧化和抗凋亡作用。一氧化氮是另一种公认的医疗气体，在保护和恢复创伤性脑损伤，以及促进其病理生理学和损伤方面发挥不同的作用。诱导型一氧化氮合酶的过度激活会导致过度的炎症和氧化/亚硝化损伤，以及在需要的部位出现反常的一氧化氮消耗。氢可以调节一氧化氮的产生和代谢，增强一氧化氮的益处，同时减少一氧化氮的危害。一种新型注入氢气的，可产生一氧化氮的饮料，Hydro Shot，可能对创伤性脑损伤有重要的神经保护益处。我们报告初步迹象表明氢化注射可能是一种有意义的辅助治疗创伤性脑损伤。
1. 介绍
创伤性脑损伤是数百万人的严重健康问题，也是其他神经退行性疾病的一个促成风险因素。然而，为了解决这些脑损伤，还需要克服许多障碍，包括诊断、治疗和监测。本文就创伤性脑损伤的诊断、监测、治疗及分子病理生理学研究现状及存在的问题作一综述。我们介绍了一种新的方法治疗创伤性脑损伤使用医用气体，一氧化氮和氢气。本文简要回顾了这两种气体的科学文献，并根据一些初步数据，通过一种新型功能性饮料对这两种气体分子进行管理，以改善认知功能。
2. 创伤性脑损伤，脑震荡和慢性创伤性脑病(CTE)
外伤性脑损伤(创伤性脑损伤)是指大脑受到明显的加速或减速、冲击或冲击波的外部损伤。创伤性脑损伤是全球死亡和残疾的主要原因。与运动相关的创伤性脑损伤占所有创伤性脑损伤病因的三分之一。轻度创伤性脑损伤被称为脑震荡，是最常见的创伤性脑损伤类型。据疾病控制中心估计，美国每年约有30万例与运动相关的脑震荡。然而，这个数字只包括失去意识的运动员，这种情况只发生在10%的脑震荡[4]。实际数字可能超过每年几百万。绝大多数遭受创伤性脑损伤的人不会立即死于原发损伤，即脑组织和血管的直接损伤。相反，大多数后果发生在继发性损伤，主要是由于过度炎症和活性氧的产生。
继发性损伤可能导致脑震荡后综合征，这种症状在创伤性脑损伤后持续数月至一年以上。频繁的创伤性脑损伤增加了神经生殖疾病，慢性创伤性脑病[6]的风险。一般情况下，重复脑震荡后8到10年，CTE才会出现。这些阶段的症状包括困惑、头痛、记忆丧失、冲动行为、抑郁、自杀等。
3.创伤性脑损伤的诊断和检测
创伤性脑损伤的诊断可能包括神经影像学，如计算机断层扫描(CT)扫描、功能磁共振成像(fMRI)、单光子发射计算机断层扫描(SPECT)和正电子发射断层扫描(PET)扫描。然而，大多数脑震荡通常与目前的成像技术[7]检测到的可见病变无关。不幸的是，没有尿液、唾液或血液测试可以证实是否存在创伤性脑损伤或从创伤性脑损伤[8]中恢复。因此，认知功能评估对于了解创伤性脑损伤[7]的预后和恢复情况至关重要。使用最广泛的心理测量测试是“即时脑震荡后评估和认知测试”，缩写为“ImPACT”[9]。另一种有用的方法是一种被称为皮质测量法的神经诊断方法。这也是FDA批准的设备，已经被证明是监测创伤性脑损伤的有效工具。它测量了大脑健康的8个基本组成部分，包括速度、注意力、疲劳、准确性、排序、时间、感知、可塑性和连通性。
在一项研究中，超过200名学生运动员在脑震荡后使用脑测量仪进行了跟踪，并将结果与其他方法(包括冲击测试和平衡测试)进行了比较，结果发现脑测量仪在测量中高度敏感和准确。这主要是由于反应时间的测量精度和准确度较高，反应时间是脑震荡和恢复[11]的客观指标。精度(0.33毫秒)约为视觉反应时间法的1000倍。脑测量仪已经经过了50多年的临床研究验证，目前被世界各地50多所大学使用。美国海军研究和应用研究协会办公室也用它来帮助改善对暴露在爆炸中的军事人员的诊断和治疗。因此，除了传统的冲击测试fMRI, CT和PET扫描，脑测量仪可能代表一个重要的工具诊断脑震荡和监测改善的认知功能随时间的推移。
4. 创伤性脑损伤的分子病理生理学
尽管大脑的质量只占身体的2%，但它却占正常静息代谢率的20%。换句话说，为了维持正常的认知功能，大脑消耗了大约20%的氧气。为了接受这么多的氧气，大脑从心输出[13]中接受的血液比例很高(≈15%-20%)。然而，青春期之后，大脑血流量随着正常年龄的增长而下降，大约每年0.5%[14]。血流减少的逻辑后果是认知功能的损害和痴呆的增加，同样随着[15]的老化而增加。此外，与同龄健康受试者相比，患有代谢综合征的中年受试者认知功能下降，血流量降低15%。
正如预期的那样，创伤性脑损伤也会导致脑血流[17]的失调和损害。正常情况下，在全身血压变化时，大脑自动调节维持足够的脑灌注。然而，创伤性脑损伤损害了大脑对血流的自动调节，这与认知功能[17]较差有关。脑血流减少可预测创伤性脑损伤[18]的严重程度、认知功能障碍和恢复情况。脑血流量的减少意味着氧气和葡萄糖的减少，从而导致病理性能量危机[19]。缺氧损害线粒体活性，从而减少氧化磷酸化的三磷酸腺苷(ATP)。在低氧条件下，无氧糖酵解通常会增加，以确保ATP充足；然而，尽管糖酵解增加，低血供限制了葡萄糖的可用性，导致ATP进一步减少和随后的神经元功能障碍[20]。
ATP产量的降低降低了Na+/K+ ATP酶泵的活性，导致细胞膜去极化和钾离子、钙离子和钠离子的失调。结果，高水平的兴奋性神经递质谷氨酸被释放，导致过度的神经刺激，导致更多的离子失衡。这被称为谷氨酸兴奋毒性，因为这个过程对细胞是有毒的，并导致细胞死亡。钙水平的增加直接刺激凋亡途径，导致更多的细胞死亡。钙还能激活各种炎症转录因子，如原癌基因C - fos，(活化t细胞核因子)NFAT，(活化B细胞核因子kappa-轻链增强子(NF-κB)， toll样受体4 (TLR4)，高迁移率box 1 (HMGB1)，蛋白激酶C (PKC)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)。炎症加重进一步引发神经元凋亡。此外，离子失衡、高炎症、蛋白激酶C和iNOS的激活导致活性氧的过度产生，导致脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白质和细胞膜的直接损伤，从而进一步增加炎症、线粒体功能障碍和细胞死亡。随着血流进一步减少，病理情况恶化。这不仅会损害氧气和底物的可用性，还会损害清除细胞代谢废物(包括多余的神经递质和炎症介质)的能力。图1提供了原发性和继发性创伤性脑损伤的病理和相关后遗症以及各种建议的干预措施的概述。
图1.创伤性脑损伤的病理生理学及相关后果和干预措施。
5. 脑外伤治疗
创伤性脑损伤立即治疗是必要的，以帮助减少继发性损伤。然而，目前还没有有效治疗方法或药物。大多数建议只是简单地包括身体休息，当认知功能恢复[8]时，从轻度工作慢慢过渡到正常活动。然而，这并没有解决导致继发性脑损伤的病理级联反应，如氧化应激、炎症、血流量减少、代谢失调、谷氨酸兴奋毒性和神经元凋亡。传统的抗氧化剂和消炎药在预防或治疗人类疾病方面往往无效，但对创伤性脑损伤仍有一定的益处。
利用不同的生物活性分子在不同的动物模型上进行了许多临床前研究。例如，在受控皮质冲击诱发的创伤性脑损伤小鼠模型中，用蘑菇中的云芝和猴头菌治疗可恢复行为改变，并降低神经炎症和氧化应激[24]。在类似的创伤性脑损伤小鼠模型中，给予来自中国植物黄花蒿的青蒿琥酯能够良好地调节神经营养因子，抑制NF-κB和核苷结合寡聚结构域，富含亮氨酸的家族，含pyrin结构域的3 (NLRP3)炎症小体复合物[25]。然而，尽管有各种各样的创伤性脑损伤[26]动物模型，这些研究与成功转化为创伤性脑损伤[27]治疗人类之间仍然存在根本性的脱节。用药物或营养药物治疗创伤性脑损伤的挑战之一是，由于其大小、电荷和极性[28]，它们不容易穿透血脑屏障。
6. 氢气
氢气最近很火，不仅作为一种能源和药用治疗运动性能[29]和临床医学[30]。氢是宇宙中最小的分子，没有电荷或极性，这使它的扩散速度最快，很容易穿透细胞膜，包括细胞内的隔室，如线粒体和细胞核，并很容易扩散通过血脑屏障[30]。氢气首次被证明具有神经保护作用是在2007年，当时发表在《自然医学》上的一篇文章证明，氢气可以显著抑制由大脑中动脉闭塞[31]诱导的脑梗死模型大鼠的脑损伤。文章进一步证明氢气是一种选择性的抗氧化剂，它只减少高毒性氧化剂，而不中和有益的信号分子[31]。从那时起，大约有2000份出版物和100多项人类临床研究证实了氢气的治疗效果。然而，确切的主要效应目标仍然不清楚，主要机制很大程度上归因于氢独特的选择性抗氧化、抗炎和细胞信号调节活性。
氢气治疗脑外伤和脑震荡的研究论文已经有比较多。氢的化学性质和生物效应使其成为治疗创伤性脑损伤的极具吸引力的分子。氢气的许多治疗作用可能有利于保护创伤性脑损伤，包括保护谷氨酸诱导的兴奋性毒性[32]，调节异常钙信号[33]，抑制线粒体通透性过渡孔[34]，抑制常在创伤性脑损伤中表达的促炎细胞因子和蛋白(如cFOS、NFAT、NF-κB、TLR4、HBMG1、NLRP3、蛋白激酶C等)[30]，以及其他可能的益处，如最近综述的[35]。一些研究专门调查了氢气给药对创伤性脑损伤的影响，并报道了良好的结果。例如，华盛顿大学的一项研究发现，饮用氢水可以预防由脑外伤[36]引起的神经退行性变化。他们使用了一个控制皮质撞击的实验模型，这导致了显著的神经病理畸变。然而，摄入富氢水可使创伤性脑损伤诱导的水肿得到大约50%的逆转，完全阻断了tau蛋白的病理表达，降低了炎性细胞因子，逆转了水通道蛋白4、HIF-1、MMP-2和MMP-9的病理相关变化。此外，研究发现，氢处理可以增加或保持线粒体ATP水平，而不依赖于电子传递链[36]。同样，另一组使用自由落体撞击大鼠模型(n = 50)发现，与无氢的创伤性脑损伤组相比，氢气显著改善神经系统严重程度评分。机制发现炎症标志物肿瘤坏死因子α (TNF-α)、白细胞介素1β (IL-1β)、活性氧(ROS)水平和凋亡标志物的表达均显著降低[37]。相应地，另一份报告发现氢气显著增加了7天的生存时间，减少了神经缺陷[38]。这是由氢气增强的细胞保护蛋白Nrf2转位到核中导致氧化应激[38]降低介导的。表1列举了多篇文献提供了氢气对创伤性脑损伤和脑震荡的症状、细胞和分子益处的总结。
除了直接使用氢气治疗创伤性脑损伤的研究外，也有关于使用氢气治疗其他常见病理的脑损伤的支持性临床研究。例如，人类临床研究已经证明，氢可以改善轻度认知障碍[51]，脑梗死[52]，并改善健康受试者的情绪和焦虑[53]。如前所述，代谢综合征患者的脑血流量[16]较低，多项临床研究表明，饮用氢水可改善代谢综合征[54,55,56]。在另一项人类研究中，新生儿(n = 40)大脑血流量减少，在出生后2天每天给予氢水，持续10天[57]。研究表明，氢水是安全的，可降低炎症标志物TNFα和IL-6，并显著降低神经元特异性烯醇化酶(神经细胞损伤[57]的敏感标志物)。
7. 一氧化氮在创伤性脑损伤和脑震荡中的作用
另一种对创伤性脑损伤具有治疗效果的医用气体是一氧化氮(NO∙)[58]。一氧化氮主要通过一氧化氮合酶(NOS)产生，NOS有诱导型NOS (iNOS)、神经元型NOS (nNOS)和内皮型NOS (eNOS)[59]三种亚型。一氧化氮水平随年龄增长而逐渐降低;一个70岁的人的一氧化氮水平可能比一个健康的20岁的人低75%。这可能有助于解释为什么脑血流也会随着年龄的增长而减少[14,15]。一氧化氮可以改善创伤性脑损伤的一个主要原因是它能够增加脑血流量，而脑血流量在创伤性脑损伤[17]后显著减少。因此，一氧化氮也有许多有益的作用，如果它的生产和代谢被调节，并在所需的位置，它可以增加所需的血流量[58]。一项研究发现，小鼠创伤性脑损伤后经吸入一氧化氮，损伤体积明显减少，脑水肿，血脑屏障破坏较少，神经功能得到改善[61]。同样，另一组研究报告称，给幼猪注射一氧化氮可显著防止创伤性脑损伤诱导的神经元细胞坏死，并维持脑血流的自动调节[62]。
一氧化氮的病理作用
然而，一氧化氮也有不好的一面，因为它的失调介导了许多创伤性脑损伤的病理后果。eNOS活性降低导致血流减少，随后氧和葡萄糖可用性降低，代谢废物和细胞碎片的清除减少。炎症增加导致iNOS激活增加，在巨噬细胞和胶质细胞中表达[63]。与eNOS不同，iNOS的表达增加往往是有害的，并有助于继发性创伤性脑损伤损伤的病理生理学[63]。高水平的NO∙增加了与超氧化物的反应，形成过氧亚硝酸盐(ONOO -)。这种高度氧化的分子破坏线粒体、血管内皮和平滑肌细胞[64]。此外，高iNOS活性导致eNOS活性的局部底物耗尽，从而产生了NO∙耗尽[58]。
在严重创伤性脑损伤患者中，精氨酸和瓜氨酸水平与对照组相比显著降低[65]。因此，提高或保持精氨酸的可用性对改善创伤性脑损伤的预后至关重要。这可以通过补充精氨酸来减弱[66]。与添加精氨酸相比，添加瓜氨酸能更有效地提高血浆精氨酸和NO∙水平[67]。瓜氨酸水平低也可能导致NOS解耦，进而导致进一步的氧化和细胞损伤[68]。
8. 氢气和一氧化氮的结合
这两种医用气体的新组合具有重要的临床意义[69]。例如，氢气可以减弱上述一氧化氮的黑暗面，调节一氧化氮的产生和代谢。这包括(i)增强了保护性eNOS的表达，(ii)减少了损害NO∙信号的炎症介质，(iii)降低了病感性iNOS活性，(iv)减少了ONOO -的形成，以及(v)对ONOO -的保护，这可以从两种气体同时注入时硝基酪氨酸水平的消除得到证明[70]。此外，氢气可以通过调节NO∙的产生和延长其循环半衰期来提高其效益，同时也提高了其治疗效果[71]。
9. 一种新型氢气/NO∙功能饮料的制备方法及结果
为了利用神经认知评估氢气/NO∙组合对认知功能的潜力，我们使用了一种名为Hydro Shot的饮料。这是一种零卡路里的功能性饮料，含有氢气和刺激一氧化氮的瓜氨酸。通过气相色谱分析表明所有成分都具有很高的安全性，并被USFDA指定为GRAS(一般公认为安全)。此前有报道[71]，这种注入氢气、产生一氧化氮的新型功能性饮料显著增加了一氧化氮的产生和血流量[72]，并相应提高了运动能力和认知功能[71]。在这里，我们简要报道了Hydro Shot使用不同的神经认知测试方法对各种认知指标的影响，如下所述，这些指标用于表明创伤性脑损伤和脑震荡的存在。摘要对6名65岁男性受试者的认知功能进行了测试。由于结果相似，我们呈现了一个74岁男性的计算机生成的图形。由于本研究的样本量和方法学，在解释这些初步结果时应谨慎。
9.1 氢气/NO∙饮料提高临床ImPACT评分
为了评估功能性饮料对与脑外伤相关的认知功能的影响，研究使用了FDA批准的医疗设备ImPACT。如前所述，这种广泛使用的计算机软件为脑震荡护理提供了一系列的神经认知测试。生成临床ImPACT报告，并确定每个类别的平均值。综合得分由5个部分组成(记忆语言、记忆视觉、视觉-动作速度、反应时间和冲动控制)。对这些值进行合计以找到平均值，以便每个类别作为一个整体可以直接相互比较。图2显示了使用和不使用Hydro Shot完成评估的结果。如图所示，这种新型功能饮料提高了ImPACT临床评分，表明其改善功能认知的能力。
图2.功能性饮料对临床ImPACT评分的影响。与基线相比，饮料摄入改善了ImPACT评分。
9.2 Hydro shot通过脑测量提高认知得分
此前有报道称，根据Brain Gauge的评估，Hydro Shot显著改善了认知功能[71]。如前所述，Brain Gauge认知评估工具已被许多研究验证，是创伤性脑损伤的重要指标。图3用雷达图展示了新型功能性饮料对认知功能的影响。
图3.认知功能雷达图。(一)没有饮料。(B)和饮料。在饮用这种新型饮料后，认知能力得分明显高于基线水平。
如雷达图所示，氢气/NO∙饮料显著改善了多种认知指标。多种指标分数更高，也更对称和平衡。这些结果表明，通过神经测量测试，这种新型饮料可以改善认知功能。
10. 讨论
创伤性脑损伤是全球死亡和残疾的主要原因。各种诊断和评估工具可用，包括神经成像技术(如功能性磁共振成像、CT和PET扫描等)和计算机软件神经心理测量测试。然而，神经成像方法是昂贵的，耗时的，并不能总是检测现有的创伤性脑损伤的存在。神经心理测量评估，如ImPACT和Brain Gauge，似乎更准确地诊断和监测创伤性脑损伤。脑测量仪在评估认知功能方面具有较高的灵敏度、准确性和精密度。我们报告Hydro Shot使用ImPACT测试和Brain Gauge显著提高了临床评分。Hydro Shot的显著改善可能是由于它能够增加一氧化氮的产生和随后的脑血流量，以及氢气的神经保护作用。
脑血流水平可预测脑外伤后的恢复情况、损伤严重程度和认知功能。脑血流量的减少主要是由于一氧化氮的减少。一氧化氮在创伤性脑损伤的预后、恢复和发病机制中起着关键作用。氢气对创伤性脑损伤和脑震荡也有重要的好处，在改善神经结果和减少脑损伤。这些好处主要是由于氢的独特特性，包括(i)快速扩散和穿透所有细胞膜和亚细胞室(如细胞核、线粒体和血脑屏障)，(ii)选择性抗氧化活性，(iii)选择性抗炎活性，(iv)防止病理性凋亡，(v)对microRNA和基因表达有有利影响，(vi)改善线粒体功能，(vii)调节一氧化氮的产生和代谢，(viii)增强一氧化氮的治疗作用，(ix)抑制过量的iNOS活性，(x)对ONOO -诱导的亚硝化胁迫的保护。
创伤性脑损伤引起的细胞损伤是由于原发和继发的大脑损伤。预防是原发损伤的最佳策略，但一旦发生，治疗继发损伤是最重要的。然而，目前还没有批准或有效的治疗创伤性脑损伤的药物。继发性损伤的发生是由于氧化应激、炎症和主要由脑血流减少导致的代谢受损，这降低了葡萄糖和氧气的可用性。随着一氧化氮水平的下降，脑血流量也会随着年龄的增长而下降。体育锻炼和健康的饮食选择可增加全球和局部的脑血流量，改善认知功能。对氢气和一氧化氮影响的研究使其成为治疗创伤性脑损伤和脑震荡的诱人组合。
11. 结论
氢气已成为一种重要的医用气体，具有良好的物理化学性质，是治疗二次脑外伤的理想气体。这是由临床前研究和相关的人类临床研究支持的。一氧化氮对治疗创伤性脑损伤具有重要的生物学作用，但并非没有不良副作用。氢气与一氧化氮结合的新方法可通过发挥氢减轻一氧化氮毒性的个体化和潜在协同治疗作用，显著改善创伤性脑损伤的预后。
新型氢气/NO∙功能饮料Hydro Shot的初步结果表明，这种干预不仅可以改善体育锻炼，还可以对各种创伤性脑损伤起到神经保护作用。然而，精心设计的安慰剂对照临床研究有充分的理由进一步研究通过这种独特饮料配方使用这两种医用气体(氢气和NO∙)的新颖和简单方法的潜在用途。建议采用神经成像技术确定氢气/NO∙组合对脑血流、氧浓度和脑活动的影响。此外，鼓励体外研究来阐明这种新方法治疗效果的分子机制。
主要参考文献
Tyler W. LeBaron, Jason Kharman, Michael L. McCullough. An 氢气-infused, nitric oxide-producing functional beverage as a neuroprotective agent for 创伤性脑损伤 and concussions. Journal of Integrative Neuroscience, 2021, 20(3): 667-676.