氢气能不能治疗骨质疏松？细胞学机制在这里（55）
常言说，他山之石可以攻玉。最近一篇关于金属镁释放氢气效应的研究，可以说给氢气的效应提供了很好的证据。这一研究发现，氢气对破骨效应可产生抑制效应。这一效应的医学意义在于，可以解释过去发现氢气对抗微重力情况下骨质丢失预防效应。对氢气健康效应来说，可以根据这一研究，考虑到氢气对预防老年人骨质疏松防治效应。对长期卧床患者，氢气减少骨质丢失是具有重要意义的。因为破骨细胞是骨组织特异性巨噬细胞，氢气对这种细胞的抑制作用，也给氢气对其他组织巨噬细胞激活抑制作用提供重要参考。关于氢气抑制巨噬细胞激活，前几天我也专门整理过。
金属镁和镁合金是一种新型生物可降降材料，用于骨组织修复。与其他已经使用的如钛合金和不锈钢等金属生物材料相比，金属镁材料在骨诱导和骨传导能力等方面有更突出优点。但是在实际应用时，仍然存在一些问题需要克服。其中一个比较重要的问题就是金属镁在生物组织内被腐蚀降解过程会释放出氢气。氢气对骨骼组织愈合和重构的具体作用仍然需要回答。
氢气曾经被认为是生理惰性气体，但是最近研究证明氢气具有广泛生理功能，并对166多种人类疾病和疾病模型具有治疗作用。许多学者研究发现，氢气具有抗氧化活性，能减少各种活性氧增加导致的组织氧化损伤。在肌肉骨骼方面，也有研究结果发现氢气能缓解微重力骨质丢失，氢水也能抑制牙周炎导致的牙槽骨吸收。
破骨细胞是骨吸收的主要功能细胞，在骨发育、生长、修复、重建中具有重要的作用。破骨细胞起源于血系单核－巨噬细胞系统，是一种特殊的终末分化细胞，它可由其单核前体细胞通过多种方式融合形成巨大的多核细胞。早期未成熟的增殖性单核吞噬细胞被称为破骨细胞前体，在化学因子的作用下进入血液循环，再在基底多细胞单位所释放的信号因子的作用下进入骨结构腔体，在各种化学因子、转录因子、细胞因子等信号因子的刺激下融合为多核细胞并最终活化为破骨细胞。
组织蛋白酶K（Ctsk）、降钙素受体（Calcr）和基质金属蛋白酶(Mmp9)属于破骨细胞标识分子。破骨细胞的功能是降解和消化骨组织的专门细胞。异常破骨细胞产生是良性或恶性骨疾病发生的病理基础。破骨细胞来源于骨髓单核细胞，造血干细胞经过NF-κB、MAPK和Akt等途径可诱导产生骨髓单核细胞。
镁合金植入骨骼后，释放出的氢气和骨骼单核细胞之间的关系应是骨整合和稳定性至关重要的因素，但过去对这种作用了解很少，这就是本研究需要解决的问题。
不过，单核巨噬细胞并不只形成破骨细胞这一种，几乎每种组织都存在组织特异性巨噬细胞，这种细胞在控制炎症反应中发挥重要作用。例如研究发现，新冠状病毒肺炎就和肺泡组织中巨噬细胞存在非常密切的关系。且病毒可以定居于巨噬细胞，可能是导致炎症反应不能正常中断的重要因素之一。所以本研究虽然是立足于镁材料相关问题，但对理解氢气和巨噬细胞激活之间的关系也有重要意义。
研究结果发现，氢气在50%和75%能明显抑制破骨细胞形成，功能和破骨细胞诱导骨髓单核细胞破骨相关基因表达。氢气（50%）能降低骨髓单核细胞分裂、促进细胞凋亡和抑制破骨相关基因表达。总之，氢气可显著抑制小鼠骨髓单核细胞形成破骨细胞的多个过程。
氢气诱导5天，各种浓度（2、25、50和75%）对骨髓单核细胞破骨相关基因表达都没有影响。但是但氢气处理达到7天和10天后，虽然2%的氢气没有作用，但25%、50%和75%的氢气可产生明显作用。特别是50和75%的效果最明显。这一结果说明，不同氢气浓度可产生不同作用，这属于剂量依赖关系，是说明氢气效应可靠性的重要证据。这些破骨相关基因主要是Ctsk, Calcr和Mmp9。根据这一发现，研究选择50%氢气作为更长时间和更多效应的观察，如对7天50%氢气处理后骨髓单核细胞的增殖和凋亡的影响。
本研究结果和过去研究存在一定差异，例如2007年日本学者发现2%的氢气短时间就可产生显著保护效应。可能的原因是细胞类型不同，这一研究只是细胞学研究。过去动物吸入氢气的研究一般没有研究氢气在组织中的水平。在50%氢气对细胞增值的效应中，少于3天没有发现抑制作用。这可能是细胞增值需比较长时间才能完成（好吧）。研究发现氢气阻断细胞周期的G1~S期。一些研究发现，骨髓单核细胞形成和分化为破骨细胞和活性氧有关。氢气发挥抗氧化作用会导致细胞内活性氧水平不足。这可能是抑制骨骼单核细胞分化为破骨细胞的生物化学基础。这是首次关于氢气对破骨诱导骨髓单核细胞效应的研究。结果表明氢气能显著抑制破骨形成，功能和基因表达都符合其效应。氢气能抑制细胞增值，促进细胞凋亡，抑制相关基因表达。这可能为镁合金生物材料用于对抗骨破坏相关疾病提供了一种可能。
实话说，对于氢气医学研究来说，我们乐于见到发现氢气的生物学效应。这一研究也完全符合我们的希望。但对于镁合金生物材料来说，这种效应并不是最好的现象。存在任何生物学效应都存在两面性的问题，例如这里对破骨效应的抑制作用，这并不是病理效应，完全可以认为是生理功能。一种外来物质，会对生理功能产生干扰。不能简单判断好坏。氢气在金属镁材料中，比较棘手的是产生局部气泡带来的压力效应，这是对使用这种材料比较不利的问题。当然，氢气的生物安全性非常高，真不需要担心其不良效应。
主要参考文献
北京大学深圳医院
Yong Liu; De-Li Wang; Yong-Can Huang; Tian-Bing Wang; HuiZeng .Hydrogen inhibits the osteoclastogenesis of mouse bone marrow mononuclearcells. Materials Science and Engineering: C .Pub Date : 2020-01-08