氢气对肝脏缺血再灌注损伤的保护作用及研究进展

肝脏缺血再灌注损伤是肝脏手术过程中常见的、多因素参与的病理生理变化，可产生氧自由基，损伤肝细胞超微结构，影响肝脏的功能，是导致肝脏外科患者术后肝功能衰竭甚至死亡的主要原因。因此，如何减轻或防治肝脏缺血再灌注损伤是目前肝脏外科研究的热点，然而到目前为止尚没有可以治疗肝脏缺血再灌注损伤的有效方法。氢气作为一种生理惰性气体，是宇宙的重要组成部分，也是维持行星运行的燃料…。氢气具有还原性，能直接与氧化成分反应，同时也很易燃，曾用作航天飞机的推进剂。氢气是质量最轻的气体，分子小且呈电中性，很容易扩散，能轻易地穿过细胞膜及细胞器膜。由于氢气麻醉性小，在减压环境下不易产生气泡，已被广泛用于预防潜水员减压病的发生。最近，Ohsawa等旧。研究发现氢气的抗氧化特性在临床治疗特别在缺血再灌注损伤方面有广阔的应用前景，为氢气的临床应用提供了新的思路。1缺血再灌注与氧化应激当组织受到缺血再灌注时，活性氧簇(reactive oxygenspecies ROS)在再灌注的早期大量产生，引起强烈的细胞氧化，从而对肝、脑、心、肾等产生严重的损伤口j。延长热缺血时间则会加重再灌注引起的氧化应激，导致更严重的再灌注损伤M J。而且ROS已被认为是导致生活方式相关疾病，特别是癌症和衰老的主要原因。因此，抑制缺血再灌注时的氧化应激，安全、有效的清除ROS或氧自由基已成为国内外学者研究的热点之一。氧化应激是过多的ROS或自由基引起的强烈的细胞氧化。过多的ROS会导致DNA碎裂，脂质过氧化反应和蛋白失活，从而引起细胞凋亡或坏死"1。在ROS中，尽管0：一和H20：有细胞毒作用，在低浓度下却有重要的的生理功能：它们是大量信号转导的信号调节分子，可调节重要的生物进程，如细胞凋亡，增殖和分化。高浓度下，H：0：通过髓过氧化酶转化为次氯酸；次氯酸可防止细菌入侵。NO，另一种ROS，可作为神经递质和调控血管扩张。OH是一种强效的ROS，有研究表明羟基来源于生物系统中H．w反应或Fenton反应产生的过氧化物和过氧化氢，能与核酸、脂质、蛋自反应导致严重的细胞氧化∽’“。由于超氧阴离子和过氧化氢可通过抗氧化酶、超氧化物歧化酶和过氧化酶或谷胱甘肽过氧【作者单位】上海市东方肝胆外科医院特需科，上海200438化物酶来清除，而目前人体内尚未发现清除OH的生物酶。因此，安全、有效的清除OH是一个关键抗氧化过程。2氢气与缺血再灌注损伤目前通过呼吸内源性气体信号分子来治疗疾病已逐步引起人们的重视，这些气体在应激条件下生成增加反映了其对机体存在保护性作用。已有学者研究证明呼吸NO、CO、H：S对于多种器官的缺血再灌注损伤都有很好的保护作用¨“…。然而，这些气体都存在内在的毒性作用，若要将其应用于临床治疗中，就需要通过进一步研究，找出既有有效的治疗效果又能避免其毒性作用的治疗浓度，但目前尚未有相关研究结果报道。因此，没有毒性作用的氢气就显示出特有的临床应用价值。Ohsawa等雎。研究表明氢气可以作为一种治疗性的抗氧化剂来中和缺血再灌注后的氧化应激。为了诱导RoS的产生，作者给细胞施加线粒体呼吸复合物I抑制剂或使之处于缺乏氧气和葡萄糖的环境中。在氧化损伤后，细胞经受线粒体去极化，ATP缺乏，DNA氧化，脂质过氧化反应和细胞的坏死、凋亡。若将氢气溶解于培养基中，则能防止上述损伤的发生，增强细胞活力，并与之存在剂量依赖性。在这些研究中，Ohsawa等口。发现能有效的促进细胞生存的的氢气浓度为25¨moL／L。由于氢气可以保护线粒体及核中DNA免受氧化损伤，这表明氢气弥散力强，能渗透到细胞核与线粒体(产生活性氧簇的主要场所)中。试验中荧光探针和电子顺磁共振波谱显示氢气可以选择性清除羟基，而不会影响氧化还原反应或细胞信号转导中的ROS。Ohsawa等雎。认为选择性羟基清除是缺血再灌注后氢气保护细胞免受氧化损伤的机制。为了检测氧化应激中氢气的治疗效能，Ohsawa等口1研究大鼠模型(大脑中动脉结扎再灌注)时发现：如果在损伤再灌注阶段前吸人2％的氢气可以显著减少梗死体积，而且可以明显降低脑组织脂质过氧化反应和DNA氧化。氢气治疗不仅可以抑制损伤初期的大脑损伤，而且可以抑制损伤进展，增强长期的神经功能，如体温调节和体重维持。氢气的治疗性保护作用对于肝脏的缺血再灌注损伤同样适用，可以显著减轻肝功能损伤，有望为临床上延长肝门阻断时间、促进术后患者肝功能的恢复提供理论基础，为肝脏缺血再灌注损伤的防治提供简便、实用的辅助治疗手段。万方数据肝胆外科杂志2009年10月第17卷第5期Journal ofHepatobiliary Surgery，Vol，17，No．5，Oct．2009 391Fukuda等H1通过测定缺血再灌注肝脏中ALT、MDA等指标及组织病理学分析表明呼吸氢气能显著抑制缺血再灌注损伤导致的肝细胞变性，减轻脂质过氧化损伤，从而有效的保护肝细胞功能。Hayashida等¨u研究表明氢气在心肌缺血再灌注中同样具有显著的保护作用，且对于氧饱和度，血液动力学参数无显著影响。他们首先在离体灌注心脏实验中证实了呼吸氢气有利于心脏左室功能的恢复，通过动物实验进一步发现氢气可以减少缺血再灌注后心肌梗死的体积，防止缺血再灌注损伤后病理性的心肌左室重塑，且2％的氢气能提供最显著的保护作用。氢分子对于缺血再灌注器官不仅具有抗氧化作用，还能显著抑制组织的炎性反应，从而促进器官功能的恢复。Zheng等¨21研究表明大鼠小肠缺血再灌注前10 min静脉注射氢生理盐水，能显著降低血清DAO、TNF一0【、IL—B、IL-6及组织MDA、MPO水平，减轻小肠形态学损伤，通过抑制小肠移植后氧化应激和炎性反应来保护小肠缺血再灌注损伤。该小组进一步研究表明静脉注射氢生理盐水还可以抑制大鼠肠缺血再灌注后肺组织中性粒细胞浸润，脂质过氧化，NF．KB活性及TNF-d、IL-B水平，从而减轻肠缺血再灌注后的肺损伤¨…。Buchholz等¨4’认为在小肠移植过程中呼吸氢气也能有效减轻移植过程中小肠缺血再灌注损伤。小肠移植后的大鼠胃肠动力及空肠平滑肌收缩受抑制，肠壁及受体肺组织炎性因子显著升高伴中性粒细胞浸润，肠粘膜糜烂、肠壁渗透性增加。而术中呼吸氢气后则能显著改善上述病理改变，促进小肠移植后肠道功能的恢复。在肝脏缺血再灌注过程中氢分子治疗是否存在上述作用，仍需进一步研究。缺血再灌注损伤包括急性坏死和延迟细胞凋亡两个步骤¨“。凋亡是程序性细胞死亡，其特征性超微结构改变包括细胞皱缩，核浓缩，DNA碎裂。在分子水平，凋亡可被天冬氨酸一半胱氨酸蛋白酶的级联反应所激活，包括caspase-12和caspase-3等¨“。Cai等Ⅲ1研究发现氢气能通过减少HI引发的caspase依赖性凋亡来提供神经保护。通过Trc染色，Nissl染色，TUNEL染色及Caspase一12和一3的活力检测，Cai等认为HI损伤后立即予以2％氢气治疗，能显著降低大脑梗死率，增加残存神经元数目，降低Caspase一12和．3的活力，减少细胞凋亡，研究还发现氢气的神经保护作用有时间依赖性，120 min组的神经保护作用显著强于其他两组。这就为进一步探究氢气的细胞保护机制及临床应用提供了新的研究方向与理论基础。3展望目前的研究均已证明氢气通过清除羟基、抑制氧化应激反应来保护细胞。然而，在细胞保护的基因表达中未发现氢气介导的基因改变，氢气的抗氧化活性中是否激活潜在性的信号通路或调控蛋白尚未得到证实。因此氢气保护细胞组织免受氧化应激的机制仍需进一步阐明。众所周知，人和动物消化道内许多正常细菌能产生氢气，一些研究表明肠道菌群产生的大部分氢气被消化道吸收入血‘181。有研究表明胃和肝中有丰富的氢气：Olson和Mai．el"Ⅲ3测定了鼠胃粘液层平均氢气量为43斗mol／L，浓度范围17～93¨mol／L。Maier等‘203也发现鼠肝中平均氢气浓度为53 Ixmol／L,鼠小肠中氢气浓度范围118—239斗mol／L。这些研究表明肝、胃、脾、小肠中的氢气浓度以达到了缺血再灌注损伤后抗氧化应激的浓度，所以我们认为氢气是一种内源性抗氧化剂。然而内源性氢气是否具有同样的抗氧化治疗作用则需要我们进一步研究证实。总之，氢气作为一种治疗性抗氧化剂，通过选择性清除羟基，能对多器官的缺血再灌注损伤起有效的保护作用，而且氢气易于制备，使用时方便、安全，在临床治疗中有广阔的应用前景，可为肝脏缺血再灌注损伤的防治开辟一条崭新的道路