高氧富氢液对缺血缺氧状态下的器官功能保护作用及研究进展

Research Progress on the Protective Effect of Hyperoxic Hydrogen-Rich Solution on Organ Function under Ischemia and Hypoxia

摘要: 目前，临床上对于缺血缺氧性损伤还缺乏理想的治疗手段。高氧富氢液(HHOS)能在病理条件下通过不同途径保护脑、肺、肝等重要器官的功能，提示其可能成为器官功能保护的一个新的手段。本文就HHOS的制备、器官保护作用及机理和存在的问题等进行了综述。

Abstract: At present, there is still a lack of ideal treatment for hypoxic-ischemic injury in clinical practice. Hyperoxic hydrogen-rich solution (HHOS) can protect the functions of brain, lung, liver and other important organs under pathological conditions through different ways, suggesting that it may be-come a new means of organ function protection. In this review, the preparation, organ protective effects, mechanism and existing problems of HHOS were summarized.

1. 引言

研究发现越来越多的疾病是由于不可控的炎症反应以及棘手的低氧血症。近来，气体医学研究发现氢分子和氧分子可以分别通过减轻炎症反应和改善供氧条件等多种机理来对各种疾病诱导的器官功能损伤具有保护作用。而高氧富氢液(HHOS)中含有氢、氧两种分子，且这两种分子都易透过细胞膜，理论上可以发挥两种分子的综合作用，有更好的疗效。病理条件下(如缺血缺氧、创伤等) HHOS发挥了较强的抗炎、抗氧化、抗凋亡以及辅助供氧作用。近年来，HHOS在器官功能保护方面的研究不断取得突破，可能是重要器官功能损伤的一种新的预防和治疗措施。

2. HHOS简介

HHOS是溶解氧含量为25.6 ± 2.3 mg/L和溶解氢含量为0.85 ± 0.16 mmol/L的稳定的液体。其制备时，运用特定设备在石英瓶中将O₂经紫外光照射变成O₃，使其更易溶于溶剂，但O₃易分解，在溶剂中随机变为O₂，之后再混合入足够浓度的H₂，得到HHOS。HHOS的制备已获得具有自主知识产权的(ZL 201310320675.X, ZL201310320382.1, ZL201720740284.7)“快速气体置换溶氧溶氢”核心技术。

3. HHOS的器官保护作用

HHOS的器官保护作用，可能是高氧液和富氢液的综合结果，故先分别阐释高氧液与富氢液的作用效果。

3.1. 高氧液的器官功能保护作用

高氧液的制备以500 ml平衡盐为基液，将医用纯氧O₂ (3 L/min)通入高氧液体治疗仪进行快速置换溶氧15 min，制备成溶解氧分压为(106.0 ± 7.8) kPa，并含有(13.4 ± 2.6) μg/ml O₃的高氧液 [1] 。由于高氧液投入医疗使用较早，其对于多种器官的保护作用已有相当可观的探索。

3.1.1. 脑保护作用

运用高氧液治疗急性CO中毒脑损伤的大鼠能明显提高CO中毒大鼠的PaO₂和动脉血氧饱和度，降低神经元特异性敏感指标的含量，对CO中毒脑损伤具有很好的保护作用 [1] 。其它有关脑缺氧性疾病如新生儿缺血性脑疾、小儿病毒性脑炎、脑出血、脑梗死、脑损伤、基底动脉供血不足等多种疾病，运用高氧液治疗也均取得良好的治疗效果 [2] [3] 。

3.1.2. 心脏保护作用

高氧液能够减轻心肌缺血再灌注损伤，高氧液预处理后，兔血清肌酸激酶、超敏肌钙蛋白、IL-6和TNF-α浓度显著下降，心肌梗死范围减小 [4] 。在体外循环(CPB)诱导的大鼠模型中，高氧液提高左室射血分数(LVEF)，降低左室内维收缩(LVIDs)水平，抑制丙二醛水平，增加超氧化物歧化酶、谷胱甘肽(GSH)和谷胱甘肽过氧化物酶水平，抑制心脏细胞凋亡，诱导核因子红系2相关因子2 (Nrf2)和血红素加氧酶-1 (HO-1)信号通路 [5] 。

3.1.3. 肺保护作用

高氧液的改善供氧作用已得到证实。如目前肺泡蛋白沉积症(PAP)最有效的治疗方法仍然是全肺灌洗，但通常伴有严重的低氧血症，但可通过高氧溶液改善灌洗期间的氧气供应来预防 [6] 。兔全身暴露于有毒气体光气后静脉输注高氧液可明显减轻光气诱导的肺水肿形成、脂质过氧化反应，改善光气暴露相关的低氧血症。这是一种安全、简单、有效的保护动物免受光气致肺损伤的措施，对临床治疗有较大的指导作用 [7] 。在呼吸系统疾病，如肺纤维化、尘肺病和严重急性呼吸系统综合症通过呼吸道给氧是有限的。所以高氧液作为对绕过肺部供应氧气的新方法，其能减轻肺组织损伤程度，减少肺泡表面活性物质的破坏，改善肺部供氧，缓解由肺部疾病引发的低氧血症 [6] 。

3.1.4. 肝保护作用

高氧液减轻缺血再灌注损伤的作用并不局限于心肌，其还可降低家兔肝组织内NF-κB p65的阳性表达、ALT及AST水平和超氧化物歧化酶(SOD)活性，对家兔肠缺血再灌注后引发的肝损伤也具有治疗作用 [8] 。在急慢性肝衰竭的治疗中，高氧液也可作为辅助治疗手段用于肝脏各项指标的恢复 [9] [10] 。

3.2. 富氢液的器官保护作用

H₂是近年来医学气体领域研究的热点之一，它是一种具有还原性的气体分子，其在抗氧化方面重要特点是易扩散、起效快、渗透力强等优势。在临床常用抗氧化剂中，H₂的分子量是维生素C的1/176，辅酶Q的1/863，维生E的1/431，儿茶素的1/290，因此H₂在众多的氧化剂中是最小的物质，也是唯一能快速通过细胞膜选择性清除细胞内活性氧的抗氧化剂 [11] 。正是因为有以上优点，富氢液的研究进展在近几年取得长足的进步。

3.2.1. 脑保护作用

陈克研等 [12] 利用大鼠局灶性脑缺血再灌注模型，发现富氢液可显著降低炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α含量，降低人磷酸化磷酸肌醇3激酶、丝氨酸/苏氨酸激酶、促凋亡蛋白caspase-3表达水平，减轻缺血再灌注导致的脑损伤。另外，采用经食管电刺激法建立心脏停搏心肺复苏模型，经腹腔注射富氢液治疗后，大鼠神经功能评分升高，锥体细胞计数增多，海马中炎症小体NLRP3、促凋蛋白caspase-1表达下调，其减轻脑损伤的机制可能与抑制炎症反应有关 [13] 。

3.2.2. 心脏保护作用

已有研究证明富氢液在体内或体外可以减轻心肌缺血再灌注诱导的炎症反应和细胞凋亡，并促进自噬相关蛋白的表达，通过PINK1/Parkin通路介导的有丝分裂对心脏产生保护作用 [14] 。在CPB过程中，富氢液可通过PI3K/Akt信号通路减弱CPB诱导的心肌损伤，显著提高心肌细胞活力，抑制CPB治疗后谁通道蛋白AQP-1和AQP-4的表达，保护心肌细胞 [15] 。在评价富氢液对脓毒症小鼠心肌细胞线粒体自噬的调节及其对心功能障碍的治疗作用时，富氢液使小鼠血清TNF-α、肌酸激酶同工酶(CK-MB)含量下降，心肌组织ATP水平升高，并且其对于心功能障碍的治疗作用可能是通过调节心肌细胞线粒体自噬实现的 [16] 。

3.2.3. 肺保护作用

Zhai等 [17] 运用盲肠结扎(CLP)穿刺致ALI大鼠模型发现富氢液治疗明显减轻了CLP后肺损伤，改善了肺内气体交换和组织学改变，显著降低了肺含水量和中性粒细胞浸润。在氢的存在下，肺组织中的脂质过氧化和DNA氧化显著降低，硝基酪氨酸含量降低，SOD活性保持不变，表明氢在CLP诱导的ALI中具有抗氧化作用。在研究富氢液对犬左肺移植(LTx)模型肺保存的保护作用的中，实验组用富氢液冲洗和浸泡供肺，该组动脉氧分压显著高于对照组，干湿比显著低于对照组。组织学检查显示，该实验组肺损伤也较小，凋亡细胞较少。所以富氢液可以减轻犬左LTx模型的缺血再灌注损伤 [18] 。

3.2.4. 肝保护作用

Li等 [19] 的研究发现口服富氢液后，分子氢通过增加血红素加氧酶-1 (HO-1)的表达抑制脂多糖诱导的炎症细胞因子的产生。此外，富氢液还能够改善肝脏脂肪变性，抑制异常脂肪代谢，降低肝的纤维化水平。若对Lewis大鼠进行等基因原位肝移植，将肝移植物储存在富氢液中，富氢液通过上述相同的上调HO-1表达的机制，对肝的缺血再灌注损伤具有良好的功能和形态学保护作用 [20] 。

3.2.5. 肾保护作用

已有多人研究表明富氢液对于肾脏缺血再灌注损伤具有保护作用其使肾功能改善，肾组织SOD活性降低，肾氧化应激损伤减轻，肾小管上皮细胞损伤及凋亡缓解等 [21] [22] 。富氢液还可通过调控肾脏组织炎症因子释放来减轻重度烧伤大鼠急性肾损伤 [23] 。

3.3. HHOS的器官保护作用

HHOS因氢氧独特的物理性质，能透过多种生物膜，能直接进入细胞内发挥选择性清除氧自由基和辅助供氧双重药理作用。

3.3.1. 脑保护作用

已发现HHOS对CO诱导的脑损伤具有神经保护作用，其能够抑制自由基生成和神经元凋亡，且作用优于高氧水 [24] 。另外，HHOS对于血管源性缺血缺氧引起的脑损伤也具有保护作用(待发表)。长期低灌性脑缺血导致线粒体功能降低，提供的能量物质ATP不能满足神经元正常的生理需求以及内质网氧化应激是该种脑损伤的关键性病理特征。而HHOS以其独特的物理性质可透过机体多种生物屏障，从而进入核心部位发挥药理作用。

3.3.2. 肺保护作用

2019年研究表明，运用失血性休克诱导的ALI大鼠模型探索HHOS的肺保护作用时，HHOS将氢氧作用结合，可改善模型大鼠血气状况，降低肺组织T-SOD、MDA、TNF-α和IL-6水平，对ALI有保护作用 [25] 。2022年最新研究证明HHOS对于脂多糖介导的ALI也具有保护作用，且均优于氢、氧各自的保护作用，其可以改善由脂多糖介导的肺水肿和肺部炎症等症状，缓解细胞凋亡情况，并逆转线粒体功能障碍 [26] 。

3.3.3. 肝保护作用

研究表明HHOS可以抑制失血性休克和复苏诱导的肝损伤，显著降低血清ALT和AST的水平，减轻肝脏组织病理学及超微结构损伤，降低肝组织IL-6和TNF-α水平，抑制肝脏的炎症反应，降低肝组织MDA和T-SOD水平，抑制肝脏的氧化应激反应，对肝损伤有极大的治疗潜力 [27] 。

4. HHOS的作用机理

对于HHOS的作用机理，目前研究更倾向于将氢和氧的各自作用联合，其作用效果均优于氢氧的单独作用，但两种分子的具体分子机制可能有所不同。

4.1. NF-κB/NLRP3信号通路

HHOS可通过NF-κB/NLRP3信号通路抑制脂多糖诱导的肺损伤，抑制NLRP3炎症小体的激活，减轻炎症反应 [22] 。H₂单独作用可以通过TLR4/NF-κB信号通路减轻由缺血再灌注导致的肾脏损伤 [22] 。

4.2. Nrf2/HO-1信号通路

HHOS可激活组织中Nrf2/HO-1信号通路，调节氧化应激 [28] [29] 。Nrf2/HO-1信号通路是调控内源性氧化应激的关键信号通路，其通过增强偶联反应和细胞抗氧化能力控制基因的表达，从而调控参与解毒及消除活性氧的蛋白产生，同时通过转录保护性诱导基因来维持细胞氧化还原的稳态。缺血缺氧状态势必会造成不同程度的组织损伤，氢可以通过该信号通路缓解创面微环境氧化应激，降低促炎细胞因子水平和脂质过氧化。同时，降低细胞凋亡指数，增加Nrf-2的表达 [30] 。HHOS也可能通过其他未知通路降低器官氧化应激水平 [23] 。

4.3. ROS/AMPK/mTOR信号通路

HHOS可提高损伤器官的抗氧化活性，使相关SOD活性下降，可抑制细胞凋亡 [22] 。Wang [31] 的研究提出活性氧水平升高引起的自噬过度激活是脂多糖诱导急性肺损伤的关键机制。其从自噬调节的角度探讨得出H₂可通过ROS/AMPK/mTOR通路抑制自噬过度激活，从而改善脂多糖诱导的小鼠ALI。

4.4. TGF-β1/p38MAPK信号通路

在HHOS中，H₂可下调糖尿病大鼠肾脏组织TGF-β1、NF-κB、磷酸化–丝裂原活化蛋白激酶p38抗体(p-p38MAPK)、单核细胞趋化蛋白-1的表达，减轻炎症反应，延缓肾脏纤维化，起到肾脏保护作用，其机制可能与抑制TGF-β1/p38MAPK通路有关 [32] 。李达等人的研究表明，H₂可以通过抑制p-p38MAPK表达，减少细胞凋亡，从而减轻大鼠脑缺血再灌注损伤 [33] 。

5. 问题与展望

目前，临床上对于缺血缺氧性疾病的治疗还没有形成完善的体系，而HHOS能在病理条件下发挥氢氧双重作用，通过不同途径保护脑、肺、肝等重要器官的功能，提示其可能成为器官功能保护研究的一个新的手段。其给药方式多样，目前的实验方法涉及静脉输注、腹腔注射等。口服给药这种更易被大众所接受的方式也正处于探索阶段，在肺纤维化、尘肺病、严重急性呼吸系统综合症等呼吸系统疾病或吸入窒息性毒药通过呼吸道输氧有限的情况下，口服HHOS可绕过肺部，发挥卓越疗效。其价格低廉，因氢氧制取的成本较低，所以HHOS更具有推广价值。尽管如此，HHOS相关器官功能保护作用及其机制的研究仍需更深入探索。目前，已得到研究验证的保护作用还比较局限，其临床上的确切保护效果仍需进行大量双盲随机对照实验研究。

综上所述，多项研究表明HHOS对重要器官损伤具有保护作用，并已经阐明部分作用机制，必将为器官功能损伤的预防和治疗提供一条新的思路。但其临床应用途径、对其他更多器官功能的保护作用以及其详细作用机制仍需深入研究。

基金项目

陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2020JZ-56)；陕西省大学生创新创业训练计划项目(S202211840031)；西安市未央区科技计划项目(202127)。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。