氢分子生物医学机制——自由基的选择性抗氧化理论代表人物太田成男

吸氢机医学

氢气

线粒体

太田

分子

氧化应激

抗氧化

研究

自由基

激活

医学

太田成男（Dr.ShigeoOhta，PhD），日本医科大学老年病研究所首席教授，研究领域为氢气医学的分子机理、线粒体疾病的药物开发及氧化应激的可视化和实时监测。2007年，太田成男教授在国际著名医学杂志《自然医学》上发表关于少量氢气缓解缺血再灌注损伤的研究，提出氢气选择性抗氧化的概念，开辟了氢气医学的研究热潮。可以说，太田成男教授在氢生物医学领域发表SCI论文40余篇，证实氢气对脑缺血、肝脏放射损伤、肥胖、巴金森病的缓解治疗作用。
“当我在探索一种没有副作用的理想抗氧化剂时，我遇到了氢。在2005年1月的第一次实验中，我惊讶于氢对氧化应激的强大保护作用，并决定将我的一生奉献给氢医学。2007年在《自然医学》杂志上成功发表第一篇论文。第一篇论文被接受时，我们很惊讶，也有一些疑问，但我们通过不断的发表克服了这些疑问。我的使命不仅是发展氢医学，更要发展氢工业，成为氢医学的先驱。”（http://www.molecularhydrogeninstitute.com/dr-shigeo-ohta-phd）
太田成男教授不仅在氢分子生物医学的基础研究领域成果卓越，还积极与企业合作，促进氢分子的临床应用，主持成立了国际上第一个专门研究氢分子生物学效应的氢气医学研究中心（MolecularHydrogenInstitute，MHI），推进氢分子的基础、动物和临床研究。

太田成男教授多年致力于氧化应激损伤的研究。在氢分子作用机制领域，他着重从氢分子清除氧化自由基、调控质膜通道功能和提升抗氧化系统活性的角度，探究和讨论氢气生物医学作用的机制。

1.对羟基自由基（·OH）的直接还原作用

在太田成男教授2007年发表的文章中，氢气可以在细胞实验中减少•OH1。更重要的是，随后他人的研究也证实，富氢滴眼液可直接降低视网膜缺血/再灌注诱导的•OH2；在电离照射诱导的睾丸损伤中，氢分子也能够中和•OH3。虽然，•OH与H2在稀水溶液中的反应速率可能非常缓慢，H2无法直接中和所有•OH4；然而哺乳动物细胞具有高度复杂的结构，包含生物膜和具有多种浓缩的粘性溶液。在粘性环境中，由于碰撞频率是限速的，因此H2较快的扩散速率有利于其克服反应速率常数较慢的问题5。

图1氢气在细胞内气体扩散。大多数亲水化合物保留在细胞膜上，不能到达细胞质，大多数疏水化合物在没有特定载体的情况下不能穿透生物膜，而H2可以迅速分布到细胞质和细胞器中5。 由于•OH是很多自由基连锁反应的主要触发器，这种连锁反应一旦发生在生物膜上，就会继续并扩大，对细胞造成严重的损伤（图1）。氢气更容易富集在脂相，尤其是在不饱和脂质区域，这是初始连锁反应的主要靶点6。因此，氢气可能具有抑制氧化自由基连锁反应的作用。在定量分析中，太田成男教授使用Liperfluo和C11-BODIPY两种荧光探针来研究H2对过氧化反应的影响。Liperfluo的反应域是疏水的，嵌在质膜内，C11-BODIPY的反应域是亲水的，暴露在胞质中。H2诱导的C11-BODIPY过氧化反应的减少程度低于Liperfluo，说明H2抑制了膜上的自由基反应6。该连锁反应产生脂质过氧化，并导致氧化应激标志物的产生，如4-羟基-2-壬烯醛（4-HNE）和丙二醛（MDA）。大量实验结果表明，充足的H2可以有效缓解•OH诱导的组织氧化。

•OH能够与很多靶分子发生无差别反应，并造成严重的损害。有研究表明，•OH可以直接调节Ca2+通道的活性7。这种对Ca2+内流的抑制作用被•OH清除剂完全消除。另一篇文章还指出，•OH通过l型电压依赖性Ca2+通道抑制Ca2+内流8。氢分子能够清除质膜上的•OH，那么，势必对Ca2+通道的活性产生影响5。

此外，受•OH调控的还有线粒体三磷酸腺苷（ATP）敏感钾离子通道（mit(ATP)K+通道），该通道能够感知并调节细胞代谢状态的线粒体膜电位。很多研究证据表明，一些具有生理作用的气体能够参与mit(ATP)K+通道功能的调节，影响线粒体呼吸和膜电位。关注H2S、NO和CO这些生理气体及mit(ATP)K+通道的作用机制，对于理解H2的分子功能具有重要意义9。

2.氢分子直接还原过氧亚硝基阴离子（ONOO-）进而调控基因表达

氢分子清除氧化自由基的另一个机制，即直接清除过氧亚硝基阴离子（ONOO-）。已知ONOO-可以修饰蛋白质中的酪氨酸生成硝基酪氨酸。在动物模型中，无论引用富氢水、注射富氢生理盐水或吸入氢气都能有效降低硝基酪氨酸含量101112。此外，在临床试验中，饮用富氢水可降低关节炎液患者的硝基酪氨酸13。因此，至少氢气的部分作用可以归因于蛋白质中硝基酪氨酸产量的减少。许多参与转录控制的蛋白因子被硝化（-O-NO2）或（-S-NO2），硝化的蛋白含量降低可能会影响多种基因的转录调控。

3.通过调控基因表达间接降低氧化应激

氢分子可以通过上调抗氧化系统，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、髓过氧化物酶（MPO）等。对于核因子2相关因子（Nrf2）这一能够广泛诱导抗氧化酶表达的转录因子而言，氢分子能够上调其表达与活性，间接上调抗氧化酶系统的活性。

氢分子对Nrf2的上调作用很可能不是直接作用引起的，Murakami等人提出，H2能够激活线粒体活性，当过度的线粒体活性引起氧化应激时，H2间接诱导Nrf2向细胞核转移。然而，尚未有研究表明H2是如何激活线粒体的，或者线粒体的氧化应激是否足够激活Nrf214。

此外，也有研究者借鉴线粒体辅酶Q（MitoQ）的作用机制。MitoQ是一种线粒体靶向辅酶Q衍生物，能够作为一种线粒体靶向抗氧化剂快速到达线粒体。MitoQ显著激活了Keap1-Nrf2抗氧化系统，增加Nrf2靶基因如HO-1和NQO1基因的表达15。因此，H2可能作为一种抗氧化剂，以类似MitoQ的方式激活Nrf2。

另一种可能性是，Nrf2的激活依赖于Wnt/catenin信号。活化T细胞核因子（NFAT）抑制Wnt/catenin信号通路，参与调节神经祖细胞增殖和分化16、肠细胞分化17和成骨细胞分化18。另一方面，Wnt/catenin激活Nrf2。因此，当NFAT被H2清除时，可能会激活Wnt/catenin信号通路，引起Nrf2的活化。然而，氢气上调Nrf2的机制仍处于探讨与推测阶段，需要更多实验性研究19。
来源：陶鸽如 氢思语

材料出处：
氢气医学研究中心（MolecularHydrogenInstitute，MHI）http://www.molecularhydrogeninstitute.com/dr-shigeo-ohta-phd
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