第42講 氫分子的生物學作用及其控制癌癥的機制
閱讀要點
· 氫氣（H2）是非自由基、非反應性、非極性、高度可擴散的中性氣體，業(yè)已發(fā)現(xiàn)H2 能預防和治療癌癥以及各個器官，包括腦、心、腎、胰、肺、肝和軟組織的疾??；
· 氧化應激與癌癥起始、促進和進展所有三個階段都有關。 活性氧（ROS）可以促進腫瘤細胞增殖、存活和細胞遷移；
· ROS通過多種機制在細胞內(nèi)由細胞膜、線粒體、過氧化物酶體和內(nèi)質網(wǎng)產(chǎn)生；外源性ROS可以由污染物、煙草、煙霧、藥物、異生素、紫外線或輻射產(chǎn)生；
· 毒性ROS可引起DNA損傷，誘發(fā)基因突變，干擾信號傳導，促發(fā)慢性炎癥，損傷線粒體，促進癌癥進展和轉移，助長癌干細胞；
· 氫分子選擇性消除ROS，具有抗氧化、抗炎癥、抗凋亡、保護線粒體等作用；
· H2 控制癌癥主要由抗氧化實現(xiàn)，進而通過抗炎癥、改善代謝等多種機制，發(fā)揮預防癌癥發(fā)生（一級預防）、常規(guī)治療前“新輔助治療”、常規(guī)治療后消除／調(diào)控殘存癌細胞（輔助治療）以及預防復發(fā)和轉移等作用
引言
人體細胞常常處于氧化應激狀態(tài)，這源于過量自由基即活性氧的異常氧化潛力。急性氧化可來自各種狀態(tài)，例如強力運動、炎癥、缺血再灌注性損傷、出血、組織移植等。慢性持續(xù)性氧化應激與許多生活方式相關性疾病、老化和癌癥密切相關。但是，臨床上雖然有許多試驗性抗氧化品，但或者劑量小不會發(fā)生效果，或者因其劑量大，其毒性高，無法使用。尋找無毒或少毒性抗氧化劑用于治療許多疾病，一直是夢寐以求的工作。
近幾十年，經(jīng)過不懈的努力，人們終于發(fā)現(xiàn)氫（H2），一種可燃性無色無味氣體，是一種無毒、天然、簡便、 有效的選擇性抗氧化分子。1976年Dole等報告H2 對皮膚鱗狀細胞癌的治療作用。此后，有報告吸氫可治療肝臟寄生蟲感染引起的肝炎。2007年日本東京醫(yī)科大學的研究者發(fā)現(xiàn)，H2 具有抗氧化特性，能選擇性中和氫氧根(·OH )和過氧硝基(ONOO-)，保護腦免受輻射和中風的傷害。
氣體對疾病具有治療作用，不是一個新概念。氧氣是人類生存不可缺少的物質，其在醫(yī)學上的應用，已是眾所皆知。20世紀80年代，發(fā)現(xiàn)硝酸甘油治療心絞痛的 的分子機制是一種氣體分子一氧化氮（NO）。該種氣體起源于血管內(nèi)皮細胞，有鳥苷酸環(huán)化酶的活化而產(chǎn)生， 是導致血管擴張的分子形式。 從那時起，對醫(yī)用氣體的研究取得快速進展。生物體內(nèi)產(chǎn)生的產(chǎn)生血紅素的一氧化碳和產(chǎn)生硫酸甲酯的分解產(chǎn)生的硫化氫具有很強的抗氧化作用，被認為是非常重要的神經(jīng)遞質。這3種氣體分子（即一氧化氮、一氧化碳和硫化氫）被稱為體內(nèi)的氣體信號分子（表1）。NO的研究者因此被授予諾貝爾獎。
NO已經(jīng)在臨床上用于治療心臟和肺部疾病。臨床研究已開始在腎移植和嚴重呼吸衰竭患者中進行一氧化碳治療，以及對腎功能不全患者和經(jīng)歷過冠狀動脈旁路術的患者進行氫硫化物治療。
然而，長期以來，人們難以相信氫分子即氫氣（H2）可以發(fā)揮任何生物效應，因為與這些其他氣體相比，氫氣是非自由基、非反應性、非極性、高度可擴散的中性氣體，不太可能具有特異性結合位點，或與特異性受體發(fā)揮特異性相互作用。
但是從演化的角度來看，氫可能會產(chǎn)生生物效應并不奇怪。除了它在宇宙起源中的作用外，氫還參與了生命的起源，并且在真核生物的進化過程中發(fā)揮了積極的作用。在數(shù)百萬年的進化過程中，植物和動物與產(chǎn)氫細菌發(fā)生互惠關系，導致真核系統(tǒng)中氫分子保持一定基礎水平。 有理由推斷，真核生物在數(shù)百萬年的進化過程中可能保存了對氫分子的敏感性和依賴性。
迄今，業(yè)已發(fā)現(xiàn)H2 能預防和治療體內(nèi)各個器官，包括腦、心、腎、胰、肺、肝和軟組織的疾病，對危害人類最大的癌癥，也具有控制作用。
自由基和活性氧
癌癥是一包含起始、促進和進展多階段過程。氧化應激與該過程的所有三個階段都有關。通過誘導細胞信號轉導途徑，活性氧（ROS）可以促進腫瘤細胞增殖、存活和細胞遷移。
（一）什么是自由基和活性氧（ROS）？
自由基是具有不成對價電子的原子、分子或離子。因為電子喜歡成對地“行進”或需要伴侶，如果化學物本身只有一個電子， 這將使這個化學實體具有很強的反應性，并且很容易從周圍環(huán)境中“竊取”電子（圖1）。由于這種特性，自由基具有很強的反應性。
活性氧（ROS）物質是在其最外層電子殼中具有單個不成對電子的自由基、離子或分子。 ROS可分為兩類：游離氧自由基和非自由基ROS（表2），后者是可以轉化為自由基或起氧化劑的作用的分子。超氧化物、過氧化氫和羥基自由基是癌癥中研究最多的ROS。
（二）活性氧的產(chǎn)生
ROS通過多種機制在細胞內(nèi)產(chǎn)生，取決于細胞和組織類型?！皩I(yè)”ROS生產(chǎn)者有細胞膜、線粒體、過氧化物酶體和內(nèi)質網(wǎng)中的NADPH氧化酶（NOX）復合物。在線粒體中，ROS是氧化磷酸化的副產(chǎn)物。 電子傳遞鏈包括線粒體內(nèi)膜上的復合物I-IV和ATP合酶。 在復合物I和III處產(chǎn)生超氧化物并釋放到膜間空間（約80％的產(chǎn)生的超氧化物）或線粒體基質（約20％）。通過線粒體外膜的通透性轉換孔（MPTP），超氧化物滲漏到細胞質中。 超氧化物在線粒體基質（通過MnSOD）或細胞漿（通過Cu / ZnSOD）中被歧化為H2O2。H2O2 是一種真正的第二信使，具有高度可擴散性（圖2）。
圖2 ROS產(chǎn)生和解毒的主要機制：超氧化物(O2·?)自由基在線粒體的內(nèi)膜處產(chǎn)生，作為電子傳遞鏈的副產(chǎn)物，然后通過線粒體通透性轉換孔（MPTP）釋放到線粒體基質或胞質溶膠中。生長因子受體（GF-R）或細胞因子受體可激活NADPH氧化酶（NOX），也產(chǎn)生超氧化物。超氧化物歧化酶（SOD），例如線粒體基質中的MnSOD或細胞漿中的Cu / ZnSOD，能將超氧化物還原成H2O2。細胞漿中抗氧化系統(tǒng)，包括過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）和過氧化物酶（Prx），還原過氧化氫為水。過氧化氫和超氧化物參與細胞信號傳導，但也可形成羥基自由基(·OH)。羥基自由基在Fenton反應中由O2·? 和 H2O2 產(chǎn)生，對蛋白質、DNA和脂質具有破壞性作用
除線粒體外，過氧化物酶體是細胞ROS產(chǎn)生的其他主要部位。 在這些呼吸性細胞器中，超氧化物和H2O2通過過氧化物酶體基質和過氧化物酶體膜中的黃嘌呤氧化酶產(chǎn)生。
外源性ROS可以由污染物、煙草、煙霧、藥物、異生素、紫外線或輻射產(chǎn)生。電離輻射與水的相互作用，產(chǎn)生破壞性中間體，這一過程稱為輻射分解。 由于水占人體的55％-60％，因此在電離輻射的存在下，輻射分解的可能性非常高。 在該過程中，水失去電子并變得具有高度反應性。然后通過三步鏈反應，水依次轉化為羥基自由基(·OH )、過氧化氫（H2O2 ）、超氧自由基（O2·? ），最終生成氧氣（O2）。
缺氧是ROS生成的促進因素：缺氧通過線粒體電子傳遞鏈（ETC）觸發(fā)ROS產(chǎn)生，抑制脯氨酰羥化酶（PHD），激活缺氧誘導因子1（HIF1）和HIF2 ；（2）缺氧還通過ROS依賴性信號傳導激活其他反應和轉錄因子；（3）癌基因包括KRAS和MYC，可以進一步推動ROS的產(chǎn)生；（4）線粒體DNA（mtDNA）突變 - 或核DNA編碼的蛋白質可以增加線粒體ROS的產(chǎn)生（圖3）。
圖3 缺氧激活線粒體產(chǎn)生ROS和氧化信號，驅動腫瘤細胞表型：缺氧通過線粒體電子傳遞鏈（ETC）觸發(fā)ROS產(chǎn)生，抑制脯氨酰羥化酶（PHD），激活缺氧誘導因子1（HIF1）和HIF2 。 癌基因包括KRAS和MYC，可以進一步推動ROS的產(chǎn)生。線粒體DNA（mtDNA）突變 - 或核DNA編碼的蛋白質可以增加線粒體ROS的產(chǎn)生
AP1，激活蛋白1; IMS，膜間隙; NF-κB，核因子-κB; NRF2，核呼吸因子2
活性氮物質（RNS）由含氮氧化劑如一氧化氮（NO）形成。線粒體呼吸鏈可在低氧條件下產(chǎn)生RNS，而RNS可進一步產(chǎn)生其他活性物質，現(xiàn)在已知連續(xù)性細胞ROS和RNS產(chǎn)生是多種因素的結果，包括致癌物暴露、炎癥和線粒體呼吸。
（三）活性氧的生理作用
在生物學背景下，ROS是氧的正常代謝的天然副產(chǎn)物，在細胞信號傳導和體內(nèi)平衡中起重要作用。 在內(nèi)源性代謝反應中，嗜氧細胞產(chǎn)生ROS，包括O2·?、H2O2和·OH，參與控制著細胞功能，包括調(diào)節(jié)細胞凋亡（程序性細胞死亡）、誘導宿主防御基因和離子轉運系統(tǒng)、參與傷口修復和血液穩(wěn)態(tài)。血小板釋放ROS，促使血小板募集到損傷部位。 ROS還通過募集白細胞，參與免疫調(diào)節(jié)。
在環(huán)境壓力（例如，輻射、紫外線或化學物暴露）下，ROS水平會急劇增加，并可能導致細胞結構損害。 這被稱為氧化應激，對細胞的有害影響表現(xiàn)為——
· 細胞核內(nèi)DNA或RNA損傷
· 線粒體DNA損傷
· 脂質中多不飽和脂肪酸的氧化（脂質過氧化）
· 蛋白質中氨基酸的氧化
· 通過輔因子的氧化，氧化滅活特定的酶
活性氧和癌癥
腫瘤細胞產(chǎn)生的ROS比正常細胞更多，并導致氧化應激增加。 根據(jù)文獻報道，ROS對DNA造成的損傷涉及慢性炎癥性疾病和各種癌癥類型，包括膀胱癌、腦瘤、乳腺癌、宮頸癌、胃癌、肝癌、肺癌、黑素瘤、多發(fā)性骨髓瘤、白血病、淋巴瘤、口腔癌、卵巢癌、胰腺癌、前列腺癌和肉瘤。
（一）誘導DNA氧化損傷
ROS通過過氧化，損傷DNA，引起DNA基因突變和結構改變，啟動癌癥；ROS通過引起異常基因表達，上調(diào)參與細胞周期的細胞周期蛋白mRNA水平， 包括細胞周期蛋白B2、細胞周期蛋白D3、細胞周期蛋白E1和細胞周期蛋白E2，加速G1向S期轉變，促進細胞增殖或減少起始細胞群的凋亡。 有資料表明，環(huán)境致癌物刺激癌細胞中ROS產(chǎn)生，并加速S期進展和隨后的細胞增殖（圖4）。
圖4 ROS和致癌。ROS在正常細胞過程中產(chǎn)生，細胞表達抗氧化劑以消耗細胞內(nèi)氧自由基水平。 腫瘤發(fā)生事件包括癌基因激活（即K-ras的突變）、組織中的代謝改變或巨噬細胞浸潤或缺氧/再氧合過程，通過增加細胞內(nèi)ROS水平并促進腫瘤形成或進展。 這些促進腫瘤的ROS水平可導致細胞周期進展，促進增殖和存活信號傳導、EMT、運動性、基因組不穩(wěn)定性和血管生成，治療性抗氧化劑可抑制上述過程。 化學治療藥物可引起細胞內(nèi)ROS水平的過度增加，誘導腫瘤細胞的細胞周期停滯、衰老或細胞死亡，內(nèi)源性抗氧化劑可對抗ROS增加
ROS氧化DNA可以產(chǎn)生幾種類型的DNA損傷，包括堿基修飾、無堿基位點、單鏈斷裂、蛋白質-DNA加合物和鏈內(nèi)/鏈間DNA交聯(lián)。據(jù)估計，通過正常細胞代謝產(chǎn)生的內(nèi)源性ROS，每天在單個細胞中能修飾約20,000個堿基的DNA。在DNA復制過程中，DNA聚合酶錯配8-氧鳥嘌呤與腺嘌呤，導致G→T顛換突變。由此產(chǎn)生的基因組不穩(wěn)定性直接導致致癌作用。
（二）干擾信號傳導途徑
ROS刺激細胞內(nèi)和細胞外環(huán)境的信號傳導途徑，抑制凋亡。在缺氧微環(huán)境下，ROS 上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子、肝細胞生長因子、缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）、NO和H2O2等的表達，激活一系列轉錄因子，包括核轉錄因子NF-κB、激活蛋白1、 HIF-1α、基質金屬蛋白酶、 β-連環(huán)蛋白/ Wnt和核因子紅細胞相關因子2（Nrf2）、信號轉導子和轉錄激活子3（STAT3），導致慢性炎癥、細胞轉化、腫瘤細胞存活、腫瘤細胞增殖和侵襲、血管生成以及轉移的相關蛋白質表達。 ROS還抑制各種腫瘤抑制基因的表達，如p53、視網(wǎng)膜母細胞瘤基因（Rb）和磷酸酶和張力蛋白同源物（PTEN）（圖5）。
圖5 ROS在信號轉導中的作用：ROS誘導PI3K / AKT / mTOR存活信號激活，導致 2種信號傳導途徑激活：第一是Ras-MAPK，導致細胞增殖，第二是PI3K-Akt-eNOS，導致代謝調(diào)節(jié)和細胞存活。 缺氧引起HIFα-HIFβ的激活，其進一步激活血管生成生長因子VEGF。 在癌細胞ROS中，高濃度的ROS激活存活途徑，并使啟動細胞凋亡的PTEN途徑失活，導致癌細胞生存
ROS：活性氧; PTEN：磷酸酶和張力蛋白同源物; VEGF：血管內(nèi)皮生長因子
（三）誘發(fā)慢性炎癥
過去幾年的實驗和流行病學研究表明，ROS、慢性炎癥和癌癥之間存在密切聯(lián)系。ROS通過誘導COX-2、炎性細胞因子（TNFα、白細胞介素1［IL-1］、IL-6）、趨化因子（IL-8、CXCR4）和促炎轉錄因子（NF-κB）誘導慢性炎癥。這些趨化因子和趨化因子受體反過來促進各種腫瘤的侵襲和轉移。
在慢性炎癥期間炎癥細胞中ROS產(chǎn)生增加，會引發(fā)DNA損傷和突變。 尚沒有直接證據(jù)顯示腫瘤微環(huán)境中的個體細胞可以通過ROS誘導鄰近上皮細胞的突變。最新的一項研究表明，骨髓細胞中ROS的產(chǎn)生增加，可以促進腸道腫瘤的生長并刺激腫瘤進展，這為炎癥性疾病患者的癌癥風險增加提供了可能的解釋。
（四）損傷線粒體，干擾能量代謝
近年來，線粒體在癌癥發(fā)生和發(fā)展中的作用受到重視。有認為，癌癥是一種代謝性或線粒體疾病，而啟動因素與ROS有關。
線粒體通過促進生物能量學、代謝、生物合成，與細胞死亡或存活功能有著密切關系。 線粒體產(chǎn)生的活性氧（ROS）參與正常細胞中的應激信號傳導。在癌癥發(fā)生的背景下，線粒體ROS的重要靶標是線粒體DNA（mtDNA），可啟動核或線粒體DNA突變，促進腫瘤轉化。人線粒體含有由~16.6千堿基組成的DNA環(huán)狀多重拷貝，編碼氧化磷酸化系統(tǒng)（OXPHOS系統(tǒng)）、12S和16S核糖體RNA以及22種轉移RNA的13種多肽組分。 每個線粒體可能攜帶數(shù)十個mtDNA拷貝，每個細胞含有數(shù)十個線粒體，因此每個細胞可能含有數(shù)百個mtDNA拷貝。與核DNA不同，mtDNA不受組蛋白的保護，校對能力有限，易受矩距ROS的攻擊。線粒體突變率遠高于核DNA。突變可包括缺失、插入、點突變和mtDNA拷貝數(shù)的變化。受損的線粒體導致細胞有氧呼吸障礙，細胞能量供應不足，導致線粒體DNA（mtDNA）突變，進而導致三羧酸（TCA）循環(huán)酶的突變，再通過產(chǎn)生氧化劑信號傳導，驅動腫瘤細胞進展 （圖6）。
圖 6 三羧酸（TCA）循環(huán)酶的突變通過產(chǎn)生氧化劑信號傳導，驅動腫瘤細胞進展。富馬酸水合酶（FH）中的失活突變阻斷TCA循環(huán)功能，導致富馬酸鹽和琥珀酸鹽的積累。富馬酸與還原型谷胱甘肽（GSH）反應生成琥珀酸化谷胱甘肽（GSF），這是一種致瘤性代謝物（oncometabolite），被谷胱甘肽還原酶降解，同時消耗NADPH。釋放出來的GSH可以在消耗NADPH的無效循環(huán)中與富馬酸重組。這削弱了線粒體對活性氧（ROS）的解毒能力，導致ROS釋放到細胞漿中增加，抑制脯氨酰羥化酶，并增加缺氧誘導因子1α（HIF1α）的穩(wěn)定性。線粒體繼續(xù)代謝α-酮戊二酸，通過反向羧化作用生成檸檬酸。由谷氨酰胺脫氨基生成谷氨酸，保持α-酮戊二酸的供應。然后檸檬酸鹽輸出到細胞漿基質中，在那里產(chǎn)生乙酰-CoA，供脂質生物合成。因此，通過驅動ROS依賴性和ROS非依賴性信號傳導，TCA循環(huán)抑制可在腫瘤細胞形成和進展中產(chǎn)生多種作用。
αKGDH：α-酮戊二酸脫氫酶; Acon：烏頭酸酶; KEAP1：kelch樣ECH相關蛋白1; MDH：蘋果酸脫氫酶; MPC：線粒體丙酮酸載體; NRF2：核呼吸因子2; PDH：丙酮酸脫氫酶
Nat Rev Cancer. 2014; 14(11): 709–721.
Mitochondria cooperate with their host cells by contributing to bioenergetics, metabolism, biosynthesis, and cell death or survival functions. Reactive oxygen species (ROS) generated by mitochondria participate in stress signalling in normal cells but also contribute to the initiation of nuclear or mitochondrial DNA mutations that promote neoplastic transformation. In cancer cells, mitochondrial ROS amplify the tumorigenic phenotype and accelerate the accumulation of additional mutations that lead to metastatic behaviour. As mitochondria carry out important functions in normal cells, disabling their function is not a feasible therapy for cancer. However, ROS signalling contributes to proliferation and survival in many cancers, so the targeted disruption of mitochondria-to-cell redox communication represents a promising avenue for future therapy.
Mitochondria cooperate with their host cells by contributing to bioenergetics, metabolism, biosynthesis, and cell death or survival functions. Reactive oxygen species (ROS) generated by mitochondria participate in stress signalling in normal cells but also contribute to the initiation of nuclear or mitochondrial DNA mutations that promote neoplastic transformation. In cancer cells, mitochondrial ROS amplify the tumorigenic phenotype and accelerate the accumulation of additional mutations that lead to metastatic behaviour. As mitochondria carry out important functions in normal cells, disabling their function is not a feasible therapy for cancer. However, ROS signalling contributes to proliferation and survival in many cancers, so the targeted disruption of mitochondria-to-cell redox communication represents a promising avenue for future therapy.
（五）ROS 促進腫瘤細胞的運動和轉移
在靜脈注射ROS處理的小鼠， 癌細胞加速轉移。 低或非運動性乳腺癌細胞系中，在高水平的內(nèi)源性ROS者，癌細胞運動性增加，更多轉移至肺、肝和脾。 對轉移性乳腺癌和高侵襲性胰腺癌細胞所做的研究顯示，ROS水平高和抗氧化活性低與轉移發(fā)生密切相關。ROS 促進癌癥轉移的機制有——
· 降低細胞對細胞外基質的粘附性，引起細胞 - 細胞間粘連的喪失，引發(fā)不依賴貼壁性存活，從而增加的遷移和侵襲潛力；
· 增加血管通透性。 ROS 上調(diào)白細胞介素-8（IL-8）和細胞表面蛋白ICAM-1（細胞內(nèi)粘附蛋白1，CD54）的表達。 后兩者均可引起血管內(nèi)皮的完整性降低， 促進腫瘤細胞的跨內(nèi)皮遷移；
· 促進血管上皮生長因子（VEGF）的表達，增強腫瘤血管生成；
· 誘導腫瘤細胞基質金屬蛋白酶（MMPs）的分泌，降低其活性。MMPs是降解細胞外基質的相關酶家族，被認為是促進腫瘤侵襲的重要因子，是觸發(fā)上皮 - 間質轉化（EMT）的重要因素；
· 激活血紅素加氧酶-1，該酶促進產(chǎn)生一氧化碳或誘導一氧化氮形成，其活性增加可引發(fā)血管舒張，增加腫瘤的血液供應，有利于腫瘤運動和轉移
（六）助長癌干細胞生存
已經(jīng)確定，在化療或放療后，存活的原發(fā)性癌細胞的小亞群可以引發(fā)復發(fā)。這種小亞群表達干細胞標志物并且具有高度耐藥性，稱為癌癥干細胞（CSC）。 CSC利用氧化還原調(diào)節(jié)機制，促進細胞存活和對治療的耐受。 內(nèi)源性和外源性ROS介導CSC的藥物抗性，促進這些細胞在治療期間存活。 一定的ROS水平對于維持干細胞功能至關重要。
氫分子（H2）生物學作用
H2 的生物學作用的主要分子靶標是ROS。對于諸如慢性炎癥、信號傳導、基因、免疫和代謝（線粒體）等的影響，基本上是通過對ROS的作用而實現(xiàn)（圖 7）。
圖7 H2生物效應和可能的作用機制
（A）H2具有選擇性的抗氧化、抗炎和抗凋亡特性。 由輻射等因素引起的外源性損傷誘導過量的細胞ROS產(chǎn)生。 H2穿透生物膜并有效地到達細胞核。 H2選擇性清除·OH和ONOO?，從而防止DNA損傷。 H2還下調(diào)促炎癥性和炎癥性細胞因子如白介素（IL）-1β、IL-6、腫瘤壞死因子（TNF）-α、細胞間黏附分子（ICAM）-1和高遷移率族蛋白（HMGB）-1的表達以及促凋亡因子如半胱天冬酶-3、半胱天冬酶 -12、半胱天冬酶-8和Bax。 H2上調(diào)抗凋亡因子如Bcl-2和Bcl-xL的表達。 （B）H2調(diào)節(jié)許多途徑內(nèi)和途徑之間的信號轉導。H2的確切目標和分子機制未知，例如各種信號通路之間是否發(fā)生串擾？ 如果是這樣，它是如何觸發(fā)的？ 有待進一步的研究
Nrf2: 一種抗氧化蛋白；Bcl-2、Bcl-xL與Bax共屬于一個家族，通過控制線粒體膜的通透性來調(diào)節(jié)凋亡激活物;TLR 4:Toll 樣受體4；ERK1/2:細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶；JNK：c-Jun氨基末端激酶；｀AKT：蛋白激酶B；NFkb：一種信號通路
（一）選擇性抗氧化
分子氫是線粒體中氧化應激的理想抗氧化分子，由于其體積小，它是極少數(shù)能夠到達線粒體內(nèi)部的抗氧化分子之一。 H2直接保護暴露于活性氧的線粒體。
H2 是一抗氧化劑，在許多生物活性過程中發(fā)揮作用。體內(nèi)最強大和毒性的氧化劑有·OH和ONOO?，能作用于核酸、脂質和蛋白質，引起DNA受損、脂質過氧化和蛋白變性。H2是這兩種氧化劑的特異性清除劑。所幸是，H2 對在體內(nèi)具有正常生理功能的活性氧無作用。
業(yè)已證明，H2 在人類各種疾病和動物模型時，H2可減低各種氧化應激標志物的表達，這些標志物包括髓過氧化物酶、丙二醛、8-羥基 - 脫氧鳥苷8-OHdG、8-異前列腺素F2a和硫代巴比妥酸反應物質。 近來還報告H2 的抗氧化作用能改變植物的某些病理過程，有助水果保鮮。
氫抗氧化損傷的另一種機制是通過NRF2 途徑。H2 活化Nrf2-Keap1系統(tǒng)，隨后誘導抗氧化劑應答元件（ARE）途徑，進而導致產(chǎn)生各種細胞保護性蛋白質，如谷胱甘肽、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶以及血紅素-1加氧酶等生成。
最初認為氫的有益作用是由于氫選擇性中和細胞毒性羥基自由基所致。然而，雖然H2減少了·OH自由基，它可能不是通過直接清除，也不能完全解釋氫的所有良好作用。例如，在類風濕性關節(jié)炎的雙盲安慰劑對照試驗中，氫具有殘留效應，停止給氫后4周，疾病癥狀仍持續(xù)改善。許多細胞研究還表明，在氫氣從體系中消失之后很長時間內(nèi)，對施加的攻擊（例如毒素，輻射，損傷等）仍具有抵抗力。因此，H2 的良好作用可能還有其他機制。
（二）抗炎癥作用
2001年有一研究發(fā)現(xiàn)，吸入高濃度H2 治愈了寄生蟲引起的肝臟炎癥，從而第一個證明H2 具有抗炎癥特性。進一步在各種損傷模型發(fā)現(xiàn)H2 有抗炎癥作用，通過下調(diào)各種促炎癥性和炎癥性細胞因子，如白介素(IL)-1β、IL-6、腫瘤壞死因子 -α(TNF-α)、細胞內(nèi)細胞黏附分子-1 、高遷移率組框－1（HMGB-1）、 核因子 kappa B (NF-κB) 和前列腺素 E2 等，抑制炎癥性損傷。在敗血癥小鼠，H2 能提高生存率，減少器官損傷，主要由于下調(diào)早期或后期血清和組織內(nèi)促炎癥性細胞因子。有資料顯示，腸道內(nèi)生成的H2 也具有抑制炎癥的效能。
（三）抗凋亡
H2 能上調(diào)或下調(diào)與凋亡相關的因子，實施抗凋亡作用。已知H2能抑制促凋亡因子、B細胞淋巴瘤－2相關性X蛋白、caspase－3、caspase－8和－2 的表達，上調(diào)抗凋亡因子、B細胞淋巴瘤－2和B細胞淋巴瘤－特大（B-cell lymphoma-2 and B-cell lymphoma-extra large ）表達。H2 尚能調(diào)節(jié)特殊通路內(nèi)和之間的信號傳導，抑制凋亡。有人還發(fā)現(xiàn)，H2的神經(jīng)保護作用，至少部分地與神經(jīng)元內(nèi)抗凋亡蛋白激酶B激活有關。
（四）改變基因表達
H2 在體內(nèi)可誘導各種基因表達，例如NF-κB 、 c-Jun N- 末端激酶(JNK) 、增生細胞核抗原、血管內(nèi)皮生長因子 (VEGF) 、膠質纖維酸性蛋白（GFAP）和肌酐激酶。這些分子中某些可被H2 再次調(diào)節(jié)，某些是直接H2 的靶標。在正常大鼠肝臟中，H2被發(fā)現(xiàn)對個體基因的表達影響不大，但上調(diào)氧化還原相關基因。 H2的抗炎和抗凋亡特性可以通過調(diào)節(jié)促炎癥和炎癥性細胞因子的表達以及凋亡相關因子來實現(xiàn)。
氫調(diào)節(jié)表觀遺傳效應的分子，而間接影響基因表達。分子氫可以：
· 阻礙NF-kB的釋放
· 減少TNFα
· 減少過量的一氧化氮
· 清除過氧亞硝酸鹽
除了潛在的羥基自由基清除和/或Nrf2途徑的激活外，氫可以通過細胞調(diào)節(jié)作用改善氧化應激并減少自由基的形成，例如下調(diào)NADPH氧化酶系統(tǒng)。氫的各種細胞調(diào)節(jié)作用參與氫的抗炎、抗過敏和抗肥胖作用。氫能下調(diào)促炎細胞因子（例如白介素－1（IL-1）、IL-6、IL-8等），減少TNF-α、NF-κB、NFAT、NLRP3 和HMGB1 等炎癥介質的激活。另外，通過增加FGF21、PGC-1a 、PPARα等的表達，氫能減少肥胖，改善代謝。 其他能受H2影響或調(diào)節(jié)的第二信使分子或轉錄因子還有生長素釋放肽、JNK-1 、ERK1 / 2 、PKC 、GSK 、TXNIP 、STAT3 、ASK1 、MEK 、SIRT1 等等。已知超過200種生物分子，包括超過1000種基因表達，可被氫氣改變。
H2可能影響多個信號通路以發(fā)揮廣泛的作用，這些通路之間的交互聯(lián)絡又可能影響H2治療結果（圖8）。 作為氣體信號調(diào)節(jié)劑，H2的作用涉及信號分子網(wǎng)絡，H2在這種環(huán)境中的到底發(fā)揮何種作用，值得進一步研究。
有關氫調(diào)節(jié)信號轉導、基因表達和蛋白磷酸化的確切機制仍在研究中。 《科學報道》（Sci Rep）最近發(fā)表的一篇文章指出，氫能修飾細胞膜中的脂質過氧化反應，這可能是其實現(xiàn)各種細胞調(diào)節(jié)作用的機制之一。 微陣列分析（comprehensive microarray analysis）確定，在生物相關濃度的培養(yǎng)細胞中，氫能抑制自由基鏈反應依賴性過氧化作用并恢復Ca2 +誘導的基因表達。
（五）免疫保護作用
有研究表明，氫能保護免疫系統(tǒng)免受輻射損害。在接受輻射的小鼠實驗中， H2預處理組的脾臟指數(shù)較高，脾臟結構損傷較輕， 輻射誘導的細胞凋亡受抑和促凋亡蛋白下調(diào)， CD4 +和CD8 + T細胞的絕對數(shù)量和百分比相對保持正常，TGF-β1的水平顯著下降，提示H2 可糾正輻射誘導的T細胞失衡。研究顯示，輻射引起的免疫異常與ROS有關，提示H2 的免疫調(diào)節(jié)作用可能通過消除ROS實現(xiàn)。
氫分子的控癌作用
H2可以作為抗腫瘤劑。早先有人用中性pH H2富集的電解（NHE）水作為抗氧化劑，發(fā)現(xiàn)能抵抗ROS，抑制腫瘤細胞增殖和侵襲。 氫氣水優(yōu)先抑制人舌癌細胞的克隆生長，抑制人纖維肉瘤細胞侵襲 。據(jù)報道，在H2 環(huán)境下，在Ehrlich腹水腫瘤中觀察到細胞數(shù)量減少、細胞皺縮、細胞凋亡、細胞變形和膜表面的微絨毛。
實驗研究證明，H2 能控制或抑制癌癥的啟動、進展和轉移，其機制主要以ROS為中心，通過對ROS的中和和拮抗，發(fā)揮以下作用——
· ROS引起DNA基因突變和結構改變，啟動癌癥發(fā)生。H2中和ROS，預防癌癥發(fā)生；
· ROS引起異?；虮磉_，刺激細胞內(nèi)和細胞外環(huán)境的信號傳導途徑，干擾信使系統(tǒng)，促進癌細胞增殖。H2 中和ROS，減緩癌癥進展；
· ROS 誘發(fā)慢性炎癥，上調(diào)趨化因子和趨化因子， 促進腫瘤的侵襲。ROS下調(diào)各種促炎癥性和炎癥性細胞因子；
· ROS損傷線粒體，細胞有氧呼吸發(fā)生障礙，導致 線粒體DNA（mtDNA）突變，促發(fā)癌癥發(fā)展。H2 很易進入線粒體，對線粒體發(fā)揮保護作用；
· ROS 通過降低細胞對細胞外基質的粘附性、增加血管通透性 ROS、促進腫瘤血管生成、誘導腫瘤細胞基質金屬蛋白酶的分泌、激活血紅素加氧酶-1， 促進腫瘤細胞的運動和轉移。H2消除ROS的上述作用
· ROS助長癌干細胞生存和對藥物耐受。 H2可阻抑ROS的上述作用。
· ROS 能破壞免疫系統(tǒng)的平衡。H2 能糾正致癌因素引起的免疫失調(diào)。
· ROS 的氧化活性及其促發(fā)的慢性炎癥，可干擾和全身各系統(tǒng)的功能。H2 能上調(diào)或下調(diào)與凋亡相關的因子，抑制凋亡，發(fā)揮細胞保護作用。這對于改善癌癥患者的 全身狀態(tài)和維護各系統(tǒng)功能，減輕治療的不良反應，具有極大意義。
辯證法認為，合理的就是合乎理性的，合乎理性的就是現(xiàn)實的。ROS和H2 是天生的一對冤家，H2 是天生的ROS克星。既然ROS 對癌癥發(fā)生、發(fā)展和轉移均有啟動和促進作用，那么H2 用于癌癥的預防和治療，將是合乎邏輯和天生合理的。
結語
氧化應激是許多常見疾病，包括癌癥的主要原因，比其他自由基清除劑相比，氫分子具有獨特優(yōu)勢：（1）氫可透過細胞膜，可以靶向細胞器，包括線粒體和細胞核，這是ROS生成的主要站點； （2）氫專門淬滅有害的ROS，如·OH和過氧亞硝酸鹽（ ONOO?），同時保持參與代謝氧化還原反應的無害ROS，如氧氣（O2）、過氧化氫(H2O2）和硝酸氧化物（NO）; （3）氫氣易于獲得，可被氧化，生成對我們身體安全而有益的水。
總體而言，H2通過在無細胞反應中與強活性氧物質反應，來降低與生活方式和環(huán)境相關的氧化應激的風險。對于氧化應激相關性癌癥，氫分子從癌癥發(fā)生、發(fā)展和進展，均有抑制作用，適用于——
· 在癌癥發(fā)生的高危人群（例如乙肝病毒、人類乳頭瘤病毒、EB病毒、幽門螺桿菌感染，長期吸煙史，長期接受輻射），H2 可預防癌癥發(fā)生，是為“一級預防”；
· 在接受常規(guī)治療（手術、消融、放療和化療）前的癌癥患者，預先使用H2 ，可作為“新輔助治療”，為進一步治療創(chuàng)造條件；
· 在接受常規(guī)治療（手術、消融、放療和化療）后的癌癥患者，H2 可作為輔助治療，消除/調(diào)控可能存在的殘存癌腫；
· 在接受了成功治療的癌癥患者，H2 可用于預防復發(fā)和轉移，是為“三級預防”;
· 常規(guī)治療失敗，或因高齡、體質差等原因，不能接受或拒絕常規(guī)治療的晚期癌癥患者，可以試用吸氫治療
氫分子對癌癥作用的研究尚在發(fā)展中。 有關H2 的生物學效應、藥代動力學、外源性H2和內(nèi)源性H2的關系，雖然有待進一步闡明，但臨床的檢驗似乎更為重要?，F(xiàn)有的H2 讓癌癥患者獲得顯著改善甚至“痊愈”的事實，已經(jīng)讓從事氫分子學基礎研究的專家興奮不已。
相信不遠的未來，這種從最便宜最易得的水獲取的H2 ，一定會在癌癥防治的整個系統(tǒng)中，發(fā)揮無可取代的作用。
主要參考文獻
1. Dole M, Wilson FR, Fife WP. Hyperbaric hydrogen therapy: a possible treatment for cancer. Science. 1975;190:152–154.
2. Ohsawa I, Ishikawa M, Takahashi K, et al. Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals. Nat Med. 2007;13:688–694.
3. Zhan Y, Chen C, Suzuki H, et al. Hydrogen gas ameliorates oxidative stress in early brain injury after subarachnoid hemorrhage in rats. Crit Care Med. 2012;40:1291–1296.
4. Sobue S, Yamai K, Ito M, et al. Simultaneous oral and inhalational intake of molecular hydrogen additively suppresses signaling pathways in rodents. Mol Cell Biochem. 2015;403:231–241.
5. Igarashi T, Ohsawa I, Kobayashi M, et al. Hydrogen prevents corneal endothelial damage in phacoemulsification cataract surgery. Sci Rep. 2016;6:31190.
6. Kikkawa YS, Nakagawa T, Taniguchi M, Ito J. Hydrogen protects auditory hair cells from cisplatin-induced free radicals. Neurosci Lett. 2014;579:125–129.
7. Tomofuji T, Kawabata Y, Kasuyama K, et al. Effects of hydrogen-rich water on aging periodontal tissues in rats. Sci Rep. 2014;4:5534.
8. Azuma T, Yamane M, Ekuni D, et al. Drinking hydrogen-rich water has additive effects on non-surgical periodontal treatment of improving periodontitis: a pilot study. Antioxidants (Basel) 2015;4:513–522.
9. Tamaki N, Orihuela-Campos RC, et al. Hydrogen-rich water intake accelerates oral palatal wound healing via activation of the Nrf2/antioxidant defense pathways in a rat model. Oxid Med Cell Longev. 2016;2016:5679040.
10. Yu S, Zhao C, Che N, et al. Hydrogen-rich saline attenuates eosinophil activation in a guinea pig model of allergic rhinitis via reducing oxidative stress. J Inflamm (Lond) 2017;14:1.
11. Xu FF, Yu SQ, Zhao CL, et al. Effect of hydrogen-rich saline on the CD4(+) CD25(+) Foxp3(+) Treg cells of allergic rhinitis guinea pigs model. Zhonghua Er Bi Yan Hou Tou Jing Wai Ke Za Zhi. 2017;52:506–511.
12. Zhao C, Yu S, Li J, et al. Changes in IL-4 and IL-13 expression in allergic-rhinitis treated with hydrogen-rich saline in guinea-pig model. Allergol Immunopathol (Madr) 2017;45:350–355.
13. Runtuwene J, Amitani H, Amitani M, et al. Hydrogen-water enhances 5-fluorouracil-induced inhibition of colon cancer. Peer J. 2015; 3:e859.
14. Terasaki Y, Ohsawa I, Terasaki M, et al. Hydrogen therapy attenuates irradiation-induced lung damage by reducing oxidative stress. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2011;301:L415–426.
15. Zhao S, Yang Y, Liu W, et al. Protective effect of hydrogen-rich saline against radiation-induced immune dysfunction. J Cell Mol Med. 2014;18:938–946. [
16. Meng X, Chen H, Wang G, et al. Hydrogen-rich saline attenuates chemotherapy-induced ovarian injury via regulation of oxidative stress. Exp Ther Med. 2015;10:2277–2282.
17. Liou GY, Storz P. Reactive oxygen species in cancer.Free Radic Res. 2010 May;44(5):479-496
18.Li HM, Shen L, Ge JW, Zhang RF..The transfer of hydrogen from inert gas to therapeutic gas. Med Gas Res. 2018 Jan 22;7(4):265-272.
19.Sabharwal SS , Schumacker PT. Mitochondrial ROS in cancer: initiators, amplifiers or an Achilles’ heel? Nat Rev Cancer. 2014; 14(11): 709–721.
20. Wang D, Wang L, Zhang Y et al. Hydrogen gas inhibitslung cancer progression through targeting SMC3. Biomed Pharmacother. 2018;104:788-797.
