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氢气防治肾脏疾病研究进展【综述】 精选

已有 2832 次阅读 2024-5-12 17:23 |个人分类:氢气生物学|系统分类:科研笔记

氢气防治肾脏疾病研究进展

海军军医大学附属医院

氢气,无色无味的气体,作为新兴的医用气体,目前的研究证据都表明了其确切的医用价值和稳定的安全性,因而在医学方面的应用受到越来越多学者的重视[1]。随着研究的深入,对于氢气药理作用和生物机制有了更多的研究成果。如:抗氧化、抗炎、抗凋亡(促自噬)、调节代谢等作用。因此氢气的作用机制决定其在各个系统的疾病中均有应用价值,在治疗和保健方面都显示出了巨大的前景。氢气在改善心肌缺血的辅助治疗,脑血管疾病23]的保护作用,急性肾损伤、慢性肾脏病4]的保护和减缓进程作用以及肺损伤、哮喘[5]、慢阻肺[6]等等各种病因所致的各系统疾病的研究和应用,都不断有新的成果。

[1]董文豪,郭志勇.氢气在肾脏疾病方面的预防和治疗作用最新研究进展[J/OL].中国中西医结合肾病杂志:1-5[2024-05-12].

氢气在肾脏疾病方面的预防和治疗作用最新研究进展 - 中国知网 (cnki.net)

我国有庞大的肾脏病病人基数,慢性肾脏病的总患病率约10.8%I⁷]。各种病因造成的肾脏疾病,伴随着组织学的炎症、凋亡、氧化抗氧化失衡,代谢指标的异常,最终都可能进展到慢性肾衰竭,最后进入到透析,给患者、家庭和社会带来沉重的负担。急性肾损伤针对病因治疗,稳定度过急性期后,肾功能可以恢复;对于进展至慢性肾脏病的病人,如何维持患者的肾功能,改善症状,延缓进展,一直以来都是研究热点。近些年,氢气在肾脏疾病方面的研究和应用也逐渐增多。笔者围绕氢气对肾脏不同疾病的预防、治疗作用和机制进行综述。

1  急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)

AKI主要表现为短期内血肌酐快速升高和尿量减少,造成AKI的原因根据解剖学简单分为肾前性、肾性和肾后性。具体病因,有肾灌注不足、心肾综合征、肾毒性AKI、脓毒血症、大手术、腹内高压、急进型肾炎、急性间质性肾炎、泌尿系梗阻等I⁸]。不同病因造成的AKI其病理生理机制有所不同,治疗后转归也有差异。肾前性AKI,即各种原因造成肾血流不足,引起的急性损伤。心脏功能下降、大量失血失液、低血压休克等病因,肾脏处于缺血缺氧状态,部分细胞可能出现坏死凋亡等现象,继发炎症细胞参与,细胞再生和修复的过程也激活了纤维化的进程。肾性AKI:常见病因有肾毒性药物损伤、急进型肾炎、急性间质性肾炎等。各种病因作用于肾组织,引起肾小球、肾小管、肾间质快速损伤,炎症细胞浸润,通常还有免疫细胞参与。肾后性AKI:通常是泌尿系统结石、肿瘤等引起梗阻,尿液蓄积压迫肾脏组织引起损伤。这一过程主要是肾实质受压,肾小管压力增加、肾小球灌注不足,出现肾小管上皮细胞的坏死、肾小球缺血缺氧引起的炎症反应。快速解除梗阻对于恢复肾功能意义重大。此外,有相当一部分病因是混合复杂的,脓毒血症后AKI,可能伴感染性休克,肾灌注不足,同时因为全身炎症反应,大量炎性因子会刺激和损伤肾组织。综合各种病因,AKI的发病机制中基本都包括炎症反应和氧化应激的参与,组织细胞坏死和凋亡,炎症后修复过程刺激了纤维化的进程,结局并不确定,可能恢复、转为慢性肾脏病(chronic kidney disease,CKD)、或进展为终末期肾病(end-stage renal disease,ESRD)。

1.1  脓毒血症后AKI  

脓毒血症是机体严重感染的状态,可以导致感染性休克,器官的有效灌注严重不足和全身的炎症反应,病情通常十分凶险。常常引起AKI,心肌和脑组织的损伤。而氢气在脓毒血症的治疗过程的运用,可以消除活性氧保护心肌线粒体,减少炎症,保护心肌和脑组织[9];对于肾脏的保护作用也是明确的,机制包括抗炎、抗氧化、改善缺血再灌注、促进自噬作用[10]。氢气促进巨噬细胞由Macrophage 1型(M1)向Macrophage2型(M2)转化,M2巨噬细胞既能分泌抗炎分子,又能产生促进组织修复和再生的生长因子[1]。

1.2  烧伤后AKI  

严重烧伤状态下常有大量失液,可能会引起低容量性休克,导致AKI的发生,同时由于伴高度感染风险,病情凶险。有研究表明富氢水处理的烧伤后AKI模型大鼠,可以抑制氧化应激、炎症反应和凋亡。相比对照组,富氢水处理组肾损伤的指标更低,肾脏的病理也较轻。测定炎性介质提示这一过程可能通过调控丝裂原活化蛋白激酶(mitogen ac-tivated protein kinase,MAPK)、蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/AKt)和核因子kB蛋白(nuclear factor kB protein,NF-kB)信号通路介导的。具体来说,富氢水可下调p38、JNK和ERK磷酸化(均属于MAPKs通路,p38、ERK激活促进炎症反应,JNK激活促进凋亡,同时ERK通路可上调NF-kB通路),上调AKt磷酸化[2|(AKt激活是重要的抗凋亡因子),下调NF-kB通路[NF-kB参与多种因素如缺血再灌注损伤、休克、脂多糖等因素造成的AKI病程中的炎症反应,活性氧(reac-tive oxygen species,ROS)参与这一通路激活],实现其抗炎、抗氧化和抑制凋亡的作用。炎症和凋亡的通路存在交叉,始动因素之一是ROS的生成,而氢气特异性作用于ROS,进而抑制下游通路激活。

1.3  手术后失血致AKI  

肝移植术后缺血再灌注损伤,引起AKI,富氢水可通过抑制细胞凋亡和促进激活p53介导自噬,细胞凋亡的原因是氧化刺激因素的增多和抗氧化因素的减弱,富氢水可通过降低丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量,上调超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性,减轻细胞凋亡和氧化损伤[13]。在一项单侧肾脏缺血再灌注损伤引起对侧肾脏和心脏改变的大鼠实验中,无限制饮用电解水相较于普通水,在组织学上的改善作用明显,但是在机制的探究方面未作深入研究,初步分析可能在猝灭超氧化物等抗氧化机制方面发挥作用[14].

1.4复合因素  

急性胰腺炎引起的AKI,包括血容量不足的肾前性因素,也包括内毒素、各种酶、炎症介质对肾本身的损伤。急性胰腺炎的氧化应激因素,ROS增加,氢气可以特异性作用于有害ROS,氢气的作用机制还涉及NF-kB通路,通过抑制IkB的分解,进而抑制NF-kB的激活;富氢水处理后,白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor -alpha,TNF -α)、白细胞介素-1β(IL-1β)下降,白细胞介素-10(IL-10)升高,降低髓过氧化物酶[(myeloperoxidase,MPO)一种中性粒细胞浸润的生物标志物,提示肾脏的损伤],起到减轻氧化应激和炎症损伤,进而保护肾脏的作用[15]。

1.5  肾性

1.5.1  药物诱导的肾毒性  

在四氯化碳(carbon tetrachloride,CCL4)诱导的AKI小鼠模型动物实验中10,饱和氢水处理CCL4诱导的小鼠AKI模型,可显著减轻肾功能损伤,作用机制包括抑制炎症[TNF-α、IL-8、干扰素-c(interferon-c,IFN-c)表达下降]、抑制氧化应激(MDA下降、SOD升高),此外研究还探究了其更进一步信号通路的作用:饱和氢部分抑制了JAK2和STAT3的激活,降低活性氧水平,其下游p56信号蛋白的激活受到抑制,对于氧化应激和炎症因子的调节起到作用,调节MDA、SOD、IL-6、TNF-α和各种趋化因子的水平。对于顺铂、卡铂引起的AKI,目前没有氢气对其治疗的相关研究。

1.5.2  急性肾小管损伤  

通过往大鼠肌肉组织注射甘油造模,可形成横纹肌溶解后AKI模型,研究表明AKI模型对照组的组织学损伤评分升高,血清肌酐、尿素和肌酸激酶升高,肾组织活性氧升高,MDA、8羟基脱氧鸟苷(8 hydroxydeox-yguanosine,8-OH-dG)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione per-oxidase,GSH-PX)、IL-6和TNF-α均升高。富氢水预处理后,可通过抑制氧化应激和炎症反应,改善上述肾损伤指标,而且较高浓度的氢表现的效果更好,但是没有发现剂量效应关系。具体来说:吸入氢气可以引起SOD、GSH升高,清除活性氧,脂质过氧化物降低;肌肉注射甘油后IL-1β、TNF-α、肌红蛋白、活性氧的过量生成和NF-kB,吸入H₂可在转录水平上降低NF-kB、IL-1β和TNF-α的表达,MCP-1的显著增加被抑制,MCP-1是巨噬细胞趋化和激活的关键分子;阻断损伤肾中Caspase-3的切割,显著抑制AKI组肾组织中Bax的表达[7],抑制凋亡。另一项富氢水在甘油诱导横纹肌溶解AKI预处理实验中,治疗组氧化应激和炎症水平下降(治疗组ROS、MDA、8-OH-dG、GSH-PX水平明显下降,SOD活性升高,IL-6、TNF-α浓度降低)[18]。该实验也发现高浓度应用效果更好。

1.6肾后性AKI 

通过手术结扎大鼠输尿管造模[19],形成肾后性的AKI。氢水处理组相比与对照组,肾脏的损伤指数、凋亡指数明显降低,肾脏纤维化和巨噬细胞浸润受到抑制,MDA水平明显降低,SOD活性显著提高。UUO模型中,使用富氢水后纤维化、肾功能好转;TGF-β₁诱导Sirt1表达下调进而引起EMT,是一条纤维化的通路机制,细胞试验显示,HK-2细胞中,HW预处理可消除TGF-β₁诱导的EMT,而使用Sirt1抑制剂Sirtinol逆转了HW对TGF-β₁诱导的EMT的抑制作用,也证实了这一机制20]。也有研究探索了氢气对于草酸钙诱导肾损伤的保护作用,除了原先在抗炎抗氧化等方面的机制解释,进一步分析了其代谢组学21]。经氢气处理后,有多种血浆和尿液的代谢物恢复正常水平,主要集中在氨基酸、脂肪酸、磷脂代谢等,进而可以解释氢气对于预防草酸钙致肾结晶和结石的作用。

2  慢性肾脏病(CKD)

2.1 CKD的病因  

有糖尿病肾病,高血压肾小球动脉硬化,肾小球肾炎等等,我国的首要病因是原发性肾小球肾炎,国外则是糖尿病肾病。随着时代发展,我国的高血压、糖尿病患者也在逐渐增多,相应的因为糖尿病肾病致CKD的患者也越来越多。既往研究证实,高血压、高血糖等代谢疾病是CKD发生和进展的重要因素,其他诸如感染、休克、梗阻等因素是CKD急性进展的常见诱因。因此,针对上述的各种病因诱因,氢气在抑制炎症、氧化应激、调节代谢22]等方面的作用,有许多研究证实其对CKD的重要应用价值。

2.2 CKD晚期的造模  

5/6肾切除大鼠模型中,模拟CKD晚期症状,模型对照组出现严重的肾脏损伤,表现为肾功能障碍、高血压和显著的组织病理学损伤,与中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白(NGAL)和MDA水平升高、氧化/抗氧化失衡以及NF-kB和caspase-3蛋白过表达有关;氧化应激促进了小管扩张,形成碎片、扩大Bowman空间,激活炎症细胞促进TGF-β、NF-kB和L-1等炎症因子释放,诱导凋亡的发生12。而予供氢治疗后,显著降低NGAL浓度、血肌酐水平,改善氧化/抗氧化失衡、抗炎症和抑制凋亡,改善肾功能障碍。

2.3  对肾脏的直接保护作用  

大鼠大部肾切除模拟CKD晚期病人,予以硅基析氢的药物,对比对照组,大大抑制血清肌酐和尿蛋白水平的升高,氧化应激的指标均被显著抑制。组织病理学检查显示,治疗可抑制肾小球肥大。实时定量逆转录聚合酶链反应显示,NAD-依赖性去乙酰化酶(sirtuin-1)和血红素加氧酶-1在硅基制剂组表达增加,表明抗氧化活性提高,缺氧减少。硅基制剂组caspase-3、IL-6表达受抑制,细胞凋亡和炎症反应减轻[24]。

2.4对血压的作用  

在一项动物实验中,以大鼠大部肾切除模拟晚期肾病患者,吸入氢气对于其血压的控制有明显的积极作用。实验证实在切除部分肾脏手术完全康复后再行吸氢治疗,仍有明确的降压效果,通过持续监测血压变化,实验发现这种降压的机制与抑制交感兴奋性和增强副交感神经的作用有关[29]。

2.5血糖代谢

在糖尿病大鼠模型实验中[26],饮用氢水可以抑制氧化应激和炎症反应,空腹血糖低于对照组,脂代谢相关指标TG、TC、LDL显著降低,肝、肾、脾的病理也表现出细胞的肿胀、空泡化程度减轻,信号分子中血清SOD水平显著升高。另一项研究使用共生藻产氢凝胶作用于糖尿病伤口,结果表面其可以清除活性氧,促进伤口愈合2]。可见氢气在调节血糖和帮助治疗糖尿病并发症等方面的作用。

2.6脂质代谢

过氧化氢(H₂O₂)和12-肉豆酸13-乙酸酯(PMA)均能促进脂肪细胞的脂质累积和炎症反应28],而氢水处理可以显著抑制H₂O₂或PMA刺激的脂肪细胞及ROS生成,提示氢水可以抑制氧化应激、炎症反应和脂肪形成。另外在喂食高脂果糖饮食造模脂肪肝大鼠的研究中,也发现吸入氢气减少了大鼠的体重增加、腹部脂肪指数、肝脏指数和体重指数等,并降低了糖耐量试验曲线下总面积,同时改善了肝脏脂肪含量和转氨酶升高。组织病理学变化也证实氢气吸入组的脂质沉积水平更低[29]。

2.7  尿酸代谢  

暂没有单独针对氢气在高尿酸和痛风方面应用的研究,但是在一项动物实验中,揭示生理条件下长期应用氢气后显示出降尿酸的作用[2]。

2.8  在肠道代谢方面的影响  

有研究表明肠道本身的细菌即可产生少量氢气30],作为信号分子进入人体发挥作用。饮用富氢水和吸入氢气的作用效果并不一致,饮用富氢水对于胃肠道作用会更大,一项研究结果表明饮用富氢水后会引起肠道微生物菌群的变化,而吸氢气组未见菌群变化。而这种变化对于其脂质代谢方面的作用也有不同效果[31],提示不同的摄入氢气的方式可能会对不同系统疾病的作用程度不一致。

2.9改善症状,减缓疲劳[2]方面的应用  

除了代谢指标的变化,氢气治疗在抗慢性疲劳方面也有作用。慢性疲劳往往与长期病程有关,CKD的患者常常需要坚持药物治疗,各系统症状也会影响生活质量,心理压力的来源还包括经济和对病情的担忧等等。所以改善CKD患者的生活质量,有利于其建立治疗信心。有研究证明许多情况下的疲劳是由于乳酸堆积、活性氧积累,而摄入氢气是有益的[33],因而考虑长期摄入氢用以改善CKD病人的生活质量,也是很有意义的。

3  透析

3.1  腹膜透析  

在高糖诱导的腹膜纤维化小鼠模型中,通过腹腔注射富氢水可以抑制纤维化的进程,这个过程可能是通过消除细胞内ROS,抑制PTEN/AKT/mTOR通路的激活完成的[34]。在急性腹膜炎的治疗中使用富氢水灌洗腹腔39],也有积极的效果。长期腹透病人容易出现腹膜纤维化,进而影响后续的透析效率,而腹透液加氢或许可以减缓这一进程。在另一项临床试验中,加氢腹透液相较于单纯腹透液,间皮细胞数量增加,腹膜厚度减少,提示氢气可能具有改善腹膜透析液诱导的腹膜损伤的作用[36]。

3.2  血液透析  

在一项电解水血液透析前瞻性观察研究中137],对比了电解水血透组和传统血透组的主观症状如疲劳、瘙痒等症状和客观数据如血压、代谢指标的差异,多因素分析显示,电解水透析是减少降压药的使用,改善疲劳、瘙痒症状的显著因素。

4  肾脏移植

关于移植方面,主要问题是移植后出现的炎症反应和氧化应激,还有缺血再灌注损伤和免疫排斥等。由于缺少氢气在肾移植应用的实验和临床研究,笔者同时查阅了其他器官移植时应用氢气的研究。有多项研究指出氢气对于肺移植的有益作用38],氢气可以上调水通道蛋白Aquaporin-1、AQP-1和Aquaporin-5、AQP-5的表达减轻肺水肿,激活Keap1/Nr2信号通路对氧化应激损伤具有保护作用,抑制NF-kB的活性,降低炎症和细胞凋亡,抑制p38,MAPK通路以减少炎症。目前肺移植的氢气应用还处在临床前阶段,因为机制并没有完全清楚,但很多动物实验中证实了氢气在抗氧化应激、抗炎症、抗凋亡、减轻缺血再灌注损伤等方面可能有积极作用。在一项犬左肺移植的研究中,通过富氢保存液保存的器官在移植后其血氧饱和度、组织凋亡的指标等均明显优于对照组[39]。关于移植后免疫排斥反应,有研究证实氢分子在慢性移植物抗宿主患者中具有良好的缓解率,总缓解率可达74.7%,同时安全性可靠[40]。小型猪模型验证了氢气治疗在移植中的积极作用,经含氢保存液处理的边缘肾可以长期移植(超过100 d),少数出现慢性排斥反应;大多数没有诸如慢性纤维化或血管炎等慢性排斥反应[41]。氢气在肾移植中的应用研究相对较少,集中在改善器官保存液方面。富氢器官保存液可以降低肾移植早期的氧化应激,减少肾小管凋亡和间充质巨噬细胞浸润[42]。

5  保健作用

人体可以处在疾病和健康之间的中间状态,即亚健康。这种状态下,机体通常存在慢性炎症143],代谢指标的异常,但是并未达到疾病的诊断标准。如果不利因素持续存在,或者有新的刺激因素作用,就会进入疾病状态。有实验证实氢气在生理状态下对于内脏器官也有保护作用,还可以调节糖脂代谢、长期效应有降尿酸作用等[23]。氢气在全身的抗炎作用是肯定的,在慢性肾脏病临床诊断前或者早期的病人中,检验指标轻度异常,肌酐短期轻度升高,出现少许镜下红细胞、白细胞等情况时,除了常规的药物治疗和生活方式改变,辅以摄入氢水保健,或许对患者更加有益。

6  其他肾脏疾病

多囊肾病[4]:常染色体显性/隐形遗传病,通常的表现是肝脏和肾脏的多发囊肿,如果囊肿过大,会出现压迫肾实质的结果,进而引起肾功能的下降。有研究发现氢气在改善肾囊肿损伤指标和减低肾功能损伤的方面效果明确;机制可能与mTOR通路抑制相关,在小鼠模型中,mTOR通路的激活促进上皮细胞的增生,在使用mTOR抑制剂后囊肿增大受到抑制,在富氢水减慢腹膜透析纤维化的实验中也提示了氢气也具有抑制mTOR通路的作用34]。但是也有研究结果表明大量饮用富氢水与正常水没有明显差异,研究者表示结果的不同可能与氢气摄入方式和作用时间的长短有关[45]。

7  总结

目前氢气对肾脏疾病预防和治疗的各项研究都需要更多的数据支持,尤其需要加快推进其临床的应用,特别是在病人基数特别大的CKD透析方面。前人的研究已经充分证实了各种方式摄入氢的安全可行性,包括吸氢气、口服富氢水、硅基产氢剂、共生产氢藻类等;也在氢气作用肾脏疾病不同的机制方面进行了探索,主要集中在抗炎、抗氧化、抑制凋亡和调节代谢等方面。但是具体的信号通路方面纷繁复杂:(1)MCP-1的显著增加被抑制,抑制M1型巨噬细胞趋化激活,促进巨噬细胞由M1向M2转化,进而减少炎性介质释放和炎细胞聚集;

(2)氢气针对性清除ROS,进而抑制MAPK、PKB,抑制IkB的分解,进而抑制NF-kB信号通路,部分抑制了JAK2和STAT3的激活,降低活性氧水平,其下游p56信号蛋白的激活受到抑制,下调p-p38/p38、p-JNK/JNK和p-ERK/ERK比值,并上调Akt磷酸化,起到抗炎和抗凋亡的作用;(3)促进激活p53介导自噬,阻断损伤肾中Caspase-3的切割,抑制AKI肾组织中Bax的表达,抑制凋亡、促进自噬;(4)氢气通过抑制TGF-β₁诱导的Sirt1表达下调,以及抑制PTEN/AKT/mTOR通路的激活,起到促进EMT,改善纤维化作用等。今后氢气在肾脏疾病应用的研究方向可以在以下几个方面:摄入氢气方式优劣的探究;氢气剂量效应关系,注重血中氢气浓度的意义;氢气的具体作用通路和机制串联等等。可以预见的是,在不久的将来,氢气作为新的治疗手段,会给肾脏疾病的治疗带来更多新的方法和思路。



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