随着核能技术在国防、工业、农业、医疗、能源等国民经济各领域的普及应用, 核能在给人类带来巨大益处的同时, 也给当今世界带来严重的辐射危险。特别是日本福岛核事故的发生, 使人们更加关注电离辐射带来的损伤效应。电离辐射除直接作用外, 还可使生物体内的水分子发生反应, 生成各种有活性的自由基, 从而引起损伤效应。其中60%~70%的损伤效应是由羟自由基引起的^[1]。目前对辐射损伤防护剂的研究多集中在细胞生长因子、含硫化合物、激素、维生素E、一些植物提取物及中草药等。但还未发现一种比较理想的辐射防护药物。氢气一直被人们当作是生理学惰性气体, 但近几年来的研究发现, 氢气对许多疾病模型都有良好的保护治疗作用, 并引起了研究氢气治疗疾病的热潮^[2]。同时, 国内外一些学者也开始研究氢气在辐射防护领域的作用, 并报道了一些可喜的研究成果。本文现将氢气对电离辐射损伤防护作用的研究进展综述如下。

1 氢气对电离辐射损伤的保护作用

在上世纪80年代, Buxton等人证明在溶液中氢气可与羟自由基直接反应^[3], 但这并没有受到生物学家重视。2007年, 日本的Ohsawa教授领导的课题组在Natural Medicine上报道动物呼吸2%的氢气就可显著改善脑缺血再灌注损伤^[4]。这一报道在生物、医学领域引起了广泛的关注。有人大胆预测, 氢气将成为一种新型的辐射防护剂^{[5, 6]}。

Terasaki等^[7]用富氢PBS液和培养基处理人肺上皮细胞A549后, 让细胞接受10Gy照射, 氢气可明显减轻细胞损伤, 增加细胞活力; 让C57BL/6J雌性小鼠接受15Gy的胸腔照射, 氢气治疗组在接受照射同时吸入3%的氢气并在照后持续饮用富氢水, 照后1周, 通过免疫组化和蛋白印迹检测, 氢气可减轻肺组织的氧化损伤和凋亡, 照后5个月, 氢气治疗组小鼠肺组织的纤维化明显减轻。Qian等^[8]让BALB/c小鼠照前24h饮用富氢水, 接受7Gy的全身照射后, 持续饮用富氢水, 结果表明, 对照组小鼠在照后13d的死亡率为90%, 而富氢水治疗组小鼠在照后30d的存活率为80%; BALB/c小鼠同上饮用富氢水后, 心脏接受15Gy的局部照射, 照后24h和100d处死动物, 制作心脏的组织切片, 通过组织学观察评价心脏的辐射损伤效果, 照后100d的结果表明, 氢气对辐射引起的心脏损伤有明显的保护作用。Qian等^[9]的研究还发现, 照前用富氢PBS液处理, 可显著抑制辐射引起的肠隐窝细胞HIEC凋亡, 增加细胞活力; 可显著增加人淋巴细胞AHH-1的内源性抗氧化剂(SOD、GSH)浓度, 降低MDA、8-OHdG的浓度。Chuai等^[10]对雄性C57BL/6小鼠在照前5min腹腔注射富氢生理盐水, 然后接受5Gy的全身照射, 结果表明, 氢气可减轻辐射对睾丸的急性氧化损伤, 减轻精原细胞的凋亡, 显著增加精子的生成和精子的质量。辐射诱导的小鼠胸腺淋巴瘤是经典的辐射致癌动物模型之一, Zhao等^[11]的研究发现氢气还可预防辐射诱导的小鼠胸腺淋巴瘤的形成。此外, 氢气对放疗病人也有显著保护作用。Kang等^[12]对接收放疗的恶性肝癌患者研究发现, 饮用6周氢水能降低血液中活性氧代谢产物, 维持血液抗氧化能力, 显著提高肝癌患者的生活质量。同时Chuai^[13]也提出, 胸部放疗病人通过雾化吸入富氢溶液可能会有效防止辐射性肺炎的发生, 提高病人对辐射的耐受性和生活质量。

2 氢气作用的可能机制

氢气的生理活性机制现在还处于研究阶段。目前比较认可的氢气作用机制是氢气具有选择性抗氧化作用。自由基是维持正常生命所必需的物质, 自由基反应是能量代谢的基础, 部分自由基是细胞内重要信号分子, 同时自由基也是生物大分子、细胞的危险杀手^[2]。体外研究表明, 氢气分子可选择性的将活性氧簇中活性强的羟自由基(·OH)和过氧亚硝基阴离子(ONOO^-)还原, 而对活性较弱的活性氧则没有作用^[4], 即在不扰体内正常的氧化还原反应和正常自由基信号分子的前提下, 起到保护机体的作用。但此种解释仍存在许多疑问, 饱和氢水中氢气的浓度只有0. 8mM, 而实际上, 只需饮用0. 04或0. 08 mM的氢水就是有效的, 并且氢在体内存在的时间非常短。这些氢气不足以清除体内大量的而且是持续产生的自由基。虽然有研究表明氢气可以在肝脏肝糖原蓄积, 但蓄积的氢气量也不足以发挥其所有的功能^[14]。

另外一个可能的机制是信号分子机制。氢气可能以一种信号小分子形式在体内发挥作用。Itoh等^[15]在小鼠模型上研究发现, 摄入富氢水可以预防Ⅰ型变态反应(其发生通常认为跟氧化应激无关)发生。在培养的IgE致敏的大鼠白血病细胞RBL-2H3(代表肥大细胞)中研究发现, 氢气可以抑制FcεRI结合的Lyn磷酸化以及其下游的信号转导, 从而最终抑制NADPH氧化酶的活性并且减少过氧化氢的生成。NADPH氧化酶产生的过氧化氢是一种信号分子, 可以促进FcεRI介导的信号通路发生。表明氢气可以通过抑制IgE的高亲和力受体FcεRI介导的信号转导来减轻细胞的脱颗粒作用。Itoh等^[16]还在鼠巨噬细胞RAW264上研究发现, 用氢气处理细胞后, 可以减少LPS/IFNγ诱导的NO释放, 从而降低对iNOS的诱导; 氢气还可以抑制LPS/IFNγ诱导的凋亡信号调节激酶1(ASK1)磷酸化, 以及它的下游信号分子MAPK p38、JNK以及IκBα, 但并不会影响NADPH氧化酶的活化和活性氧簇(ROS)的生成。这些结果表明氢气分子可能是一种信号调节分子。

此外, 一些实验室的研究表明动物饮用氢水后, 可以引起体内跟物质代谢相关的蛋白基因表达改变。Nakai等^[17]研究发现, 4周龄雄性大鼠饮用氢水4周后, 用DNA微阵列检测肝脏基因表达情况, 结果有548个基因上调, 695个基因下调。通过基因本体论分析(gene ontology analysis)表明在上调基因中, 跟氧化还原蛋白相关的基因富集, 其中包括CoA还原酶。上调的基因中还包括跟甾族化合物代谢相关的蛋白, 比如Cyp27a1、Hsd17b6和Sc5d1;跟氨基酸代谢相关的蛋白, 比如Cdo1、Glud1和Prodh; 以及跟固醇生物合成过程、细胞碳水化合物合成过程、糖原代谢过程、辅酶代谢过程相关的蛋白。但是并没有直接的证据表明氢气可以直接影响基因的表达, 氢气的作用机制可能是通过减少细胞内的ONOO^-, 来间接调节基因表达^[18]。ONOO^-是一氧化氮(NO·)和超氧阴离子(·O₂^-)反应的产物。跟·OH不同, ONOO^-的寿命要长, 可通过硝化目标蛋白来调节基因表达^[19]。

3 氢气的使用途径、保存方法及生物安全性

机体摄取氢气的方法有许多。第一种是可通过肺吸入氢气。但氢气由于其有易燃易爆性, 由呼吸摄入氢气在使用上有一定局限性。我国氢分子医学研究的带头人孙学军教授, 通过一定压力将氢气溶解于生理盐水, 制成饱和溶液, 使其可以通过静脉注射给药, 增加了氢气应用途径, 提高了安全性。第三, 可以通过饮用氢水的办法摄入氢。此外, 还可以通过含氢生理盐水滴眼、用含氢水洗澡等, 甚至还可以通过增加肠道细菌产生氢气量来摄入氢^[20]。

氢气的穿透性很强, 可以穿透玻璃、PET等材料, 因此这些材料不合适作为氢水的容器。现在一般的做法是使用铝袋等氢难以透过的材料作为容器, 则可以比较长时间的保存氢水。另外, 氢气在水中的溶解度还受到温度的影响, 温度越低, 可溶解于水中的氢气越多。但是如果温度低于4℃, 则氢在水中的溶解会受到影响。

氢气无色、无味, 在水溶液中为中性, 对人体非常安全, 氢气在潜水中已早有应用, 即使呼吸几十个大气压的氢气, 对人体也仅有一点麻醉作用(麻醉作用比氮气小许多)。目前一些专门针对氢气的安全性评价研究也表明氢气无毒副作用^[21]。

4 展望

从2007年日本Ohsawa教授发表第一篇文章至今, 短短几年时间, 世界范围内掀起了对氢气生物学效应研究的一个高潮。氢气已经证明对辐射引起的小肠、心脏、肝脏、生殖细胞损伤具有明显的保护作用。此外, 目前的研究已表明氢气对脑、脊柱、眼、耳、肺、心、肝、肾、胰腺、肠、血管等全身多个脏器的疾病以及代谢系统疾病、炎症及变态反应疾病均有明显的疗效, 适应症多达38种^[20]。

随着氢气的生物活性作用的研究深入, 氢气在辐射防护领域的研究也将更广泛的开展开来。现在已有学者提出宇航员可以通过摄入氢气来防治太空辐射造成的损伤^[22]。氢气可能是继NO、CO、H₂S之后的第四种"活性"气体信号分子。