氢气和颅脑损伤研究综述

Zhai J, Yang W. The Research Progress of Molecular Hydrogen in the Treatment of Traumatic Brain Injury: A Review[J]. 2024.

1. 引言

创伤性脑损伤，也称颅脑损伤，是由外伤引起的一种脑组织损伤形式，其影响深远且后果严重[1]。在当代社会，它已成为一个突出的关注点。据统计，全球每年因中到重度创伤性脑损伤导致残疾的人数高达8万人[2]。这种状况主要影响儿童和青年成人，使其成为中国死亡率和残疾率的主要原因之一[2,3]。创伤后创伤性脑损伤患者常常经历包括注意力下降、推理能力受损、记忆力减退、智力功能减弱以及运动技能受损等一系列认知功能障碍。长期以来，认知障碍被认为是导致创伤性脑损伤患者心理困扰、生活挑战和社会负担的主要因素[4,5]。目前，对于创伤性脑损伤中的认知功能障碍尚无有效治疗方法[4,6,7]。因此，探索新的治疗方法仍显得至关重要。Ohsawa在2007年的一篇报道中提到，吸入2%的分子氢可以有选择性地消除羟基（·OH）和过氧亚硝酸盐阴离子，从而显著减轻由脑缺血/再灌注引发的氧化应激损伤[8]。随后，分子氢的医学意义引起了广泛关注。此外，分子氢具有制备简便、成本低、作用快、无毒性和无残留等特点，因此在治疗脑损伤疾病的临床应用中展现出良好的前景。本综述主要介绍了分子氢在创伤性脑损伤治疗及其机理方面的最新研究进展，为进一步实验和临床研究分子氢在创伤性脑损伤治疗中的应用提供了新的思路。

2. 创伤性脑损伤后的免疫反应与调节

创伤性脑损伤涉及两个主要的病理阶段：原发性和继发性脑损伤。原发性脑损伤是由外伤时的直接机械力造成的，这种力量损伤了脑组织周围的血管、神经元和胶质细胞，导致多种慢性损伤。随着时间的推移，这些因素通过引起脑组织的缺氧和缺血而导致脑细胞水肿、颅内压增高、脑灌注压降低进一步加剧缺氧和缺血，触发继发性脑损伤。创伤性脑损伤的过程涉及各种机制，如去极化和离子平衡紊乱、神经递质释放、线粒体功能障碍、神经细胞凋亡、炎症因子释放、启动免疫反应等[9,10]。

研究表明，创伤性脑损伤后过度的免疫调节往往会导致一系列创伤后并发症的级联反应，这是创伤性脑损伤患者死亡的重要原因之一[11,12,13]。小胶质细胞是中枢神经系统内固有免疫系统的主要细胞成分，作为抵御伤害或疾病的首要防线，在创伤性脑损伤后的神经炎症中起着关键作用。研究表明，中枢神经系统内的小胶质细胞活化是异质性的，取决于表型激活，因此能够产生细胞毒性或神经保护作用[14]。活化的小胶质细胞表现出经典（M1）和替代（M2）激活表型。M1小胶质细胞通过释放与细胞死亡相关的炎症介质展现促炎特性。相反，M2表型则通过释放神经营养因子和其他抗炎剂发挥修复和保护功能。在适当的时间窗口内，特定阶段的M1/M2小胶质细胞的表型转换可能带来治疗效果[15,16]。

越来越多的证据表明，活化的小胶质细胞在创伤性脑损伤后的炎症反应中扮演着关键角色[17]。在创伤性脑损伤的二次损伤阶段，M1型小胶质细胞主要导致损伤，而M2型小胶质细胞则具有神经保护作用[18]。Wen等人发现，在创伤性脑损伤后，小胶质细胞的M1表型显著增加，伴随M2表型的减少。罗格列酮通过激活PPAR-γ促进小胶质细胞向M2表型的极化，从而减轻炎症，缓解皮层轴突损伤，并改善神经功能。相反，GW9662抑制了小胶质细胞向M2表型的极化，加剧了炎症和轴突损伤[16]。

传统上，免疫反应被分为先天免疫反应和适应性免疫反应。受伤后，先天免疫系统调节身体功能以防止再感染，这一现象被称为先天免疫记忆[19]。此外，免疫刺激还可以改变中风后的病理特征，并对脑缺血产生显著的保护作用[20]。最新的证据还表明，适应性免疫反应在阿尔茨海默病（AD）的发病机制中起作用[21]。

同时，研究也表明，小胶质细胞和星形胶质细胞的内在重编程与先天免疫记忆有关，而先天免疫反应的激活在刺激适应性免疫系统中起着关键作用[22]。先天免疫训练使先天免疫细胞能够回忆先前的炎症事件，这是骨髓细胞可塑性的一个重要机制，有助于随后的炎症调节。以前的研究表明，大脑免疫记忆主要依赖于小胶质细胞，这是对环境刺激的反应，随后改变了免疫反应[23]。因此，探索小胶质细胞免疫记忆的调节过程对于创伤后神经功能的治疗和恢复具有重要意义。

表观遗传修饰涉及基因表达水平的调控，被认为是许多疾病发病机制中的一个基本组成部分[24]。基因表达的调节，即表观遗传学，对于维持正常的细胞功能至关重要。组蛋白乙酰化是其中的关键机制之一，它促进DNA转录的活跃形式，而组蛋白去乙酰化导致相对的转录沉默[25]。小胶质细胞的表观遗传修饰是由周围免疫刺激触发的，导致相关基因的转录和功能随后发生变化。已经证实，在小胶质细胞的免疫记忆和免疫耐受过程中，组蛋白乙酰化修饰会发生变化[26,27]。

HDAC抑制剂在增加组蛋白H3乙酰化和减少创伤性脑损伤诱导的小胶质细胞炎症方面的有效性已得到证明。染色质组蛋白的乙酰化状态取决于两种酶的活性，即组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（HDAC），它们竞争组蛋白中的赖氨酸残基的乙酰化。通常，HAT负责乙酰化组蛋白中的赖氨酸基团，从而中和它们的电荷并促进更开放的染色质结构，使之处于转录活跃状态。相反，HDAC则起到去乙酰化和抑制转录的作用。染色质乙酰化的平衡的任何改变都会导致基因表达调控模式的变化[28]。

乙酰化组蛋白通过减轻炎症和抑制神经细胞凋亡，从而在各种神经系统疾病如脑缺血[29]、脑损伤[30]和脊髓损伤[31]中发挥神经保护作用。Moumita等人[32]发现，从成年小胶质细胞中去除组蛋白去乙酰化酶HDAC1和HDAC2可以有效减少淀粉样斑块并改善空间学习和记忆缺陷。体外研究也显示，HDAC抑制剂不仅减少了炎症标志物，还减轻了创伤性脑损伤引起的组蛋白H3乙酰化的减少，同时显示出减轻神经退行性变的趋势，因此展现出强大的神经保护特性[28]。因此，调节组蛋白乙酰化可以调控小胶质细胞的免疫记忆，从而影响创伤性脑损伤的进展。

3. 分子氢

分子氢被广泛认为是一种新颖的安全而有效的抗氧化和抗炎剂，其特点是通过降低羟基自由基（·OH）的水平、减少促炎细胞因子的表达以及激活多种疾病的抗氧化应激和抗炎通路，如心血管和脑血管疾病[33]、肿瘤[34]和神经退行性疾病[35]。到目前为止，尚未在人体内发现任何能够直接产生分子氢的内源性细胞[36]。目前，分子氢可以通过多种方式给药，包括高或低浓度吸入、富含氢气的盐水静脉注射、口服给药[37]。Chen等人的研究[38]表明，分子氢的神经保护作用可能与其浓度和剂量呈正相关。与低浓度吸入分子氢相比，高浓度的分子氢因其高扩散性、优异的生物膜通透性和组织分散能力，展现出更优的抗氧化应激反应、抗凋亡特性和抗炎效果。因此，吸入高浓度的分子氢可以迅速到达目标器官并发挥相应的治疗效果。

随机对照临床研究已经证明了分子氢吸入对急性脑梗死患者的神经保护作用和高生物安全性[39]。此外，我们的研究团队证明，高浓度分子氢吸入能促进神经功能恢复，减少术后脑水肿形成，减轻创伤性脑损伤后脑组织的病理损伤和神经元凋亡[40, 41, 42, 43]。这些发现共同表明，分子氢对急性创伤性脑损伤具有显著的保护作用，通过减少二次损伤，但其具体机制仍需进一步研究。

4. 高浓度分子氢在创伤性脑损伤中的治疗作用

分子氢在创伤性脑损伤中的治疗机制是多方面的，早期研究主要集中在其抗氧化、抗炎和抗凋亡作用上。然而，在本文中，我们强调了免疫记忆调节在创伤性脑损伤引起的炎症反应中的关键作用，以及分子氢通过调节小胶质细胞表型变化、维持M1和M2小胶质细胞之间的动态平衡并在创伤性脑损伤的病理状态下发挥抗炎作用的治疗潜力，这可能为创伤性脑损伤提供一个新的治疗靶点。

研究表明，活化的小胶质细胞通过产生各种促炎细胞因子和释放氧化产物在脑损伤中扮演关键角色[44]。研究发现，分子氢通过抑制M1小胶质细胞和促炎细胞因子的上调、促进小胶质细胞向M2极化，从而显示出神经保护作用[45, 46, 47, 48]。因此，分子氢在创伤性脑损伤中的治疗效果可能与调节小胶质细胞极化有关。

翻译成中文 5'-磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）作为细胞能量稳态的重要调节者，在代谢应激条件下协调分解代谢过程并抑制合成代谢途径[49]。它积极参与调控涉及整体细胞和生物体能量平衡以及葡萄糖和脂质代谢的酶的调节。AMPK在神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞中表达丰富，具有促进巨噬细胞/小胶质细胞向M2型极化的多种功能[50]。研究表明，富含氢的盐水可以通过激活AMPK来增强小胶质细胞的M2型极化，并对抗补体介导的突触丢失，从而改善新生儿缺氧缺血事件后的行为障碍[46]。在我们的未发表数据中，我们也证明了创伤性脑损伤损伤后AMPK的表达水平下调，而分子氢治疗激活了AMPK的表达并抑制了HDAC5/GSK3β/AKT信号通路，同时恢复了神经功能。

乙酰辅酶A（CoA）主要通过葡萄糖代谢产生，对于乙酰转移酶的活性至关重要。乙酰辅酶A的稳态在调节组蛋白乙酰化中起着关键作用，这与细胞增殖密切相关[25]。先前的研究表明，AMPK通过调节乙酰辅酶A水平和BET蛋白（溴结构域和额外末端结构域）的染色质招募来维持靶基因的表达[51]。此外，二甲双胍可以通过激活AMPK介导的组蛋白乙酰化来增强脑源性神经营养因子（BDNF）的表达，从而改善压力诱导的抑郁样行为[52]。最近的研究报道，AMPK还可以通过在Ser259和Ser498残基上磷酸化HDAC5来促进HDAC5的成核，抑制其作为组蛋白去乙酰化酶的作用[53]。因此，AMPK的缺失导致乙酰辅酶A和组蛋白乙酰化水平降低，分子氢可能通过抑制HDAC5和增加乙酰辅酶A来调节小胶质细胞组蛋白乙酰化。

GSK3β/PTEN/Akt轴及其信号通路与创伤性脑损伤的发病机制有关[54]。GSK3β蛋白是受HDAC调控的转录产物，而PTEN则是PI3K/Akt信号传导的负调节器。Wang等人[54]已经证明，HDAC抑制剂通过GSK3β/PTEN/Akt轴调节小胶质细胞/巨噬细胞极化，以减轻创伤性脑损伤中的白质损伤。通过增强GSK3β的表达，HDAC抑制剂促进了胞浆PTEN的磷酸化/失活，从而抑制了PI3K/Akt信号传导，并可能对小胶质细胞发挥抗炎和吞噬作用。因此，HDAC5可能通过促进GSK3β启动子的去乙酰化来调节小胶质细胞极化并加剧创伤性脑损伤。激活GSK3β/PTEN/Akt轴可能是氢气治疗创伤性脑损伤的下游机制。

5. 总结

分子氢最近被证明是一种理想的抗氧化和抗炎物质，具有抗炎、抗氧化和抗凋亡特性，对各种氧化应激和炎症损伤具有保护作用。它已显示出对广泛疾病的治疗潜力，且没有观察到任何毒性副作用。然而，分子氢治疗创伤性脑损伤（创伤性脑损伤）的具体机制仍不清楚。从前面的文本中，我们可以推测分子氢可以通过GSK3β/PTEN/Akt轴促进小胶质细胞组蛋白乙酰化，并进一步调节小胶质细胞向M2表型的极化，最终对创伤性脑损伤发挥治疗作用。这一概念揭示了分子氢针对创伤性脑损伤治疗的表观遗传调控机制，为针对性治疗策略和关于分子氢在创伤性脑损伤治疗中的基础研究提供了理论基础。