氢气在创伤性脑损伤中的作用机制研究进展

氢气（Molecular Hydrogen）作为一种具有强效抗氧化和抗炎作用的医用气体，对多种疾病具有显著的治疗潜力。创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI）常伴随严重的认知功能障碍，其发病机制复杂且预后较差。近期研究表明，吸入高浓度氢气可改善创伤性脑损伤患者的预后，但其具体作用机制尚不明确。本文就高浓度氢气在创伤性脑损伤中的作用机制进行综述，探讨其与AMPK（腺苷酸活化蛋白激酶）、HDAC5（组蛋白去乙酰化酶5）、乙酰辅酶A（acetyl-CoA）、小胶质细胞组蛋白乙酰化及GSK3β/PTEN/Akt信号轴的关联，为氢气在创伤性脑损伤治疗中的进一步实验研究与临床应用提供理论基础。

 1. 引言

创伤性脑损伤（TBI）又称颅脑损伤，是由外伤导致的脑组织损伤，可产生严重且深远的影响[1]，已成为当今社会关注的重点健康问题之一。据统计，全球范围内每年因中重度创伤性脑损伤致残的人数高达8万人[2]。该病好发于儿童和青壮年群体，是我国人口死亡和残疾的主要原因之一[2,3]。创伤性脑损伤患者在受伤后常出现多种认知功能障碍，包括注意力下降、推理能力受损、记忆力减退、智力水平降低及运动功能障碍等。长期以来，认知障碍被认为是导致创伤性脑损伤患者出现心理困扰、生活不便及社会负担加重的主要因素[4,5]。目前，针对创伤性脑损伤所致认知功能障碍尚无有效治疗方法[4,6,7]，因此，探索新的治疗手段具有重要意义。

2007年，Ohsawa等人发表研究指出，吸入2%浓度的氢气可选择性清除羟基自由基（·OH）和过氧亚硝酸盐阴离子，从而显著减轻脑缺血再灌注引起的氧化应激损伤[8]。此后，氢气的医学价值受到广泛关注。此外，氢气还具有制备简便、成本低廉、起效迅速、无毒无残留等优势，在脑损伤相关疾病的临床治疗中展现出良好前景。本文主要综述氢气在创伤性脑损伤治疗中的最新研究进展及其作用机制，为氢气在创伤性脑损伤治疗中的进一步实验研究与临床应用提供新思路。

2. 创伤性脑损伤后的免疫反应及调控

创伤性脑损伤的病理过程主要分为两个阶段，即原发性脑损伤和继发性脑损伤。原发性脑损伤是由外伤时的直接机械力作用引起，导致脑组织周围的血管、神经元及神经胶质细胞受损，进而引发多种慢性损伤。随着时间推移，这些因素会导致脑组织缺氧缺血，引发脑细胞水肿、颅内压升高、脑灌注压下降，进一步加重缺氧缺血状态，最终诱发继发性脑损伤。创伤性脑损伤的病理机制涉及多种过程，如去极化与离子稳态紊乱、神经递质释放、线粒体功能障碍、神经细胞凋亡、炎症因子释放及免疫反应激活等[9,10]。

研究表明，创伤性脑损伤后过度的免疫调控常引发一系列创伤后并发症，是导致创伤性脑损伤患者死亡的重要原因之一[11,12,13]。小胶质细胞作为中枢神经系统内固有免疫系统的主要细胞成分，是抵御损伤或疾病的第一道防线，在创伤性脑损伤后的神经炎症反应中发挥关键作用。研究发现，中枢神经系统内小胶质细胞的活化具有异质性，且依赖于其表型活化状态，因此既能发挥细胞毒性作用，也能产生神经保护效应[14]。活化的小胶质细胞主要表现为经典活化型（M1型）和替代活化型（M2型）两种表型。其中，M1型小胶质细胞通过释放与细胞死亡相关的炎症介质，发挥促炎作用；而M2型小胶质细胞则通过释放神经营养因子及其他抗炎物质，发挥修复和保护功能。在适宜的时间窗口内，小胶质细胞在特定阶段发生M1型向M2型的表型转化，可能产生治疗效果[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起着关键作用[17]。在创伤性脑损伤的继发性损伤阶段，M1型小胶质细胞主要加剧损伤过程，而M2型小胶质细胞则发挥神经保护作用[18]。Wen等人的研究发现，创伤性脑损伤后，小胶质细胞的M1型表型显著增加，同时M2型表型减少；罗格列酮（rosiglitazone）通过激活PPAR-γ（过氧化物酶体增殖物激活受体γ），可促进小胶质细胞向M2型表型极化，从而减轻炎症反应、缓解皮质轴突损伤并改善神经功能；相反，GW9662（一种PPAR-γ拮抗剂）则会抑制小胶质细胞向M2型表型极化，加重炎症反应和轴突损伤[16]。

传统上，免疫反应分为固有免疫反应（先天免疫反应）和适应性免疫反应（获得性免疫反应）。机体受损后，固有免疫系统会调节生理功能以防止再次感染，这一现象被称为固有免疫记忆[19]。此外，免疫刺激还可改变脑卒中后的病理特征，对脑缺血发挥显著的保护作用[20]。最新证据还表明，适应性免疫反应在阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）的发病机制中具有一定作用[21]。

同时，研究还发现，小胶质细胞和星形胶质细胞的内在重编程与固有免疫记忆相关，而固有免疫反应的激活在刺激适应性免疫系统方面起着关键作用[22]。固有免疫训练可使固有免疫细胞“记住”先前的炎症事件，这是骨髓细胞可塑性的重要机制，有助于后续对炎症反应的调控。以往研究表明，大脑的免疫记忆主要依赖于小胶质细胞，小胶质细胞可对环境刺激产生应答，进而改变免疫反应[23]。因此，探索小胶质细胞免疫记忆的调控过程，对创伤后神经功能的治疗与恢复具有重要意义。

表观遗传修饰涉及基因表达水平的调控，被认为是多种疾病发病机制的重要组成部分[24]。表观遗传学作为研究基因表达调控的学科，对维持细胞正常功能至关重要。组蛋白乙酰化是该过程中的关键机制之一，可促进DNA转录的活跃状态，而组蛋白去乙酰化则会导致相对的转录沉默[25]。周围环境中的免疫刺激可触发小胶质细胞的表观遗传修饰，进而导致相关基因的转录和功能发生改变。已有研究证实，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]。

研究表明，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂可增加组蛋白H3的乙酰化水平，并减轻创伤性脑损伤诱导的小胶质细胞炎症反应。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），这两种酶会竞争组蛋白中的赖氨酸残基乙酰化位点。通常情况下，组蛋白乙酰转移酶（HAT）的功能是使组蛋白中的赖氨酸基团乙酰化，从而中和其电荷，促使染色质结构更松散，进入转录活跃状态；相反，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）则发挥去乙酰化作用，抑制转录过程。染色质乙酰化平衡的任何改变，都可能导致基因表达调控模式的变化[28]。

乙酰化组蛋白可通过减轻炎症反应和抑制神经细胞凋亡发挥神经保护作用，从而在脑缺血[29]、脑损伤[30]、脊髓损伤[31]等多种神经系统疾病中改善神经功能。Moumita等人[32]发现，清除成年小鼠小胶质细胞中的组蛋白去乙酰化酶HDAC1和HDAC2，可有效减少淀粉样蛋白斑块，并改善空间学习和记忆障碍。体外研究也表明，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂不仅能降低炎症标志物水平，还可缓解创伤性脑损伤导致的组蛋白H3乙酰化水平下降，同时对神经细胞变性具有缓解趋势，展现出强大的神经保护作用[28]。因此，调控组蛋白乙酰化可影响小胶质细胞的免疫记忆，进而对创伤性脑损伤的病情进展产生影响。

3. 分子氢

分子氢是一种公认的新型安全有效的抗氧化剂与抗炎剂，其特点在于具备清除活性氧（ROS）和抗炎的能力：具体可通过降低羟基自由基（·OH）水平、减少促炎细胞因子的表达，以及在心血管疾病、脑血管疾病[33]、肿瘤[34]、神经退行性疾病[35]等多种疾病中激活抗氧化应激通路与抗炎通路来发挥作用。目前尚未发现人体内存在可直接产生分子氢的内源性细胞[36]。当前，分子氢可通过多种方式给药，包括高浓度或低浓度吸入、静脉注射富氢盐水、口服给药等[37]。

陈（Chen）等人[38]开展的研究表明，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，高浓度分子氢因具有高扩散性、优异的生物膜渗透性和组织弥散能力，展现出更卓越的抗氧化应激反应、抗凋亡特性及抗炎效果。因此，吸入高浓度分子氢能够快速到达靶器官并发挥相应治疗作用。

随机对照临床研究已证实，吸入分子氢对急性脑梗死患者具有神经保护作用，且生物安全性较高[39]。此外，我们研究团队发现，高浓度吸入分子氢可促进创伤性脑损伤（TBI）患者的神经功能恢复、减少术后脑水肿形成、减轻脑组织的病理损伤及神经元凋亡[40,41,42,43]。综上，这些研究结果表明，分子氢可通过减轻继发性损伤，对急性创伤性脑损伤发挥显著保护作用，但其具体作用机制仍需进一步研究阐明。

4. 高浓度分子氢对创伤性脑损伤（TBI）的治疗作用

分子氢在创伤性脑损伤中的治疗机制具有多面性，早期研究主要聚焦于其抗氧化、抗炎及抗凋亡作用。然而，本文着重强调了免疫记忆调控在创伤性脑损伤诱导的炎症反应中的关键作用，以及分子氢通过调控小胶质细胞表型变化、在创伤性脑损伤病理状态下维持小胶质细胞M1型与M2型的动态平衡并发挥抗炎作用的治疗效果——这一机制或可成为创伤性脑损伤治疗的新靶点。

研究表明，活化的小胶质细胞可通过产生多种促炎细胞因子和释放氧化产物，在脑损伤中发挥关键作用[44]。已有研究发现，分子氢可通过抑制M1型小胶质细胞和促炎细胞因子的上调、促进小胶质细胞向M2型极化，从而发挥神经保护作用[45,46,47,48]。因此，分子氢对创伤性脑损伤的治疗效果可能与调控小胶质细胞极化相关。

腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）是细胞能量稳态的重要调节因子，在代谢应激条件下可调控分解代谢过程并抑制合成代谢通路[49]。它积极参与调节与细胞及机体整体能量平衡相关的酶类，同时也参与葡萄糖和脂质代谢的调控。AMPK在神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞中均有高表达，在促进巨噬细胞/小胶质细胞向M2型极化方面发挥多种作用[50]。研究证实，富氢盐水可通过激活AMPK，增强小胶质细胞向M2型极化，并对抗补体介导的突触丢失，从而改善新生大鼠缺氧缺血后的行为障碍[46]。在我们尚未发表的数据中，同样证实创伤性脑损伤发生后AMPK表达水平下调，而分子氢治疗可激活AMPK表达、抑制HDAC5/GSK3β/AKT信号通路，并恢复神经元功能。

辅因子乙酰辅酶A（CoA）主要通过葡萄糖代谢产生，是乙酰转移酶活性所必需的物质。乙酰辅酶A稳态在调控组蛋白乙酰化过程中发挥关键作用，而组蛋白乙酰化与细胞增殖密切相关[25]。既往研究表明，AMPK可通过调控乙酰辅酶A水平和BET蛋白（溴结构域和超末端结构域蛋白）的染色质招募，维持靶基因的表达[51]。此外，二甲双胍可通过激活AMPK介导的组蛋白乙酰化，增强脑源性神经营养因子（BDNF）的表达，从而改善应激诱导的抑郁样行为[52]。近期研究报道，AMPK还可通过使HDAC5的Ser259和Ser498残基磷酸化，促进HDAC5成核，进而抑制其组蛋白去乙酰化酶活性[53]。因此，AMPK的缺失会导致乙酰辅酶A水平和组蛋白乙酰化水平降低，而分子氢可能通过抑制HDAC5并增加乙酰辅酶A，调控小胶质细胞的组蛋白乙酰化过程。

GSK3β/PTEN/Akt轴及其信号通路与创伤性脑损伤的发病机制相关[54]。GSK3β蛋白是一种受HDAC调控的转录产物，而PTEN则是PI3K/Akt信号转导的负调控因子。王（Wang）等人[54]的研究证实，HDAC抑制剂可通过GSK3β/PTEN/Akt轴调控小胶质细胞/巨噬细胞极化，从而减轻创伤性脑损伤中的白质损伤。通过增强GSK3β的表达，HDAC抑制剂可促进细胞质中PTEN的磷酸化/失活，进而抑制PI3K/Akt信号转导，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，调控小胶质细胞极化并加重创伤性脑损伤。激活GSK3β/PTEN/Akt轴或可成为分子氢治疗创伤性脑损伤的下游机制。

5. 总结

分子氢是近年来被证实的理想抗氧化、抗炎物质，具有抗炎、抗氧化、抗凋亡特性，可对多种氧化应激损伤和炎症损伤发挥保护作用。已证实其对多种疾病具有治疗潜力，且未观察到毒副作用。然而，分子氢治疗创伤性脑损伤（TBI）的具体机制仍不明确。

从前文内容可推测，分子氢可通过GSK3β/PTEN/Akt轴促进小胶质细胞组蛋白乙酰化，进而调控小胶质细胞向M2型极化，最终对创伤性脑损伤发挥治疗作用。这一机制揭示了分子氢靶向治疗创伤性脑损伤的表观遗传调控机制，为分子氢在创伤性脑损伤治疗中的靶向治疗策略及基础研究提供了理论依据。