Postępy w medycynie wodorowej:

Stres oksydacyjny wynika z silnego komórkowego potencjału utleniającego nadmiaru reaktywnych form tlenu (ROS). Ostry stres oksydacyjny wynika z różnych sytuacji, w tym z niedokrwienia reperfuzyjnego. Uporczywy stres oksydacyjny jest powszechnie akceptowany jako jedna z przyczyn większości chorób związanych ze stylem życia, nowotworów i procesu starzenia; jednak wiele suplementów antyoksydacyjnych nie zapobiegało nowotworom, zawałowi mięśnia sercowego i miażdżycy, a wręcz przeciwnie, zwiększało śmiertelność  ; dlatego bardzo ważne jest, aby być świadomym skutków ubocznych podczas opracowywania skutecznego przeciwutleniacza do zapobiegania chorobom związanym ze stresem oksydacyjnym.

Odkryliśmy, że wodór cząsteczkowy (H ₂ ) pełni rolę „nowego” przeciwutleniacza w zastosowaniach profilaktycznych i terapeutycznych. H ₂ ma zalety jako potencjalny przeciwutleniacz bez działań niepożądanych: jest wystarczająco łagodny, aby nie zaburzać metabolicznych reakcji redoks ani wpływać na ROS, które działają w sygnalizacji komórkowej i ma korzystne właściwości dystrybucji we własnej zdolności fizycznej do penetracji biobłon i dyfundują przez bariery do składników komórkowych.

Tutaj dokonujemy przeglądu ostatnich postępów w zakresie terapeutycznych i zapobiegawczych zastosowań H ₂ w szeroko rozpowszechnionych dziedzinach.

1. Trwały stres oksydacyjny

RFT powstają w organizmie przez całe nasze codzienne życie, na przykład podczas intensywnych ćwiczeń, palenia, ekspozycji na promienie ultrafioletowe lub zanieczyszczenia powietrza, starzenia się, stresu fizycznego lub psychicznego itd.  Wewnątrz każdego organizmu tlenowego ROS powstają, gdy oddychanie zużywa tlen.

Pierwszym etapem generowania trwałych ROS jest to, że większość anionorodników ponadtlenkowych (●O ₂ ^- ) powstaje w mitochondriach w wyniku wycieku elektronów z łańcucha transportu elektronów. Dysmutaza ponadtlenkowa przekształca się w nadtlenek wodoru (H ₂ O ₂ ), który jest metabolizowany przez peroksydazę glutationową lub katalazę z wytworzeniem wody (H ₂ O). Wysoce reaktywne rodniki hydroksylowe (●OH) są generowane z H ₂ O ₂ w reakcji Fentona lub Weise'a w obecności katalitycznie aktywnych metali, takich jak Fe ²⁺ i Cu ⁺  dlatego manipulacja genami zaangażowanymi w antyoksydację przedłużała żywotność lub zapobiegała modelom chorobowym  .

ROS powstają w warunkach nadmiernie wysokiego potencjału błonowego do wycieku elektronów z łańcucha transportu elektronów. W rzeczywistości białka rozprzęgające kontrolują potencjał błonowy do hamowania produkcji ROS, a następnie w konsekwencji do tłumienia cukrzycy .

Mitochondrialna hydrogenaza aldehydowa 2 (ALDH2) działa jako ochrona przed stresem oksydacyjnym poprzez detoksykację aldehydów cytotoksycznych, takich jak 4-hydroksy-2-nonenal. Tak więc defekt ALDH2 wystarczająco indukuje fenotypy otępienia zależnego od wieku poprzez akumulację takich cytotoksycznych aldehydów. Paradoksalnie takie aldehydy stymulują systemy ochronne przed stresem oksydacyjnym. Tak więc stres oksydacyjny ma dwa oblicza: uszkadzanie tkanek i wzmacnianie systemów ochronnych.

2.2. Ostry stres oksydacyjny

Ostry stres oksydacyjny wynika z różnych sytuacji: zapalenia, zawału serca lub mózgu, przeszczepu narządów, dużego wysiłku fizycznego, ustania krwawienia operacyjnego i innych. W wielu przypadkach niedokrwienie reperfuzyjne jest krytyczną przyczyną wzrostu ostrego stresu oksydacyjnego. W zawale mięśnia sercowego przyspieszone wytwarzanie ROS przez reperfuzję niedokrwionego mięśnia sercowego jest potencjalnym mediatorem uszkodzenia reperfuzyjnego . Podczas reperfuzji mięśnia sercowego ● O ₂ ^- jest generowany w uszkodzonych mitochondriach poprzez wyciek elektronów z łańcucha transportu elektronów. ●O ₂ ^- przekształca się w H ₂ O₂ i wysoce reaktywny ● OH jest generowany z H2O2 , jak  wspomniano .

Te ROS pośredniczą w uszkodzeniu mięśnia sercowego, indukując otwarcie mitochondrialnej przepuszczalności porów przejściowych (PTP), powodując utratę potencjału błony mitochondrialnej i prowadząc do obrzęku mitochondriów z pęknięciem błony. Podjęto wiele prób zahamowania produkcji ROS, aby ograniczyć zakres uszkodzeń reperfuzyjnych. Podawanie zmiataczy ROS w czasie reperfuzji dało sprzeczne wyniki, które można częściowo wyjaśnić podwójną rolą ROS w niedokrwieniu i reperfuzji serca. Większość szkodliwych skutków związanych ze śmiertelnym uszkodzeniem reperfuzyjnym przypisywana jest ●OH. Dla porównania ●O ₂ ^- i H ₂ O ₂mają mniej energii oksydacyjnej i paradoksalnie są zaangażowane jako kluczowe komponenty sygnalizacyjne w ustalaniu tolerancji na stres oksydacyjny. Zatem rodniki cytotoksyczne, takie jak ●OH, muszą być neutralizowane bez naruszania podstawowych aktywności biologicznych innych ROS, w tym NO•.

Odkryliśmy, że H2 działa jako łagodny, ale skuteczny przeciwutleniacz . Wodór to pierwiastek najobficiej występujący we wszechświecie, stanowiący prawie 75% masy wszechświata; jednak wodór jest nieobecny na ziemi w postaci jednoatomowej i występuje w wodzie oraz związkach organicznych lub nieorganicznych. Gazowy wodór, o wzorze cząsteczkowym H ₂ , jest bezbarwnym, bezwonnym, bez smaku i wysoce palnym gazem dwuatomowym. Atmosfera ziemska zawiera mniej niż 1 część na milion gazowego wodoru .

H2 jest raczej mniej aktywny i zachowuje się jak gaz obojętny pod nieobecność katalizatorów lub w temperaturze ciała. H2 nie reaguje z większością związków, w tym z gazowym tlenem w temperaturze pokojowej _. Gazowy wodór palny jest tylko w temperaturze powyżej 527°C, a wybucha w wyniku gwałtownej reakcji łańcuchowej z tlenem tylko w zakresie wybuchowym stężenia H ₂ (4 - 75%, obj./obj.).

H ₂ może rozpuszczać się w wodzie do 0,8 mM (1,6 ppm wag./obj.) pod ciśnieniem atmosferycznym i szybko _przenika przez szklane i plastikowe ścianki dowolnych naczyń, podczas gdy aluminiowe pojemniki są w stanie zatrzymać gazowy wodór przez długi czas .

4.1. Oczyszczanie ● OH, ale nie ● O ₂ ^- , H ₂ O ₂ i NO w hodowanych komórkach

Zmiata H ₂ ● OH, ale nie ● O ₂ ^- , H ₂ O ₂ i NO w hodowanych komórkach. H2 rozpuszczono w pożywce hodowlanej pod wysokim ciśnieniem gazowego wodoru lub po prostu przez barbotowanie gazowego wodoru. Pożywkę połączono z pożywką nasyconą O ₂  w stosunku 8 : 2 (H 2 : O ₂ ). Stężenia wodoru i tlenu oraz pH monitorowano dla każdej określonej elektrody. Hodowane komórki potraktowano inhibitorem mitochondrialnego kompleksu oddechowego III, antymycyną A w celu wywołania nadmiernej produkcji ●O ₂ ^- . W wyniku takiej obróbki ●O ₂ ^- szybko przekształcił się w H ₂O ₂ a następnie ●OH. Dodanie antymycyny A faktycznie zwiększyło poziomy ●O ₂ ^- i H ₂ O ₂ w komórkach; jednakże H2 rozpuszczony w pożywce hodowlanej nie zmieniał ich poziomów. Dodatkowo H ₂ nie obniżał poziomu NO w komórkach w stanie stacjonarnym. W przeciwieństwie do tego, traktowanie H2 znacząco obniżyło poziomy ●OH, co oceniano na podstawie spadku sygnału fluorescencyjnego hydroksyfenylofluoresceiny (HPF) i sygnałów pułapki spinowej. Warto zauważyć, że H2 obniżył _poziom ●OH nawet w regionie jądrowym].

Po leczeniu antymycyną A H2 zapobiegał spadkowi potencjału błony mitochondrialnej. Sugerowało to, że H2 chroni mitochondria przed ●OH. Wraz z tym ochronnym działaniem H2 zapobiegał również obniżeniu komórkowego poziomu ATP syntetyzowanego w mitochondriach. Fakt, że H2 _chronił mitochondria i jądrowy DNA, dostarczył dowodów na to, że H2 _przenikał przez większość błon i dyfundował do organelli. W konsekwencji H2 chronił hodowane komórki przed stresem oksydacyjnym .

4.2. Inne efekty pokazane przy użyciu systemów kultur

H2 rozpuszczony w pożywce chronionych hodowanych komórek rzęsatych słuchu przed wolnymi rodnikami i sugeruje się, że zmniejsza ●OH, co ocenia się na podstawie spadku fluorescencji HPF w tkance przedsionkowej .

●OH powoduje większość uszkodzeń komórek wywołanych promieniowaniem jonizującym. H2 wykazywał działanie ochronne przeciwko uszkodzeniom wywołanym promieniowaniem w hodowanych komórkach i myszach . Wiadomo, że promieniowanie kosmiczne indukuje uszkodzenia DNA i lipidów związane ze zwiększonym stresem oksydacyjnym i pozostaje głównym problemem w podróżach kosmicznych. Oczekuje się, że w nadchodzących latach liczba i czas trwania misji kosmicznych wzrośnie. Dlatego ważne jest, aby oszacować i zapobiegać zagrożeniom, na jakie narażeni są astronauci z powodu stresu oksydacyjnego, zanim pojawią się kliniczne objawy choroby. Schoenfelda i in . postawił hipotezę, że H ₂podawanie astronautom przez inhalację lub picie wody wodorowej może potencjalnie przynieść nową i wykonalną strategię prewencyjną/terapeutyczną, aby zapobiec niepożądanym zdarzeniom wywołanym promieniowaniem.

Z drugiej strony, traktowanie H2 przedłużyło replikowalną żywotność multipotencjalnych komórek zrębowych szpiku kostnego in vitro , zachowując jednocześnie potencjał różnicowania i parakrynny. Terapia komórkowa z wykorzystaniem multipotencjalnych komórek zrębowych/mezenchymalnych komórek macierzystych szpiku kostnego stanowi obiecujące podejście w dziedzinie medycyny regeneracyjnej. Niska częstotliwość mezenchymalnych komórek macierzystych w szpiku kostnym dorosłych wymaga ekspansji ex vivo mezenchymalnych komórek macierzystych po pobraniu; jednak taka manipulacja powoduje starzenie się komórek z utratą potencjału różnicowania, proliferacyjnego i terapeutycznego mezenchymalnych komórek macierzystych. Ponieważ stres oksydacyjny jest jednym z kluczowych czynników wpływających na starzenie się komórek in vivo i in vitro, H ₂ zapobiegał procesowi starzenia się podczas ekspansji mezenchymalnych komórek macierzystych. Warto zauważyć, że traktowanie 3% gazowym wodorem nie zmniejszyło ● OH, karbonylku białka i 8-hydroksydeoksyguanozyny, co sugeruje, że zmiatanie ● OH może nie być odpowiedzialne za te efekty wodoru w tym badaniu.

5.1. Szybka dyfuzja

H2 ma wiele zalet jako potencjalny przeciwutleniacz. Po pierwsze, ma korzystną charakterystykę dystrybucji z własną fizyczną zdolnością do penetracji biobłon i dyfuzji do cytozolu.

Nadmierne uszkodzenie oksydacyjne jest głównym czynnikiem, ponieważ mitochondrialny łańcuch oddechowy jest znaczącym źródłem szkodliwych reaktywnych form tlenu; jednak pomimo klinicznego znaczenia mitochondrialnego uszkodzenia oksydacyjnego, przeciwutleniacze mają ograniczony sukces terapeutyczny. Może to być spowodowane tym, że przeciwutleniacze nie są selektywnie wychwytywane przez mitochondria  . Ponieważ H2 skutecznie dociera do jądra i mitochondriów, ochrona jądrowego DNA i mitochondriów sugeruje działanie prewencyjne na choroby związane ze stylem życia, nowotwory i proces starzenia . Co więcej, H2 przechodzi przez barierę krew-mózg, chociaż większość związków przeciwutleniających nie; jest to również zaleta H ₂.

Monitorowanie stężenia H ₂ w różnych tkankach może wykazać dyfuzję gazową.

5.2. Brak bezpośredniej eliminacji funkcjonalnie ważnych ROS

Pomimo ich działania cytotoksycznego, niskie stężenia ROS, takie jak ●O ₂ ^- i H ₂ O ₂ , działają jako cząsteczki sygnałowe i regulują apoptozę, proliferację i różnicowanie komórek. Jak wspomniano, nieoczekiwanie i szczególnie, ostatnie badania sugerują, że nadmierne przeciwutleniacze zwiększają śmiertelność i zachorowalność na raka , ponieważ mogą zakłócać niektóre podstawowe mechanizmy obronne  . W wyższych stężeniach H ₂ O ₂jest przekształcany w kwas podchlorawy przez mieloperoksydazę w celu obrony przed inwazją bakterii. Dodatkowo NO działa jako neuroprzekaźnik i jest niezbędny do rozszerzenia naczyń krwionośnych.

Ponieważ H ₂ redukuje ● OH, ale nie wpływa na ● O ₂ ^- i H ₂ O ₂ pełniące role fizjologiczne, proponujemy, że niekorzystne skutki H ₂ są bardzo małe w porównaniu z innymi przeciwutleniaczami.

5.3. Brak toksyczności nawet przy wyższym stężeniu

Oczekuje się, że kilka gazów medycznych zapewni skuteczniejsze interwencje terapeutyczne i medycynę zapobiegawczą pomimo ich poważnej toksyczności. Ostatnio zainteresowano się inhalacją gazową jako terapią chorób. W ostatnich dziesięcioleciach nastąpił niezwykły, szybki wzrost naszej wiedzy na temat cząsteczek gazowych, w tym tlenku azotu (NO), tlenku węgla (CO) i siarkowodoru (H ₂ S), o których wiadomo, że odgrywają ważną rolę w biologii systemy.

W przedklinicznych modelach doświadczalnych choroby, w tym uszkodzenia niedokrwienno-reperfuzyjnego, wdychanie egzogennego CO lub H ₂ S dało korzystny wynik dla najważniejszych narządów. W szczególności NO został zatwierdzony jako środek terapeutyczny w praktyce klinicznej. Właściwą toksyczność tych gazów należy zbadać pod kątem wdychania gazów, aby można ją było uznać za skuteczną strategię terapeutyczną, ponieważ gazy te są wysoce toksyczne w znacznych stężeniach. Dodatkowo NO zwiększa stres oksydacyjny poprzez reakcję z ●O ₂ ^– poprzez produkcję wysoce utleniającego peroksyazotyny (NO + ●O ₂ ^– → ONOO ^–). Nie wiadomo, czy terapeutycznie skuteczny próg dla CO lub H2S _można osiągnąć lokalnie w narządach docelowych bez dostarczania potencjalnie toksycznego poziomu gazów przez płuca.

W przeciwieństwie do tego, H ₂ ma więcej zalet pod względem toksyczności: H ₂ nie wykazuje cytotoksyczności nawet w wysokich stężeniach. Co więcej, ustanowiono normy bezpieczeństwa dla wysokich stężeń wodoru do inhalacji, ponieważ gaz pod wysokim ciśnieniem jest stosowany w mieszankach gazów do nurkowania głębokiego, aby zapobiec chorobie dekompresyjnej i zakrzepom w gazie tętniczym. O bezpieczeństwie H ₂ dla ludzi świadczy jego zastosowanie w Hydreliox, egzotycznej mieszaninie gazów oddechowych 49% H ₂ , 50% helu i 1% O ₂ , która jest stosowana w zapobieganiu chorobie dekompresyjnej i narkozie azotowej podczas bardzo głębokich zabiegów technicznych. nurkowanie.

6.1. Wdychanie gazowego wodoru

Wdychanie gazowego wodoru jest prostą metodą terapeutyczną. Gazowy wodór można wdychać, dostarczając gazowy wodór przez obwód respiratora, maskę na twarz lub kaniulę nosową. Ponieważ wdychany wodór działa szybciej, może być odpowiedni do obrony przed ostrym stresem oksydacyjnym. W szczególności wdychanie gazu nie wpływa na ciśnienie krwi]; ciśnienie krwi podwyższone przez infuzję może powodować poważne przeszkody w leczeniu zawału mięśnia sercowego. Gazowy wodór nie stwarza ryzyka wybuchu w powietrzu iw czystym tlenie, gdy występuje w stężeniach < 4%, jak wspomniano wcześniej; jednak bezpieczeństwo może stanowić problem, a pożądane stężenie H2 _musi być monitorowane i utrzymywane za pomocą zatwierdzonego i dostępnego w handlu narzędzia.

Szczury wdychały wodór w mieszaninie podtlenku azotu (N ₂ O) (do znieczulenia), O ₂ i N ₂ . Wdychanie H2 faktycznie zwiększało zawartość H2 rozpuszczonego we krwi tętniczej w zależności od stężenia gazowego wodoru, a poziomy H2 we krwi żylnej były niższe niż we krwi tętniczej; różny poziom między krwią tętniczą i żylną wskazuje na ilość H2 wbudowanego do tkanek.

6.2. Bezpośrednie wykazanie szybkiej dyfuzji wodoru jako gazu medycznego

Gazy mają zdolność do łatwej dyfuzji w różnych materiałach i są równomiernie rozprowadzane w określonej przestrzeni. Zakłada się, że „gazy biologiczne” swobodnie dyfundują przez błony biologiczne, działając w różnych zdolnościach funkcjonalnych; Przykładem tego jest wodór.

Dyfuzję gazową H2 rzeczywiście udowodniono, monitorując jego stężenie w różnych tkankach. H2 można wykryć za pomocą określonych elektrod _. Stężenie H2 monitorowano w mięśniu sercowym szczura. Elektrodę wprowadzono do niedokrwionego mięśnia sercowego lewej komory. Tempo przyrostu wysycenia H ₂ w przypadku niedokrwionego mięśnia sercowego i krwi tętniczej było podobne. Następnie elektrodę wprowadzono do obszaru „zagrożonego” zawałem, aby zbadać dyfuzję H2 do niedokrwionego mięśnia sercowego, wywołaną niedrożnością tętnicy wieńcowej. Warto zauważyć, że stężenie H2 wzrosło nawet w niedokrwionym mięśniu sercowym. Chociaż przyrostowy wskaźnik H ₂wysycenie było wolniejsze w mięśniu niedokrwionym niż w mięśniu niedokrwiennym, szczytowy poziom H ₂ w mięśniu niedokrwionym stanowił około 2/3 wartości obserwowanej dla mięśnia niedokrwiennego.

6.3. Ochronny wpływ na model niedokrwienia i reperfuzji przez zawał mózgu u szczura

Gazowy wodór zastosowano w szczurzym modelu niedokrwienia-reperfuzji jako ostry model. Wytworzyliśmy ogniskowe niedokrwienie przez zamknięcie tętnicy środkowej mózgu szczura z późniejszą reperfuzją. Jeden dzień po zamknięciu tętnicy środkowej mózgu, objętość zawału zmniejszyła się w sposób zależny od _H2 . Tydzień po zamknięciu tętnicy środkowej mózgu, różnica w objętości zawału między szczurami nieleczonymi i leczonymi H2 wzrosła . Szczury leczone H2 wykazywały również poprawę masy ciała i temperatury oraz wady ruchu w porównaniu ze szczurami nieleczonymi. W ten sposób H2 _tłumił nie tylko początkowe uszkodzenie mózgu, ale także progresję uszkodzenia. H ₂znacznie zmniejszyło kilka markerów stresu oksydacyjnego. W tym eksperymencie wykazano, że H ₂ może znacząco zmniejszać stres oksydacyjny i hamować uszkodzenia mózgu.

6.4. Ochronny wpływ na urazy reperfuzyjne związane z niedokrwieniem wątroby i serca

Następnie inhalację gazowego wodoru zastosowano również do modelu uszkodzenia niedokrwienno-reperfuzyjnego wątroby. Wdychanie H2 wyraźnie osłabiało degenerację indukowaną przez reperfuzję niedokrwienia wątroby i zwiększało działanie ochronne w sposób zależny od _H2 . W przeciwieństwie do tego, gazowy hel (He) nie wykazywał żadnego działania, co wskazuje, że H2 ma wyraźnie określone działanie ochronne .

Stopień ochrony kardioprotekcyjnej przed uszkodzeniem niedokrwienno-reperfuzyjnym oceniano mierząc uszkodzenie oksydacyjne i rozmiar zawału po zamknięciu i reperfuzji lewej tętnicy wieńcowej zstępującej. Wdychanie niepalnego wodoru (2%) przed reperfuzją istotnie zmniejszało uszkodzenie mięśnia sercowego wywołane stresem oksydacyjnym i rozmiar zawału bez wpływu na parametry hemodynamiczne, a tym samym zapobiegało szkodliwej przebudowie lewej komory.

6.5. Efekty ochronne w transplantacji narządów

Inhalacja H2 znacząco złagodziła uszkodzenia jelit i płuc po przeszczepie oraz zapobiegała zapaleniu odległych narządów poprzez działanie przeciwutleniające Uszkodzenie niedokrwienno-reperfuzyjne podczas przeszczepu jelita cienkiego i płuca często powoduje powikłania, w tym zaburzenia motoryki, zapalenie i niewydolność narządową.

Leczenie H2 spowodowało znaczną poprawę pasażu żołądkowo-jelitowego, a także kurczliwości mięśni gładkich jelita czczego w odpowiedzi na bethanechol. Peroksydacja lipidów w przeszczepie była znacząco zmniejszona w obecności H ₂ , wykazując działanie antyoksydacyjne H ₂ w przeszczepionych płucach. Ekspozycja na 2% gazowy wodór znacząco zablokowała produkcję kilku mediatorów prozapalnych i zmniejszyła apoptozę z indukcją cząsteczek antyapoptotycznych chłoniak z komórek B-2 i chłoniak z komórek B-bardzo duży.

Uszkodzenie reperfuzyjne w wyniku zimnego niedokrwienia serca szczura zostało złagodzone przez wdychanie H2 lub tlenku _węgla (CO) lub obu. Terapia skojarzona z H2 _i CO wykazała zwiększoną skuteczność terapeutyczną zarówno poprzez mechanizmy przeciwutleniające, jak i przeciwzapalne, i może być klinicznie wykonalną metodą zapobiegania uszkodzeniom mięśnia sercowego spowodowanym zimnym niedokrwieniem. Wdychany gazowy wodór skutecznie zmniejszał reakcje zapalne wywołane przez respirator związane z uszkodzeniem płuc, zarówno na poziomie lokalnym, jak i ogólnoustrojowym, poprzez działanie przeciwutleniające, przeciwzapalne i przeciwapoptotyczne.

6.6. Działanie ochronne w chorobach zakaźnych i działanie przeciwzapalne

Sepsa, zespół dysfunkcji wielonarządowych, jest główną przyczyną zgonów u pacjentów w stanie krytycznym. Inhalacja gazowego wodoru znacząco poprawiła przeżywalność i uszkodzenia narządów u myszy z sepsą z umiarkowanym lub ciężkim podwiązaniem i nakłuciem kątnicy poprzez zmniejszenie poziomu wczesnych i późnych cytokin prozapalnych w surowicy i tkankach.

W modelu uogólnionego zapalenia indukowanego zymosanem zbadano wpływ leczenia 2 % H2 na przeżywalność i uszkodzenie narządów. Korzystne efekty leczenia H2 uszkodzenia narządów wywołanego zymosanem były związane ze zmniejszonymi poziomami produktu oksydacyjnego, zwiększoną aktywnością enzymu antyoksydacyjnego oraz zmniejszonymi poziomami wczesnych i późnych cytokin prozapalnych w surowicy i tkankach. Leczenie H ₂ chroniło przed uszkodzeniem wielu narządów w modelu uogólnionego zapalenia indukowanego zymosanem, co sugeruje potencjalne zastosowanie H ₂ jako środka terapeutycznego w terapii stanów związanych z zespołem dysfunkcji wielu narządów związanych z zapaleniem.

6.7. Inni

Inne doniesienia nosiły następujące tytuły: Terapia wodorem zmniejsza apoptozę w noworodkowym modelu hipoksji-niedokrwienia szczura; wodór zmniejsza ostrą przemianę krwotoczną wzmocnioną hiperglikemią w szczurzym modelu ogniskowego niedokrwienia]; wodór ma działanie neuroprotekcyjne i zachowuje reaktywność naczyń mózgowych u zamartwionych nowonarodzonych świń ; korzystne działanie wodoru w szczurzym modelu urazowego uszkodzenia mózgu poprzez zmniejszenie stresu oksydacyjnego; korzystny wpływ gazu wodorowego na uszkodzenie niedokrwienno-reperfuzyjne rdzenia kręgowego u królików; a wodór chroni przedsionkowe komórki rzęsate przed wolnymi rodnikami.

7.1. Spożycie doustne poprzez picie wody wodorowej

Ponieważ wdychany wodór działa szybciej, może być odpowiedni do obrony przed ostrym stresem oksydacyjnym. W szczególności wdychanie gazu nie wpływa na ciśnienie krwi; ciśnienie krwi podwyższone przez infuzję może być poważne w zawale mięśnia sercowego; jednak wdychanie gazowego wodoru może być nieodpowiednie lub niepraktyczne jako ciągłe zużycie H2 _w życiu codziennym w celach profilaktycznych. W przeciwieństwie do tego, solubilizowany H ₂ (woda rozpuszczona w H ₂ ; a mianowicie woda wodorowa) może być korzystny, ponieważ jest przenośnym, łatwym do podawania i bezpiecznym sposobem dostarczania H ₂ . H ₂można rozpuszczać w wodzie do 0,8 mM pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze pokojowej, jak wspomniano wcześniej. Nieoczekiwanie, picie wody wodorowej miało skutki porównywalne do wdychania gazowego wodoru.

Wodór wody można wytwarzać różnymi metodami, w tym rozpuszczania wodoru w wodzie pod wysokim ciśnieniem, rozpuszcza się elektrolizie H ₂ w wodzie, a w wyniku reakcji metalicznego magnezu z wody. Metoda rozpuszczania gazowego wodoru pod wysokim ciśnieniem ma tę zaletę, że ma zastosowanie nie tylko przy użyciu wody, ale także dowolnych innych rozpuszczalników.

Gdy woda nasycona H2 została umieszczona w żołądku szczura, H2 wykryto we krwi na poziomie kilku µM. Co więcej, wątrobowy H ₂ był monitorowany za pomocą igłowej elektrody wodorowej, a H ₂ akumulował się po doustnym podaniu wody wodorowej, co częściowo wyjaśnia, dlaczego spożycie nawet niewielkiej ilości H ₂ w krótkim czasie może skutecznie poprawić różne modele choroby. Dodatkowy eksperyment in vitro potwierdził, że polimery węglowodanów, w tym glikogenu i skrobi, wykazują powinowactwo do H ₂ .

7.2. Zapobieganie zaburzeniom poznawczym

Przewlekły fizyczny stres ograniczający u myszy zwiększał poziom stresu oksydacyjnego w mózgu oraz upośledzał uczenie się i pamięć. Spożywanie wody wodorowej ad libitum hamowało wzrost stresu oksydacyjnego i zapobiegało upośledzeniu funkcji poznawczych. Proliferacja neuronalna w zakręcie zębatym hipokampa była tłumiona przez stres ograniczający. Zużycie wody wodorowej złagodziło zmniejszoną proliferację; jednak mechanistyczny związek między zmianami neurogenezy zależnymi od H2 _a zaburzeniami poznawczymi pozostaje niejasny. W ten sposób ciągłe spożywanie wody wodorowej zmniejszało stres oksydacyjny w mózgu i zapobiegało wywołanemu stresem osłabieniu uczenia się i pamięci.

7.3. Profilaktyczny i terapeutyczny wpływ na model choroby Parkinsona

W chorobie Parkinsona dysfunkcja mitochondriów i związany z nią stres oksydacyjny są głównymi przyczynami utraty komórek dopaminergicznych w istocie czarnej. H2 w wodzie pitnej podawano przed lub po operacji stereotaktycznej dla wywołanej ₆ -hydroksydopaminą degeneracji nigrostriitalu w szczurzym modelu choroby Parkinsona. Woda wodorowa zapobiegała zarówno rozwojowi, jak i postępowi zwyrodnienia nigrostriatalnego. Woda wodorowa prawdopodobnie opóźnia rozwój i postęp choroby Parkinsona.

Picie wody wodorowej hamowało utratę neuronów dopaminergicznych w innym modelu choroby Parkinsona indukowanej przez MPTP (1-metylo-4-fenylo-1,2,3,6-tetrahydropirydyna).

7.4. Model profilaktyki miażdżycy

Stres oksydacyjny jest zaangażowany w miażdżycę; jednak większość badań klinicznych nad przeciwutleniaczami w diecie nie wykazała znaczącego sukcesu w zapobieganiu chorobom miażdżycowym. Picie wody wodorowej ad libitum zmniejszało poziom stresu oksydacyjnego aorty i zapobiegało miażdżycy u myszy z nokautem apolipoproteiny E. Tak więc spożywanie wody wodorowej może skuteczniej zapobiegać miażdżycy niż inne przeciwutleniacze.

7.5. Poprawa zespołu metabolicznego

Zwiększony stres oksydacyjny w otyłości wpływa na zespół metaboliczny. Długotrwałe picie wody wodorowej znacząco kontrolowało tłuszcz i masę ciała, pomimo braku zmian w spożyciu jedzenia i wody. Ponadto picie wody wodorowej obniżało poziom glukozy, insuliny i triglicerydów w osoczu, czego wpływ na hiperglikemię był podobny do restrykcji dietetycznych. Badanie mechanistyczne wykazało, że ekspresja genu hormonu wątrobowego, czynnika wzrostu fibroblastów 21 (FGF21), została zwiększona, co powinno działać w celu zwiększenia wydatkowania kwasów tłuszczowych i glukozy. Rzeczywiście, picie wody wodorowej stymulowało metabolizm energetyczny, mierzony zużyciem O ₂ i wydychaniem CO ₂ . Wyniki te sugerują potencjalną korzyść H₂ w poprawie otyłości, cukrzycy i zespołu metabolicznego.

7.6. Zapobieganie niepożądanym skutkom przez lek przeciwnowotworowy

Cisplatyna jest szeroko stosowanym lekiem przeciwnowotworowym w leczeniu szerokiej gamy nowotworów; jednak jego zastosowanie jest ograniczone przez powodowanie nefrotoksyczności, w której może pośredniczyć stres oksydacyjny. Wdychanie gazowego wodoru (1% H2 _w powietrzu) ​​lub picie wody wodorowej poprawiło śmiertelność i utratę masy ciała spowodowane przez cisplatynę oraz złagodziło nefrotoksyczność. Spożycie wody wodorowej poprawiło metamorfozę towarzyszącą zmniejszeniu apoptozy w nerkach. Pomimo działania ochronnego przeciwko toksyczności wywołanej cisplatyną, H2 nie zaburza przeciwnowotworowego działania cisplatyny na linie komórek nowotworowych in vitro oraz u myszy z nowotworem in vivo . Zatem H ₂, czy to gazowy wodór, czy woda wodorowa, może poprawić jakość życia pacjentów podczas chemioterapii. Odkrycie to zostało potwierdzone przez inną grupę.

7.7. Reakcje antyalergiczne

Wykazano na modelu mysim, że picie wody wodorowej może osłabiać reakcję alergiczną typu natychmiastowego poprzez hamowanie fosforylacji Lyn związanej z FcεRI i jego dalszych cząsteczek sygnałowych, co z kolei hamowało aktywność oksydazy NADPH i zmniejszało wytwarzanie nadtlenku wodoru . Te odkrycia sugerują, że korzystne działanie H2 _jest nadawane nie tylko przez jego aktywność zmiatania rodników, ale także przez modulowanie specyficznego szlaku sygnałowego.

7.8. Wpływ na transplantację

ROS przyczynia się do rozwoju zwłóknienia śródmiąższowego i atrofii kanalików obserwowanych w przewlekłej nefropatii przeszczepu allogenicznego. Grupa Nakao przetestowała efekt leczenia wodą wodorową w modelu przeszczepu nerki, w którym alloprzeszczepy od szczurów Lewis zostały ortotopowo przeszczepione biorcom Brown Norway, którzy przeszli obustronną nefrektomię. Picie wody wodorowej poprawiło funkcję przeszczepu, spowolniło postęp przewlekłej nefropatii przeszczepu allogenicznego, zmniejszyło uszkodzenia oksydacyjne i produkcję mediatorów zapalnych oraz poprawiło ogólne przeżycie. Zapalne szlaki sygnałowe, takie jak kinazy białkowe aktywowane mitogenami, były mniej aktywowane w alloprzeszczepach nerki od szczurów, którym podawano wodę wodorową, w porównaniu z normalnymi szczurami, którym podawano wodę. Zatem.

7.9. Inni

Wykazano, że picie wody wodorowej zapobiega tworzeniu się ponadtlenku w wycinkach mózgu ubogich w witaminę C myszy z nokautem SMP30/GNL, że H2 w wodzie pitnej osłabia utratę słuchu wywołaną hałasem u świnek morskich że picie wodoru woda łagodziła upośledzenie funkcji poznawczych u myszy z przyspieszoną starzeniem a H ₂ wykazywał potencjalne działanie kardioprotekcyjne u napromieniowanych myszy

8.1. Zaleta wtrysku

Chociaż podawanie doustne jest bezpieczne i wygodne, H2 _w wodzie ma tendencję do ulatniania się z czasem, a część H2 jest _tracona w żołądku lub jelicie, co utrudnia kontrolowanie stężenia podawanego H2 _. Podawanie H2 poprzez nośnik do wstrzykiwania wodoro-soli (soli fizjologicznej rozpuszczonej w H2 ) może pozwolić na dostarczenie dokładniejszych stężeń H2 .

8.2. Wpływ soli fizjologicznej na różne modele chorób

Grupa Sun podawała z dużym sukcesem sól fizjologiczną nasyconą H2 przez wstrzyknięcie dootrzewnowe różnym modelowym zwierzętom. Tak więc sól fizjologiczna ma potencjał w rzeczywistym leczeniu klinicznym. Na przykład wstrzyknięcie soli fizjologicznej wykazało działanie neuroprotekcyjne w noworodkowym szczurzym modelu hipoksji-niedokrwienia Ponadto, sól fizjologiczną H2 zastosowano u myszy z modelem choroby Alzheimera, którą wytworzono przez wstrzyknięcie peptydu Aβ1-42 do komór mózgowych. Leczenie H2 obniżało poziom markerów stresu oksydacyjnego i stanów zapalnych oraz zapobiegało odpowiednio dysfunkcji pamięci i dysfunkcji motorycznej

Oni i inne grupy wykazali wpływ na wiele modeli chorób, jak opublikowano w następujących raportach .

9.1. Poprawa modelu jaskry

Alternatywnie, krople do oczu obciążone H ₂ sporządzono przez rozpuszczenie H 2 w soli fizjologicznej i bezpośrednie podanie na powierzchnię oka.

W ostrej jaskrze oczu przejściowy wzrost ciśnienia śródgałkowego powoduje znaczne zmniejszenie grubości siatkówki w wyniku uszkodzenia niedokrwienno-reperfuzyjnego, w którym pośredniczy wytwarzanie reaktywnych form tlenu Bezpośrednie stosowanie kropli do oczu zawierających H2 _łagodziło niedokrwienno-reperfuzyjne uszkodzenie siatkówki w modelu szczurzym. W przypadku ciągłego podawania kropli do oczu H2 _stężenie H2 w ciele szklistym wzrastało, a poziom •OH spadał podczas niedokrwienia-reperfuzji siatkówki _. H ₂krople do oczu zmniejszyły liczbę komórek apoptotycznych i markerów stresu oksydacyjnego z wynikiem pozytywnym 1 dzień po uszkodzeniu niedokrwienno-reperfuzyjnym oraz zmniejszyły ścieńczenie siatkówki z towarzyszącą aktywacją gleju Müllera, astrocytów i mikrogleju 7 dni po uszkodzeniu niedokrwienno-reperfuzyjnym, poprawiając regenerację wewnętrznego grubość warstwy siatkówki do >70%.

Ponadto opracowaliśmy krople do oczu z rozpuszczonym H2 _do bezpośredniego podawania H2 _do siatkówki i monitorowaliśmy przebieg zmian poziomu H2 w czasie _za pomocą elektrody czujnika wodoru w kształcie igły wprowadzonej przez twardówkę do ciała szklistego szczurów. H2 _był w stanie dotrzeć do ciała szklistego po podaniu H2 _nasyconego w soli fizjologicznej. Gdy krople do oczu H2 były podawane w sposób ciągły, około 70% H2 _wykryto na powierzchni oka. Dwie minuty po rozpoczęciu podawania stężenie H2 w ciele szklistym zaczęło wzrastać i osiągnęło maksymalny poziom po 15 minutach _. W tym czasie H ₂stężenie H2 w kroplach do oczu wynosiło około 20% _. Maksymalne stężenie H ₂ w ciele szklistym osiągnęło około jednej trzeciej wartości obserwowanej na powierzchni oka.

9.2. Kąpiel wodorowa

H ₂ łatwo wnika w skórę i rozprowadza się po całym ciele poprzez przepływ krwi. Tak więc kąpiel w ciepłej wodzie z rozpuszczonym H ₂ jest metodą na wprowadzenie H ₂ do organizmu w codziennym życiu, zwłaszcza w Japonii. Rozprowadzenie po całym ciele zajmuje tylko 10 minut, co można ocenić na podstawie pomiaru wydychanego wodoru (wyniki niepublikowane).

10.1. Produkcja wodoru w bakteriach jelitowych

Inne gazy medyczne, CO, NO i H ₂ S, są generowane przez endogenne układy enzymatyczne. Rozwój farmaceutyczny wykorzystał te systemy do zaprojektowania cząsteczek egzogennych w celu symulacji cząsteczek generowanych endogennie; jednak ssakom brakuje własnego enzymu do produkcji H ₂ .

Zamiast endogennych układów enzymatycznych, spontaniczne wytwarzanie gazowego wodoru w ludzkim ciele zachodzi poprzez fermentację niestrawionych węglowodanów przez rezydującą florę enterobakterii . H ₂ jest przenoszony do krążenia wrotnego i wydalany z oddechem w znacznych ilościachZ tego powodu pomiar poziomu H2 w wydychanym powietrzu służy do wykrywania złego wchłaniania węglowodanów jednak przeprowadzono niewiele badań dotyczących fizjologicznej funkcji wodoru pochodzącego z przewodu pokarmowego jako przeciwutleniacza.

10.2. Czy inhibitory α-glukozydazy są pośrednimi przeciwutleniaczami?

Inhibitory α-glukozydazy są środkami farmakologicznymi, które specyficznie zmniejszają hiperglikemię poposiłkową poprzez opóźnienie trawienia disacharydów, zmniejszając w ten sposób wchłanianie glukozy. Badanie epidemiologiczne na dużą skalę wykazało, że leczenie pacjentów z upośledzoną tolerancją glukozy inhibitorem α-glukozydazy wiązało się z 25% zmniejszeniem ryzyka progresji do cukrzycy, 34% zmniejszeniem ryzyka rozwoju nadciśnienia de novo, oraz 49% zmniejszenie ryzyka incydentów sercowo-naczyniowych Ponadto metaanaliza siedmiu długoterminowych badań sugerowała, że ​​akarboza zmniejsza ryzyko zawału mięśnia sercowego u pacjentów z cukrzycą typu 2. Takiego zmniejszenia ryzyka wystąpienia choroby niedokrwiennej serca u pacjentów z cukrzycą typu 2 nie zaobserwowano w przypadku poprawy kontroli glikemii uzyskanej przez zintensyfikowane leczenie insuliną i glibenklamidem. W rzeczywistości akarboza, która jest inhibitorem α-glukozydazy, znacznie zwiększyła produkcję H2 _u ochotników. Dlatego proponujemy, że H ₂ wytwarzany przez bakterie jelitowe działa jako unikalny przeciwutleniacz i zapobiega zdarzeniom sercowo-naczyniowym.

10.3. Działanie przeciwzapalne przez bakterie jelitowe poprzez wodór

Escherichia coli może wytwarzać znaczne ilości H2 poprzez katalizowanie hydrogenazą. Kawai i in . zbadali, czy H2 uwalniany z bakterii skolonizowanych jelitowo może wpływać na zapalenie wątroby myszy wywołane konkanawaliną A. Odtworzenie flory jelitowej przy pomocy E. coli wytwarzającej H 2 _, ale nie zmutowanej E. coli z niedoborem hydrogenazy , obniżony poziom zapalenia wątroby wywołany konkanawaliną A . Wyniki te wskazują, że H ₂ uwalniany z bakterii jelitowych może tłumić stan zapalny. H ₂ pośredniczy również w tłumieniu zapalenia okrężnicy wywołanego przez siarczan sodu dekstranu.

10.4. Inni

Kurkuma w diecie indukowała wytwarzanie H2 przez bakterie jelitowe, a laktuloza okazała się być pośrednim przeciwutleniaczem łagodzącym nieswoiste zapalenie jelit.

Kilka grup rozpoczęło badania kliniczne. Testy kliniczne wykazały, że picie wody wodorowej zmniejszało markery stresu oksydacyjnego u pacjentów z cukrzycą typu 2 lub osób z potencjalnym zespołem metabolicznym i wpływało na metabolizm glukozy i cholesterolu .

Hemodializa z użyciem roztworu do dializy z H ₂ istotnie obniżyła poziom białka chemoatraktantu monocytów 1 i mieloperoksydazy w osoczu.

12. REGULACJA EKSPRESJI GENÓW I FOSFORYLACJI BIAŁKA

Doniesiono, że H2 działa jako regulator przeciwzapalny i przeciwalergiczny, odpowiednio indukując cytokiny zapalne i hamując fosforylujące czynniki sygnałowe; jednakże, czynniki transkrypcyjne i kinazy zaangażowane w efekty zapewniane przez Hc nie zostały zidentyfikowane.

H ₂ zmniejszał ekspresję czynników prozapalnych, w tym TNF-α, IL-6, IL-1β, CCL2 i IL-10, TNF-γ, IL-12, ICAM-1, HMGB-1, NF-κB, PGE2 i PGE2.

Ponadto H ₂ zwiększał lub zmniejszał poziom czynników zaangażowanych w apoptozę w kierunku hamowania apoptozy: H ₂ tłumił ekspresję czynników proapoptotycznych, w tym kaspazy 3 i kaspazy 12, kaspazy 8 i BAX] . Odwrotnie, H ₂ stymulował ekspresję czynników antyapoptotycznych Bcl-2 i Bcl-xL.

H ₂ bierze udział w regulacji różnych czynników; regulacja w górę PCNA, bFGF, HGF, IFN-γ oraz regulacja w dół i-NOS i VEGF.

Jako czynnik transdukcji sygnału, H2 hamował _{fosfaforylację} niektórych białek sygnałowych, w tym MEK, p38, ERK, JNK i Lyn, Syk, PLCγ1, γ2, Akt, ERK1/2, JNK, p38, cPLA2, ASK1, IκBα.

Oksygenaza hemowa-1 (HO-1), mikrosomalny enzym rozkładający hem do tlenku węgla, wolnego żelaza i biliwerdyny, uczestniczy w obronie komórek przed stresem oksydacyjnym i spekuluje się, że jest nowym celem terapeutycznym. Warto zauważyć, że H ₂ moduluje ekspresję HO-1, która jest zwykle podwyższana przez te gazy medyczne. Dodatkowo H ₂ zwiększał ekspresję FGF21, który jest regulatorem metabolizmu energetycznego.

Jako zasadnicze pytania nie wiadomo, w jaki sposób H ₂ reguluje ekspresję genów i fosforylację oraz czy powyższe regulacje transkrypcji i fosforylacji są przyczyną czy konsekwencją działania H ₂ . Główny cel molekularny H2 pozostaje nieznany.

W naszym pierwszym raporcie opublikowanym w 2007 roku wskazaliśmy, że H ₂ reagował z silnymi reaktywnymi formami tlenu/azotu, w tym ●OH i ONOO ^– w reakcjach bezkomórkowych. Komórki hodowane w pożywce bogatej w H ₂ były chronione przed stresem oksydacyjnym dzięki aktywności wychwytywania ● OH przez H ₂ , w zależności od spadku ● OH jednak ostatnie dowody pokazują, że właściwość zmiatania nie jest jedynym wyjaśnieniem silnych korzystnych efektów H2 . Gdy modelowe zwierzęta i ludzie spożywali H ₂ pijąc wodę z rozpuszczonym H ₂ , nawet bardzo małe ilości H ₂był bardzo skuteczny. Może być trudno wyjaśnić, że bezpośrednia redukcja ●OH przez bardzo małą ilość H ₂ ujawnia wszystkie funkcje H ₂ , ponieważ poziom nasycenia H ₂ wynosi tylko 0,8 mM, a czas przebywania ● OH jest bardzo krótki w Ciało.

Niedawno wykazaliśmy, że H2 _może być akumulowany z glikogenem wątrobowym; to odkrycie wskazuje na możliwą akumulację H2 _w określonym regionie; jednakże jest mało prawdopodobne, aby ilość H2 była wystarczająca do pełnienia wszystkich jego funkcji . Dodatkowo wykazano, że skuteczne jest picie 0,04 lub 0,08 mM H2 . Ilość podawanego H2 _wydaje się w wielu przypadkach niezależna od wielkości skutków. Bakterie jelitowe wytwarzają dziennie ponad 1 litr wodoru gazowego, podczas gdy ilość H ₂ pochodzącego z picia wody wodorowej jest mniejsza niż 50 ml. Niemniej jednak dodatkowe H₂ w piciu wody wodorowej jest jednoznacznie skuteczny.

Wiele dodatkowych kwestii związanych z wodoroterapią, w tym mechanizmy molekularne leżące u podstaw wyraźnych efektów bardzo małej ilości H ₂ , pozostaje nieuchwytnych. Główny cel molekularny H2 _pozostaje nieznany. Chociaż H2 _reguluje różne ekspresje genów i fosforylację białek, pozostaje niejasne, czy takie regulacje są przyczyną czy konsekwencją skutków stresu oksydacyjnego. Jednym z otwartych pytań jest to, w jaki sposób H ₂ obejmuje interakcję antyoksydacyjną, przeciwzapalną i antyalergiczną. _{Zatem klasyfikowanie ról H 2} według efektów zewnętrznych na tym etapie nie powinno być sprawiedliwe .

Na koniec autor podsumowuje raporty pokazujące działanie H ₂ według klasyfikacji narządów docelowych (tabela​11).

Tabela 1.

Choroby i stany fizjologiczne, dla których wpływ wodoru jest zgłaszany jako sklasyfikowany przez narządy docelowe.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/labs/pmc/articles/PMC3257754/