Борба с оксидативния стрес и възпалението при COVID-19 чрез водородна терапияНаучно Изследване
Борба с оксидативния стрес и възпалението при COVID-19 чрез водородна терапия: Механизми и перспективи
Академичен редактор: Md Saquib Hasnainhttps://doi.org/10.1155/2021/5513868абстракт
COVID-19 е широко разпространена глобална пандемия с близо 185 милиона потвърдени случая и около четири милиона смъртни случая. Причинява се от инфекция с тежкия остър респираторен синдром коронавирус-2 (SARS-CoV-2), който засяга предимно алвеоларните пневмоцити тип II. Инфекцията предизвиква патологични реакции, включително повишено възпаление, оксидативен стрес и апоптоза. Тази ситуация води до нарушен газообмен, хипоксия и други последствия, които водят до многосистемна органна недостатъчност и смърт. Както е обобщено в тази статия, са предложени и изследвани много интервенции и терапевтични средства за борба с индуцираното от вирусна инфекция възпаление и оксидативния стрес, които допринасят за етиологията и патогенезата на COVID-19. Тези методи обаче не са подобрили значително резултатите от лечението.2 ), възникващ нов медицински газ, може да допълни. Тук, ние системно преглед на антиоксидантни, противовъзпалителни и антиапоптотични механизмите на Н 2 . Неговата малък молекулен размер и nonpolarity позволи Н 2 до бързо дифундира през клетъчните мембрани и да проникне клетъчни органели. Доказано е, че H 2 потиска възпалителната сигнализация на NF- κ B и индуцира антиоксидантния път на Nrf2/Keap1, както и подобрява митохондриалната функция и подобрява клетъчната биоенергетика. Много предклинични и клинични проучвания показват благоприятните ефекти на H 2при различни заболявания, включително COVID-19. Въпреки това, точните механизми, основните начини на действие и неговите истински клинични ефекти остават да бъдат очертани и проверени. Съответно, допълнителни механистични и клинични изследвания на този нов медицински газ за борба с усложненията от COVID-19 са оправдани.
1. Въведение: клинични предизвикателства и дилема при лечението на COVID-19
COVID-19 (първоначално наречен нов коронавирус 2019, или болест 2019-nCoV, след първото докладвано огнище през 2019 г.) се превърна в най-широко разпространената глобална пандемия през миналия век [ 1 ]. Той е засегнал 189 страни и региони с близо 185 милиона потвърдени случая и около четири милиона съобщени смъртни случаи по целия свят според текущата статистика [ 2 ]. Новият коронавирус, отговорен за това заболяване, беше наречен от Световната здравна организация Тежкият остър респираторен синдром Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) заради генетичното му сходство с коронавируса, причинил избухването на SARS през 2003 г. (SARS-CoV) [ 1]. Въпреки че не са зловещо фатални като заразяване със SARS-CoV, леките симптоми на COVID-19 и асимптоматичното предаване, съчетани с дългото време на инкубация и дългото време на оцеляване на вируса, усложняват контрола на епидемията в световен мащаб.
Повечето случаи на COVID-19 се проявяват като респираторно заболяване с неясна симптоматика, започваща с висока температура, суха кашлица и умора, последвани от задух с влошаване на заболяването. Около 80% от заразените хора могат да се възстановят от заболяването без хоспитализация; все пак останалите (20%) прогресират до пневмония и тежък остър респираторен дистрес синдром (ARDS) [ 3 ]. Приблизително 5% от пациентите се нуждаят от лечение в интензивно отделение (ICU), което изисква вентилация за оксигенация и интубация за поддържане на живота [ 3 ]. От тези критично болни пациенти в интензивното отделение, приблизително половината в крайна сметка умират от усложнения, свързани с инфекция, обикновено след множество органни наранявания и недостатъчност [ 3]. Усложненията от COVID-19 са свързани с основните медицински състояния, особено при възрастни хора с хипертония, диабет и/или други сърдечно-съдови заболявания.
За разлика от тях, цитокиновите бури, причинени от свръхактивна имунна система на гостоприемника към всяка инфекция, са най-отговорни за смъртността при млади и на средна възраст пациенти без медицинска история. Настоящите методи на лечение, включително антивирусни, противовъзпалителни (Фигура 1 ), антималарийни, имунорегулаторни терапевтични средства, вентилация и екстракорпорална мембранна оксигенация (ECMO), се опитват да смекчат последствията, причинени от инфекция (Таблица 1 ), но не могат напълно да се справят с възходящите фактори, които водят до „цитокинови бури“, които допринасят за полиорганна недостатъчност и внезапна смърт.
Изглежда, че коронавирусът използва ангиотензин-конвертиращия ензим II (ACE2) като рецептор за клетъчно свързване и навлизане. АСЕ2 се експресира изобилно върху епителните клетки в определени тъкани на лигавицата [ 6 ]. Трябва да се отбележи, че устната и носната лигавица, очите и горните дихателни пътища са основните анатомични точки за инокулиране на вируси, които се предават главно чрез аерозолни капчици, размножени от човешки носители в непосредствена близост. Инфекцията прогресира към долните дихателни пътища, особено към алвеоларните епителни клетки, които са податливи на навлизане на вируси. Когато това се случи, се активират алвеоларните макрофаги и инфилтрираните имунни клетки, което след това увеличава консумацията на кислород, засилвайки алвеоларната хипоксия [ 7]. Активираните алвеоларни макрофаги също освобождават провъзпалителни цитокини в алвеолите и белодробните микросъдове, които след това навлизат в системното кръвообращение. Тъй като увредените бели дробове не могат ефективно да доставят кислород или да елиминират въглеродния диоксид от кръвния поток, се развива системна хипоксия (а именно хипоксемия) и хиперкапния. Както алвеоларната хипоксия, така и хипоксемията допълнително индуцират възпалителни каскади, водещи до производството на излишни реактивни кислородни видове (ROS) и активиране на индуцирани от хипоксия фактори (HIF-1 α ), ядрен фактор-капа-лека верига-усилвател на активирани В клетки (NF- κ B) и провъзпалителни цитокини [ 7]. По този начин вдишването на кислород и противовъзпалителната терапия се считат за съществени за тежък COVID-19, в допълнение към други потенциално полезни терапии.
Въпреки това, при тежка пневмония COVID-19, възпалението на дихателните пътища и ексудацията на вискозна слуз в бронхиолите и алвеолите правят оксигенацията на кръвта неефективна. Въпреки високоскоростната кислородна вентилация, кислородът не може лесно да проникне в слузните тапи; всъщност високият въздушен поток може да кондензира допълнително щепселите. Също така се спекулира, че положителното налягане на вентилацията може да счупи вече крехките алвеоларни торбички [ 9 ]. Освен това вентилацията на високо концентриран кислород при пациенти с ниски нива на SpO 2 може да произведе вредни супероксидни свободни радикали, като това, което се случва при реперфузия на исхемия.
2. Предложени и изследвани лечения за COVID-19
Настоящите насоки за критични грижи при COVID-19 включват общи поддържащи мерки като хемодинамична подкрепа с вазопресор (обикновено норепинефрин), кортикостероиди за лечение на рефрактерен шок, продължителна бъбречна заместителна терапия (CRRT) или интермитентна бъбречна заместителна (IRR) за остра бъбречна недостатъчност и механична вентилация за лечение на тежък ARDS. Въпреки това, клиничната полза за пациенти с тежко заболяване, което изисква агресивно управление на кислорода, като инвазивна или неинвазивна механична вентилация, кислород с висок поток или ECMO, е несигурна. Предвид високата цена, препятствията при снабдяването и предстоящите изследвания, здравните агенции са ограничили разпространението до болничните системи за пациенти на 12 или повече години, които се нуждаят от допълнителен кислород без агресивно управление на кислорода [ 10 ].
Нито една фармакотерапия не е показала достатъчна клинична ефикасност за рутинна употреба; по преценка на клинициста обаче, избрани пациенти с тежко заболяване могат да получат изпитание с ремдесивир и/или имуномодулираща терапия (като кортикостероиди) [ 10 ].
2.1. Антивирусни терапии
Някои предварителни проучвания показват, че антиретровирусният ремдесивир (Veklury™) може умерено да съкрати времето за възстановяване. Въпреки това, въпреки неговата in vitro активност срещу SARS-CoV-2, ефектът му върху смъртността при пациенти с тежък COVID-19 е несигурен [ 11 – 13 ]. Remdesivir, аналог на аденозин, се предполага, че е насочен към вирусна РНК, за да причини преждевременно прекратяване на обратната транскрипция [ 13 ] (Фигура 1 ).
Други антивирусни средства, като лопинавир / ритонавир (Kaletra®), озелтамивир или рибавирин, не показват клинична полза в смъртността [ 14 – 16 ]. Някои проучвания, комбиниращи лопинавир/ритонавир и рибавирин, обаче предполагат намаляване на смъртността и риска от ARDS [ 14 , 15 ]. Антиинфекциозните средства хлорохин и хидроксихлорохин са изследвани изчерпателно с клинични доказателства, които предполагат, че няма полза за смъртност, но потенциална вреда поради нарушения на сърдечната проводимост [ 17 ]. Тези резултати са отрицателни въпреки мощния им ин витро инхибиторен ефект върху SARS-CoV-2 чрез повишаване на ендозомното pH на гостоприемника и предотвратяване на навлизането на вируси [ 13], въпреки че в момента е в ход проучване, изследващо тяхната профилактична роля при здравните работници ( NCT04334148 ). С подобна публичност ролята на азитромицин остава спорна с проучването COALITION II, което предполага липса на клинична полза, когато се комбинира с хидроксихлорохин [ 18 ].
2.2. Имуномодулиращи терапии
Предвид липсата на ефективни антивирусни лечения, някои групи са изследвали реконвалесцентна плазма (CP) като междинно лечение. Исторически CP се е използвал за различни други инфекции (като дифтерия, хепатит А и В, бяс или полиомиелит), за които в някои периоди от време, като COVID-19, е липсвало подходящо фармакологично лечение [ 19 ]. На теория имунокомпетентните оцелели от COVID-19 могат да произвеждат имуноглобини като част от придобития имунитет, които след това могат да бъдат пречистени и трансфузирани. Неговата ефикасност е обявена от доклади, че повторното заразяване с COVID-19 е рядко, което показва, че тези антитела могат да бъдат много ефективни при предотвратяване или лечение на тежък COVID-19 [ 20]. Докато някои предварителни проучвания показват намалена смъртност, намалени нужди от кислород и намален вирусен товар, с предимно незначителни нежелани събития, липсват мащабни и висококачествени клинични изследвания [ 20 ]. Освен това някои предполагат, че както при инфекции, подобни на SARS и респираторния синдром на Близкия изток (MERS) [ 21 , 22 ], предоставеният имунитет ще продължи само ограничен брой месеци и може да не е ефективен в дългосрочен план. С липсата на лечение, насочено към вируси, оттогава клиничният фокус се измести повече към предотвратяване на усложнения при напреднало заболяване, с обещание при лечението с кортикостероиди.
Преди това кортикостероидите бяха избягвани поради потенциалното намаляване на имунните отговори и вирусния клирънс и увеличаване на остеопенията и остеопорозата, наблюдавани при пациенти със SARS и MERS [ 23 ]. Предварителните проучвания обаче предполагат, че кортикостероидите могат да смекчат последствията, които водят до мултисистемна органна недостатъчност и белодробно увреждане, наблюдавани при тежък COVID-19. По-специално, клиницистите са наблюдавали отблизо предварителните резултати от отворено проучване, RECOVERY (), което предполага клинично значимо намаляване на смъртността при пациенти, нуждаещи се от кислород и вентилация, когато се лекуват с 10-дневен курс на дексаметазон 6 mg (за вентилирани пациенти, 34 за невентилирана кислородна терапия). Не се наблюдава полза от смъртност при пациенти с ранно заболяване или леко до умерено заболяване, което не изисква кислородна терапия, което предполага, че дексаметазонът действа срещу възпалителния отговор в по-късните етапи на заболяването, а не намалява вирусния товар [ 24 ]. Други кортикостероиди също бяха проучени накратко и се използват клинично с полза [ 25 ], но бяха спрени рано в очакване на публикацията на проучването RECOVERY: те включват хидрокортизон в проучванията REMAP-CAP и CAPE COVID [ 26 ] и метилпреднизолон [ 27]. Предвид безразборния противовъзпалителен характер и рисковете от кортикостероидите, включително дисгликемия, имуносупресия, латентно реактивиране на инфекция, особено със Strongyloides [ 28 ], и възбуда, изследователският интерес разцъфтява във фармакотерапиите, насочени към специфични противовъзпалителни пътища.
Клиницисти съобщават за цитокинови бури, проявяващи се при пациенти с тежък COVID-19, което насърчи допълнителни изследвания на молекули, които са насочени към провъзпалителни пътища за лечение на ARDS и мултиорганни последици [ 29]. Някои от тези молекули включват интерлевкини, като анакинра (анти-IL-1), авиптадил (анти-IL-6 и антитуморен некрозис фактор (TNF)), моноклонални антитела (анти-IL-6; тоцилизумаб, сарилумаб и силтуксимаб) и JAK инхибитори (анти-IL-6; руксолитиниб барицитиниб); общи противовъзпалителни средства като колхицин; и стероид-съхраняващи имуносупресори като сиролимус и такролимус. Някои от тези проучвания предполагат потенциална клинична полза при COVID-19. Например, анакинра 5 mg/kg два пъти дневно може да подобри преживяемостта при пациенти с умерен до тежък ARDS в сравнение с историческа кохорта [ 30 ]. По същия начин, проучвания с тоцилизумаб за пациенти, изпитващи цитокинови бури, предполагат потенциална полза от една или две дози от 400 до 800 mg [ 31 , 32]. Въпреки това, лечението с тоцилизумаб в някои случаи влошава инфекциите с COVID-19, вероятно поради имуносупресия [ 33 ]. По същия начин, проучвания с други молекули предполагат липса на клиничен ефект или потенциална вреда, дължаща се на имуносупресия (като със сарилумаб) [ 34 ], или недостатъчна мощност на статистическия анализ за измерване на ползата от смъртността (като при колхицин) [ 35 ].
2.3. Терапии с допълнителни ползи от други механизми на действие
Молекулите, насочени към други пътища на гостоприемника, също се изследват и много проучвания, както е показано в таблица 1 , все още продължават. Проучванията на миши предполагат, например, че белодробните последици като инфилтрация на левкоцити и остра белодробна недостатъчност от свързания SARS-CoV от пандемията от 2003 г. могат да бъдат намалени с лосартан 15 mg/kg рецепторен блокер (ARB) на ангиотензин II, вторично след инхибиране на ACE2 свързване на вирусен Spike-Fc [ 36 ]. По същия начин, фамотидин, блокер на хистаминови 2-рецептори, използван за лечение на киселинен рефлукс, може да инхибира вирусната репликация чрез механизъм, който все още се изследва. Терапията с фамотидин е свързана с намалена болнична смъртност или интубация [ 37 ], като се съобщава за някои случаи на намалена тежест на амбулаторните симптоми [ 38]. Освен това, скорошните разработки в коагулопатията вторично на цитокиновите бури, които излагат базалната мембрана и активират коагулационните каскади, са усъвършенствали изследванията за насочване на VEGF (с бевацизумаб), тъканни плазминогенни активатори (алтеплаза) [ 39 ], и антикоагуланти, фондапаринупарин (аргапараринупарин). и ривароксабан) [ 40 ].
Интересно е, че някои молекули са изследвани въз основа на ретроспективни наблюдения на пациенти с полифармация. Много от които изглежда корелират с лекарства, които намаляват възпалението и оксидативния стрес. Например, някои проучвания предполагат, че инхибиторите на натриево-глюкозния котранспортер-2 (SGLT2), клас мултифункционални антихипергликемични средства, могат да предотвратят дихателна недостатъчност, свързана с ендотелни разрушаване, възпаление и оксидативен стрес чрез предполагаемо намаляване на серумното производство на лактат и цитокини. Понастоящем се провеждат проучвания с дапаглифлозин при пациенти със или без диабет ( NCT04350593 ) [ 41]. Освен това, минали проучвания с антилипидемични „статинови“ лекарства (напр. аторвастатин) предполагат подобрено управление на симптомите при пациенти със съпътстващи вирусни инфекции с годишна инфлуенца по птиците и H1N1 от 2009 г. Тези ефекти могат да бъдат приписани на техните противовъзпалителни, антиоксидантни и ACE2-понижаващи ефекти, които са довели до допълнителни клинични проучвания с аторвастатин [ 42 ]. Всъщност тази прогноза може да бъде подкрепена от наблюдения от употребата на статини, например, за превенция на цитокини и оксидативен стрес-медиирана йодирана контраст-индуцирана нефротоксичност [ 43 ].
Някои мозъчни тръстове са взели предвид случайни открития на морфина и неговите инхибиторни ефекти върху производството на цитокини, особено при пациенти с диспнея. Проучванията откриват понижени нива на IL-12, TNF и интерферони, макар и непоследователно, когато морфинът се използва при пациенти с хронична обструктивна белодробна болест (ХОББ) [ 44 ]. Други ефекти, наблюдавани от употребата на морфин, могат да бъдат преведени до подобни характеристики в колекцията от синдроми, свързани с COVID-19. Едно такова проучване изследва превенцията на реперфузионно увреждане, свързано с митохондриите, вторично след перкутанната интервенция след инфаркт на миокарда. Чрез предотвратяване на притока на реактивни кислородни видове и евентуална клетъчна смърт, морфинът може да има известен ефект за предотвратяване на увреждане след възстановяване на кислородния статус на клетките [ 45]. Проучвания с употребата на морфин при диспнея са били набирани по време на тази статия ( NCT04522037 ).
Въпреки действащите очертани и над 9100 регистрирани клинични проучвания до момента [ 5 – 7 ], по-голямата изследвания визия е тунелиране на отделни механизми, които включват вирусното навлизане, инхибиране на репликация, или цитокин затихване [ 46 ].
3. Значение и възможни механизми на молекулярния водород при лечение на COVID-19
Алвеоларната хипоксия, алвеоларните макрофаги и реактивните кислородни видове (ROS) причиняват възпалителен отговор, който може да доведе до ARDS. Излишната секреция на провъзпалителни цитокини може допълнително да увреди множество органи. За справяне с всички тези допринасящи фактори за цитокинова буря при COVID-19, вдишването на молекулен водород може да предложи ефективно решение за справяне както с хипоксията, така и с оксидативния стрес, като по този начин се намалява секрецията на цитокини надолу по веригата. Много доклади описани възможните механизми на молекулни водородни действия срещу различни заболявания [ 47 – 60]. Повечето от тези доклади разкриват три основни ефекта на молекулярния водород в патофизиологията: антиоксидантен стрес, противовъзпалителни и антиапоптотични ефекти. Тези три категории обаче включват също много подгрупи от различни ефекти на молекулярния водород, наблюдавани в различни изследвания, например регулиране на оксидативния стрес, регулиране на стреса на ендоплазмения ретикулум, регулиране на митохондриите, инхибиране на свръхактивирането на имунната система, предотвратяване на апоптоза , регулиране на аутофагията, намаляване на свързаното с пироптоза възпаление, защита на клетките от пироптоза, положително регулиране на фероптозата и потенциално регулиране на циркадния часовник. През 2020 г. Yang et al. изброява възможните механизми на молекулярния водород в 10 основни болестни системи [ 48]. През 2011 г. Ohta обобщи заболяванията и органите, насочени към третирането с молекулен водород. След появата на болестта COVID-19 бяха приложени много глобални усилия за борба с тази пандемия [ 61 ]. В Китай известният епидемиолог д-р Zhong Nanshan е приложил H 2 /O 2 инхалация за лечение на повече от 2000 пациенти с COVID-19 с много положителни и ефективни резултати [ 62 , 63 ]. Освен това на платформата ResearchGate стартира глобална научна дискусия относно възможността за използване на молекулен водород при лечение на COVID-19 [ 64 ]. Публикувани са няколко статии за потенциалните ползи от терапията с молекулен водород за COVID-19 [ 48, 65 , 66 ], включително способността му да се бори с ефектите от умората [ 67 ]. Въпреки че полезните му ефекти са докладвани в литературата и демонстрирани в някои клинични проучвания, е необходим системен преглед на свойствата и основните механизми на молекулярния водород, за да се разшири ползата от положителните му ефекти при лечението на COVID-19. Понастоящем няма доклад, който да изяснява напълно механизмите зад положителното влияние на молекулярния водород при лечението на COVID-19.
4. Физични, химични и биологични свойства и безопасност на молекулния водород
4.1. Физични свойства на молекулния водород
Водородът е най-разпространеният елемент във Вселената, особено в звездите. Той се комбинира с друг водороден атом, за да образува молекулен водород, с химически символ на H 2 . H 2 е най-малката и най-леката молекула с плътност 0,08988 g/L при стандартна температура и налягане (STP). Молекулният водород обаче е рядък в земната атмосфера на ниво от около 0,53 ppm [ 68 ]. Водородът се характеризира физически като нетоксичен, безцветен, без мирис, вкус и неметален газ при стандартна температура и налягане. H 2 има по-ниска разтворимост във вода в сравнение с кислорода и въглеродния диоксид с 0,8, 1,3 и 34,0 mmol/L при 20°C, съответно [ 69]. Наситената с водород вода съдържа 0,78 mM (1,6 mg/L) водород при 25°C. Беше пресметнато, че 2-5% от Н 2 се губи всеки 3 минути когато водород богати вода се съхранява в отворен контейнер [ 70 ]. За да се запазят нивата на водород в богати на водород вода по време на съхранение, продуктът трябва да се напълни в метална опаковка, такава като алуминиев като пластмаси са пропускливи за Н 2 [ 51 ].
4.2. Химични свойства на молекулния водород
Най-ранното известно химическо свойство на водорода е, че той изгаря с кислород, за да образува вода. При обикновени условия, водород газ е спорна агрегиране на водородни молекули, всяка молекула, състояща се от двойка водородни атоми, за да се образува молекула, молекула, Н 2 [ 71 ]. Освен това молекулярният водород може да реагира с много елементи и съединения, но при стайна температура скоростите на реакцията обикновено са толкова ниски, че са незначителни поради много високата му енергия на дисоциация [ 72 ].
В хранително-вкусовата промишленост H 2 е класифициран като хранителна добавка с E949, а в Европейския съюз (ЕС) е разрешен в част C група I на регламент 1129/2011 добавки, разрешени при quantum satis [ 73 ]. При нормална температура и налягане H 2 се счита за некорозивно и не много реактивно вещество (инертен газ). Използва се за съхраняване на хранителни продукти в опаковки в модифицирана атмосфера до CO 2 и N 2 и така ги предпазва от нежелани химични реакции като разваляне и окисляване на храната по време на последващо транспортиране и съхранение [ 74 , 75]. Добавянето на молекулен водород, т.е. хидрогенирането, се използва за производство на маргарин и растително скъсяване чрез превръщане на ненаситени течни животински и растителни масла и мазнини в наситена твърда форма. Тези процеси изискват катализатор и високи температури и налягания за преодоляване на енергията на активиране на стабилната неполярна ковалентна връзка, която държи водородните атоми заедно. Освен това водородът се използва за редуциране на алдехиди, мастни киселини и естери до съответните алкохоли.
4.3. Биологични свойства на молекулния водород
Чревните бактерии при хората естествено произвеждат водород при около 50 до 1000 mg/ден [ 76 , 77 ] чрез разграждане на олигозахариди [ 78 ]. Въпреки това, количеството H 2, произведено чрез ферментация на дебелото черво, се консумира частично от бактериалната флора в дебелото черво [ 70 ]. Съобщава се, че поглъщането на вода, богата на водород, увеличава както водородните пикове, така и площта под кривата (AUC) на водорода в дишането по дозо-зависим начин [ 79 ] в рамките на 10 минути след поглъщане [ 70 ]. Установено е, че около 41% от поглъщане Н 2 чрез водород богати вода се съхранява в тялото [ 70 ]. Загубата на Н 2от повърхността на кожата е незначително (по-малко от 0,1%). Водородът може да се прехвърли в млякото, когато майката пие богата на водород вода [ 80 ]. H 2 няма неблагоприятни ефекти върху нивото на насищане с артериален кислород (SpO 2 ) и хемодинамичните параметри [ 81 ]. Вдишването на смесен газ H 2 /O 2 не пречи на никакви жизненоважни признаци на тялото, включително дихателна честота, сърдечна честота, кръвно налягане и пулсова оксиметрия [ 82 ].
4.4. Безопасност на молекулярния водород
Американската конференция на правителствените индустриални хигиенисти класифицира водорода като обикновен задушник и описва основната му опасност поради неговите запалими и експлозивни свойства [ 83 ]. Водородът е силно запалим в диапазон от 4-75% ( / ) във въздуха и експлодира във въздуха в диапазона от 18,3-59% ( / ) [ 84 , 85 ]. Въпреки това, разреждането на водорода с азот намалява риска от експлозия [ 86 ]. Освен това температурата на самозапалване (температурата, при която ще се случи спонтанно запалване) на водорода е доста висока, т.е. 500°C.
5. Редокс-свързани механизми в патофизиологията на COVID-19
Клетъчният редокс статус може да повлияе на структурния състав на различни чувствителни компоненти, намиращи се вътре или на повърхността на клетката. Тези чувствителни към редокс компоненти включват много протеини/ензими, съставени от аминокиселини/пептиди, съдържащи сяра (SH и SS), което ги прави чувствителни към редокс състоянието на околната среда. Метионин, цистеин (Cys), цистин, хомоцистеин, глутатион и сероводород са често срещаните съединения, съдържащи сяра, които оказват влияние върху регулирането на протеините и клетъчното сигнализиране. Освен това, кофакторите като Fe, Zn, Mg и Cu, открити в тяхната окислена или редуцирана форма, правят клетъчните ензими податливи на окислително-редукционната промяна в околната среда. По същия начин можем да обсъдим ефекта на редокс стойността върху различни окислително-чувствителни молекули, разположени на повърхността на клетката, като ензими, протеини, фосфолипиди, и наситени и ненаситени мастни киселини, които могат да станат мишени за редокс промяна в околната среда/цитоплазмата. Модификацията в структурата на тези компоненти може пряко да повлияе на различни функционални и структурни клетъчни системи като клетъчен транспорт и биоенергетика.
Клетката притежава редокс хомеостазна система, която регулира много ключови функции като протеинов синтез, ензимна активност, метаболитни пътища и транспорт през мембраната. Тази редокс хомеостаза може да се регулира от различни фактори като оксидоредуктази (каталаза (CAT), супероксид дисмутаза (SODs) и глутатион пероксидаза (GPXs)), метални йони (Fe, Cu, Mg и др.), метаболити (аденозин трифосфат/ аденозин монофосфат (АТР/АМФ), глицералдехид 3-фосфат дехидрогеназа (GAPDH) и междинни продукти от цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA), газообразни сигнални молекули (ROS, H 2 , H 2 S, CO, NO • и др.), и вътрешни антиоксиданти (аскорбат, витамин Е, β-каротин, урати и тиоли). Аминокиселините и техните макромолекули, т.е. пептиди и протеини, могат да повлияят и да бъдат повлияни от редокс състоянието на цитоплазмата и околната среда. Аминокиселините, пептидите и протеините, съдържащи тиоли (SH), образуват мишени за оксиданти като ROS [ 49 ]. Производството на ROS и/или промяната в съотношението тиоли/дисулфид водят до нарушаване на вътреклетъчната редокс хомеостаза. Тази критична ситуация кара клетката да усети редокс сигнализация и по този начин да регулира клетъчното редокс състояние [ 49]. Когато нивата на генерираните ROS са високи, клетката може да използва редокс-чувствителните сигнални пътища и транскрипционни фактори, за да регулира гените, кодиращи редуктанти като тиоли, ензими, тиоредоксин (Trxs) и глутаредоксини (Glrxs), които ще нулират [редокс хомеостаза 49 ]. Въпреки това, когато ситуацията е по-тежка с много високи нива на ROS, например, по време на остро нараняване или възпаление, настъпва увреждане на различни макромолекули и клетъчни структури и функции, което може да доведе до необратимо нараняване и клетъчна смърт. Наличието на молекулен водород в последния случай може да смекчи цитотоксичните ефекти на ROS чрез намаляване само на най-агресивните, т.е. • OH и ONOO –, без да се засягат физиологично полезните ROS-зависими сигнални молекули, т.е. O 2 •− , H 2 O 2 и • NO, и по този начин се поддържа редокс хомеостаза на клетката [ 52 ].
Модификацията на структурния състав на протеините, дължаща се на промяната на тиол (SH) в дисулфидна (SS) форма, нарушава молекулярния шаперонинг, транслацията, метаболизма, цитоскелетната структура, клетъчния растеж и сигналната трансдукция. Освен това образуването на дисулфидни връзки засяга конформацията на редокс-чувствителните протеини [ 58 ]. Съобщава се, че в окислителна среда, сярната група в цистеина може да образува вътремолекулни дисулфидни връзки, създавайки обратима напречна връзка, която може да бъде разкъсана в присъствието на редуциращ агент [ 87 ]. Условията на оксидативен стрес се характеризират с високо генериране на ROS и са свързани с много заболявания, включващи образуване на дисулфидни връзки [ 87]. Тиол-дисулфидните реакции следват обменен и зависим от скоростта механизъм на разкъсване на връзката [ 87 ].
5.1. Значение на тиолите за клетъчния редокс статус
Доказано е, че тиолите играят ключова роля в много функционални процеси в клетъчната физиология. Глутатионът (GSH), например, беше идентифициран като важен вътреклетъчен антиоксидант тиол, който играе съществена роля в защитата срещу нараняване, медиирано от околната среда, в допълнение към ролята му в процеса на редокс сигнализиране [ 88 ]. Увеличаването на вътреклетъчното съдържание на GSH води до намаляване на освобождаването на цитокини и хемокини от белодробните клетки чрез намаляване на активирането на NF- κ B. Това свойство е свързано с антиоксидантната активност на GSH [ 88]. Обикновено глутатион дисулфидът (GSSG) представлява по-малко от 1% от общия клетъчен GSH пул. Смущението в съотношението GSH/GSSG поради прекомерното генериране на ROS може да промени сигналните пътища, които играят ключова роля в много физиологични реакции като клетъчна пролиферация, аутофагия, апоптоза и генна експресия.
Съобщава се, че активирането на редокс-чувствителни транскрипционни фактори като ядрен фактор, свързан с еритроид 2 фактор 2 (Nrf2), NF- κ B и активаторен протеин 1 (AP-1) по различен начин регулират гените за провъзпалителни цитокини, както и защитните антиоксидантни гени [ 88 ]. Освен това, GSH се счита за решаващ фактор за ензимната активност на GPx, който е основен принос за клетъчната ензимна антиоксидантна защита [ 89 ]. Продължителното окислително предизвикателство води до изчерпване на белодробния GSH заедно с други антиоксиданти, формиращи основните причини за много белодробни заболявания, напр. ARDS, хронична обструктивна белодробна болест (ХОББ), астма, кистозна фиброза (CF), идиопатична белодробна фиброза (IPF) и неонатално белодробно заболяване [ 88]. Освен това беше установено, че нивата на GSH са изчерпани при няколко вирусни инфекции като инфекция с ХИВ, грипен вирус А, вирус на хепатит С и вирус на херпес симплекс-1 [ 90 ]. От друга страна, намаляването на нивата на GSH в течността на белодробната лигавица е показано при различни белодробни заболявания като IPF, ARDS, CF, пациенти с белодробен алографт и пациенти с човешки имунодефицитен вирус (HIV) [ 88]. Това наблюдение се обяснява с образуването на дисулфидни връзки поради огромното генериране на ROS. Съответно са проучени няколко подхода за повишаване на клетъчните нива на GSH, за да се подобри способността на клетката да се справя с повишеното производство на ROS. Доказано е, че самото приложение на GSH има ограничена терапевтична стойност поради краткия му плазмен полуживот, т.е. <30 минути, и неспособността му да премине през клетъчната мембрана. Следователно, други стратегии са оценени за увеличаване на вътреклетъчните GSH пулове.
Една от най-изучаваните про-GSH молекули е N-ацетил-L-цистеин (NAC). Roederer et al. демонстрира през 1992 г., че NAC инхибира репликацията на HIV in vitro [ 91 ]. Съобщава се, че NAC, аскорбинова киселина и витамин Е намаляват както вирусната репликация, така и възпалението в клетките на мишки, заразени с грипни (IV) и/или човешки респираторно-синцитиални (HRSV) респираторни вируси [ 92 ]. Въпреки че лечението на NAC in vitro и in vivoекспериментите показват повишаване на нивата на GSH, което намалява вирусния товар чрез инхибиране на вирусната репликация в няколко вируса, напр. грип A (H3N2 и H5N1), защитният ефект само на NAC изглежда слаб или нулев в някои модели с вариация в неговата ефикасност в зависимост от върху инфектиращия вирусен щам [ 93 ]. Въз основа на опитно проучване на 198 пациенти с COVID-19, забележимо повишаване на нивата на глутатион редуктазата се наблюдава при около 40% от пациентите с COVID-19 [ 93 ], което предполага повишаване на метаболизма на GSH. Въпреки това, въпреки че NAC може да бъде ефективен в този случай, неговите антиоксидантни и терапевтични ползи може да са специфични за щама. Следователно са необходими клинични доказателства, преди да може да се препоръча добавка на NAC. Освен това понастоящем няма специфични за COVID доказателства за употребата на NAC [93 ].
5.2. Потенциална употреба на молекулен водород за подобряване на клетъчния редокс статус
Съобщава се, че благоприятен баланс на GSH облекчава бронхиалната астма чрез потискане на производството на хемокини и самата миграция на еозинофили [ 88 ]. Последните автори разкриха, че малки промени в клетъчния редокс статус могат да променят сигналните пътища, а съотношението GSH/GSSG може да служи като добър индикатор за клетъчното редокс състояние. Докато увеличаването на GSH/GSSG води до пролиферация, намаляването на GSH/GSSG причинява апоптоза. Установено е, че GSH/GSSG и Cys/CySS са намалени при някои заболявания, свързани с оксидацията, като тютюнопушене, диабет, затлъстяване и пневмония [ 94 ]. Най-податливи на развитие на COVID-19 и сериозно заболяване са тези с подлежащи патологии като затлъстяване, което е свързано с нарушена редокс и възпалителна хомеостаза [ 95]. Друга полезна роля на водорода при заболявания, свързани с оксидативния стрес, може да се дължи на балансирането на SS/SH в полза на тиолите. Предишни доклади показват, че наличието на редуциращи агенти намалява броя на дисулфидните връзки, което води до загуба на индуцирана от напречни връзки стабилност, произведена от химическата микросреда [ 58 ]. През 2012 г. Keten et al. съобщават, че стабилността на дисулфидната връзка може леко да бъде повлияна от редокс стойността на химическата микросреда, където концентрацията на редуциращи агенти може да предизвика различни фрактури в протеина чрез намаляване на енергийната бариера при разкъсване на дисулфида [ 87]. Те извършиха симулация на разкъсване на дисулфида в присъствието на водородна молекула, илюстрираща механизма на редукция на дисулфидната връзка. Това явление се обяснява с удължаването на дисулфидната връзка, което води до отслабване на връзката, последвано от намаляване на серните атоми и счупване на протеина при SS връзката. Авторите предполагат, че реакцията на водородната молекула с дисулфидна връзка протича бурно, след като те са близо един до друг [ 87 ] (Таблица 2 ). Въпреки това, няма доказателства, че този хипотетичен механизъм е отговорен за наблюдаваните биологични ефекти на молекулния водород при подобряване на съотношението GSH/GSSG. Въпреки това, H 2 може да повиши нивата на GSH [ 96 ] чрез активиране на Nrf2 пътя [97 ]. Докладвано е незначително увеличение на GSH, GSH/GSSG и GSH пероксидаза, комбинирано с намаляване на нивата на GSSG в черния дроб на плъхове, хранени с вода, богата на водород, в сравнение с контролата [ 98 ].
Интересното е, че както ендогенните, така и екзогенните оксиданти се нуждаят от часове, за да повлияят значително нивата на GSH в по-голямата част от клетките [ 88]. Това е нож с две остриета, защото, от една страна, редокс статусът остава в диапазона на хомеостаза въпреки значителното количество оксидативен стрес. От друга страна, когато съотношението GSH/GSSG се промени достатъчно, за да бъде открито, може да е твърде късно и/или твърде трудно да се възстанови хомеостазата чрез фармакологични интервенции. След като нивата на GSH са изчерпани, антиоксидантният редокс цикъл също се влияе негативно, което потенциално прави фармакологичните интервенции или антиоксидантните добавки по-малко ефективни. Въпреки това, преждевременното поглъщане на редуциращи вещества през устата или интравенозно може да влоши редокс състоянието. Обратно, молекулярният водород е способен да достигне до всяка органела в клетката за минути и не нарушава съотношението GSH/GSSH от оптималната хомеостаза. Вместо това H 2модулира сигналната трансдукция и поддържа оптимална редокс хомеостаза в клетката (Таблица 2 ). По този начин Н 2 има способността да действа като редуциращ агент при ниска концентрация със способността да антагонизира ROS-индуцираните вредни ефекти върху клетъчното сигнализиране [ 50 ]. H 2 се характеризира със способността си да намалява нивата на ROS чрез регулиране на супероксид дисмутаза (SOD) и глутатион (GSH), както и понижаване на експресията на NADPH оксидаза (NOX 2) в модел на плъх [ 101 ] (Таблица 2 и Фигура 2 ).
Допълнителна, но решаваща роля на водорода е открита в процесите на възстановяване на клетъчно увреждане, произведено чрез високо генериране на ROS. H 2 може да индуцира протеини от топлинен шок (HSPs) и да потисне производството на ROS [ 58 ]. Например, активирането на глутатион / тиоредоксин системи, което намалява H 2 O 2 образуване индуцирана дисулфидна връзка, е друг възможен механизъм в основата на Н 2 , индуцирано от премахването на ROS увреждане на инозитол 1,4,5-трифосфат рецептори (IP3Rs) [ 58 ]. H 2 O 2 е силно реактивна молекула, способна на окисляване сулфхидрилни групи на цистеин и метионин в протеини и формиране сулфеновата киселина или дисулфид [ 49 ,58 ]. Тази модификация в структурата предизвиква дисфункция на протеините, което води до нарушаване на много физиологични процеси. Чрез това явление H 2 O 2 успя да намали Ca 2+ сигнала чрез задействане на образуването на IP3R дисулфидна връзка. Обаче, функцията IP3R частично защитено чрез третиране с Н 2 [ 58 ]. С други думи, Н 2 съдържащ среда защитен АТР-индуцирано Са 2+ сигнал чрез намаляване на H 2 O 2 индуциран дисулфидните връзки в IP3Rs.
Съобщава се, че инфекцията със SARS-CoV-2 предизвиква увреждане, свързано със свободните радикали в тялото, като се насочва към различни молекули. Следователно всички терапевтични средства, които могат да облекчат свободните радикали, могат да бъдат обмислени за пациенти с COVID-19, за да завладеят предизвикания от възпаление изблик на свободни радикали [ 104 ]. Бързата газообразна дифузия на H 2 го прави много ефективен за проникване в субклетъчните части на тялото. Важно е, че H 2 е идентифициран като клинично по-ефективен от два ROS акцептора за лечение на мозъчен инфаркт, т.е. едаравон и FK506, за облекчаване на оксидативното увреждане [ 105 ]. В допълнение към по-голямата полза в сравнение с други ROS чистачи, H 2се счита за достатъчно лек, за да не повлияе на ROS, които играят съществена роля в сигналната трансдукция като H 2 O 2 , NO • и O 2 –• [ 50 ]. H 2 може да реагира само с най-силните окислители, т.е. • OH и ONOO – , които се считат за най-реактивните ROS (Фигура 2 ). Освен това, H 2 не редуцира окислената форма на някои биомолекули/кофактори, участващи в метаболитни реакции на оксидоредукция, напр. NAD + , FAD или окислената форма на цитохром С [ 50 ] (Таблица 2 ).
5.3. Свързан с алвеолите Механизъм на лечение на COVID-19 на базата на молекулен водород
Белодробните сърфактанти играят различни важни роли във функцията на алвеолите. Повърхностноактивните вещества предотвратяват колапса на белите дробове, увеличават газообмена и допринасят за еластичните свойства на белите дробове. Тези функции на повърхностноактивните вещества могат да бъдат изпълнени поради способността им да намаляват повърхностното напрежение вътре в алвеолите. Тези повърхностно активни вещества са съставени от липиди, фосфолипиди и протеини, синтезирани и секретирани от клетки от алвеоларен тип II, които облицоват алвеоларните повърхности на белите дробове [ 106 ]. Течните облицовъчни алвеоларни повърхности съдържат различни антиоксиданти като GSH, витамин С и церулоплазмин, които могат да гасят свободните радикали [ 106]. Съобщава се, че съдържанието на GSH в течностите на респираторния тракт (RTLFs) е поднормално при различни заболявания като синдром на остър имунодефицит (СПИН), идиопатична белодробна фиброза, кистозна фиброза, синдром на остро респираторно заболяване и при пациенти с белодробна алография [ 107 ] . Съобщава се, че SOD и CAT се намират както в повърхностно активното вещество, така и в течността на белодробния епител и участват в регулирането на постнаталното развитие на белодробните съдове и в защитата на микроваскулатурата от ROS-индуцирано увреждане [ 108 ].
Окислителната модификация на повърхностноактивните вещества поради ефекта на ROS върху фосфолипидите, липидите, протеините и биофизичната активност може да доведе до дисфункция и няколко белодробни заболявания като остро белодробно увреждане и остър респираторен дистрес синдром [ 109 ]. Производството на ROS може да доведе до повишена липидна пероксидация и разрушаване на клетъчната мембрана на алвеоларните епителни клетки и повишена пропускливост на мембраната [ 99 ].
Съобщава се, че два фактора насърчават окисляването на повърхностноактивните липиди. Първо, прекомерното производство на ROS прави антиоксидантната защита неспособна да осигури защита. Второ, основните антиоксиданти в алвеолите могат да бъдат изключени от микросредата [ 106 ]. В ROS или реактивни азотни видове (RNS), особено ONOO – , произведени по време на увреждане на белия дроб може да доведе до инактивиране повърхностно активно вещество води до увеличаване на изтичане на протеини в алвеолите [ 110 ]. Последната ситуация удължава нуждата от допълнителен кислород и асистирана вентилация. Съобщава се, че след като SARS-CoV-2 навлезе в дихателните пътища, той достига до алвеолите, където основната му цел е пневмоцит тип II, като по този начин нарушава производството на повърхностно активно вещество [ 111]. Съобщава се, че и двата вируса SARS-CoV-2 и SARS-CoV-1 нарушават алвеолите, за да предизвикат основната патология в белите дробове, което води до повишено навлизане на течности, клетъчна смърт и възпаление, заедно с намаляване на газообмена и нивата на повърхностно активно вещество [ 112 ] (Фигура 3 ).
Предложени са различни антиоксиданти за предотвратяване на липидната пероксидация на белодробни повърхностно активни вещества като мелатонин-ебселен и витамин Е [ 106 ]. Важно е, че се съобщава, че непрекъснатото излагане (24 часа) на 10% водород намалява производството на ROS в A549 човешки белодробни епителни клетки [ 80 ]. Също така беше разкрито, че вдишването на 2% водород намалява увреждането на органите, предизвикано от септичен шок, и намалява неутрофилния инфилтрат в алвеолите и намалява увреждането на алвеолите [ 99 ]. От друга страна е доказано , че вдишването на смесен газ H 2 /O 2 намалява инспираторното усилие при пациенти с остра тежка трахеална стеноза [ 82]. Освен това се съобщава, че богатата на водород вода предпазва от алвеоларно разрушаване, като отслабва окислителното увреждане на ДНК и белодробния оток, предизвикан от плуване (SIPS) в белите дробове на мишки с ХОББ модел [ 102 ]. Освен това е установено, че богатата на водород вода намалява увреждането на белите дробове чрез инхибиране на липидната пероксидация [ 103 ]. Съобщава се също, че богатият на водород физиологичен разтвор намалява производството на ROS в алвеоларните епителни клетки, отслабва увреждането на алвеоларната епителна бариера, подобрява алвеоларния газообмен и намалява клетъчното увреждане, причинено от апоптоза на алвеоларни епителни клетки и прекомерна аутофагия [ 60 ] (Таблица 2 ).
6. Заключение и перспективи
Обяснението за благоприятните ефекти на молекулярния водород при лечението на COVID-19 е свързано с различните свойства на молекулния водород: (1) малкият молекулен размер и неполярността на H 2 му позволяват бързо да проникне в тъканите и клетките, (2) той може селективно да намали само цитотоксичните ROS, (3) може да потисне прекомерното производство на иначе добри ROS, (4) може да потисне провъзпалителните цитокини, (5) може да индуцира цитопротективни протеини на топлинен шок, (6) може да подобри митохондриалната биоенергетика и (7) няма известни токсични ефекти дори при много високи нива [ 114 ]. Тези свойства могат да обяснят подобряването на състоянието на пациенти с COVID-19, лекувани чрез вдишване на смесен газ H 2 /O 2 (67% H 2/33% O 2 ), които усетиха намаляване на болката в гърдите и кашлицата и по-лесно по-дълбоко дишане и усещане за комфорт [ 62 , 63 ]. Положителните резултати от пилотното проучване накараха д-р Zhong Nanshan, епидемиологът, който открива вируса на SARS (SARS-CoV-1) през 2003 г., да препоръча инхалационна терапия с H 2 /O 2 за пациенти с COVID-19 [ 115 ] и подтикна повече клинични изпитвания, използващи смесен газ H 2 /O 2 [ 116 – 118 ].
В момента има двадесет регистрирани клинични проучвания за употребата на H 2 за COVID-19. От тях четири са регистрирани в Центъра за медицина, базирана на доказателства (Оксфорд), използвайки инхалация на смесен газ с H 2 /O 2 [ 116 ], пет клинични изпитвания са регистрирани в ClinicalTrials.gov на Националната медицинска библиотека на САЩ за инхалация [ 118 ], в ICTRP (СЗО) са регистрирани осем клинични проучвания с шест за вдишване и две проучвания за вода, богата на водород [ 8 ], и са регистрирани три клинични изпитвания, свързани с употребата на вдишване или поглъщане на вода, богата на водород в Центъра за регистър на китайските клинични изпитвания [ 117 ]. До момента отчетените ползи от H2 терапия при пациенти с COVID-19 са ограничени до симптоматичното описание. За да се разшири полезността на H 2 терапията при COVID-19, е необходимо по-задълбочено разбиране на основния механизъм на H 2 при пациентите. Поради това се препоръчва точен анализ на широк спектър от биомаркери, за да се очертае връзката между клиничните и биохимичните прояви и предложения биологичен ефект на H 2 .
Според доклада на СЗО, данните от Китай и по света показват, че по-голямата част от хората с COVID-19 имат леко заболяване, около 15% от тях имат тежко заболяване, изискващо кислородна терапия, а 5% са критично болни, изискващи механична вентилация. Поради широкото предаване и появата на по-инфекциозни варианти на SARS-CoV-2, много болници са затрупани от натрупването на нови пациенти с COVID-19 и са изчерпали леглата за интензивно лечение и вентилаторите в някои региони. Следователно, алтернативно, но ефективно лечение, например вдишване на H 2 /O 2 газ, би облекчило натиска върху болниците и би предотвратило тежко заболяване на пациенти с COVID-19.
Медицинският модел на машина за смесен газ H 2 /O 2 е малък, преносим и безопасен [ 119 ]. Това струва около една десета от цената на вентилатор. Инхалационното лечение с H 2 /O 2 може да се извършва в обикновени отделения или от амбулаторни пациенти в домашна изолация с помощта на преносимо устройство за генериране на H 2 /O 2 и инхалация. Този вид лечение може да намали времето за хоспитализация за голям брой пациенти. Тази стратегия може да намали натиска на огромния брой пациенти върху болниците. Важно е да се спомене, че въпреки че молекулярният водород не се счита за лекарство, приемът му по различни начини, като пиене на богата на водород вода или вдишване на H 2 /O2 газът може да бъде полезен за превантивното медицинско здраве в допълнение към неговата терапевтична употреба. Поради високия профил на безопасност и благоприятните предварителни резултати в предклиничните и клинични проучвания се насърчава прилагането и допълнителните изследвания на терапията с молекулен водород за COVID-19.
