Водород за превенция и лечение на сърдечно-съдови заболяванияНаучно Изследване

оригинално заглавие (букв. прев.): Водород за превенция и лечение на сърдечно-съдови заболявания

Публикувано на: 24/06/2016

Абстракт

бстракт

Заключение

Прекомерното производство на свободни радикали е медиатор на много сърдечно-съдови заболявания като исхемия/реперфузионно увреждане, включително тези, свързани със съхранението на присадки по време на сърдечна трансплантация, както и сърдечни заболявания, предизвикани от радиация. За да се предотврати или поне смекчи развитието на оксидативен стрес, е необходимо да се разработят нови подходи за ефективно и безопасно намаляване на патологичните последици от прекомерните нива на ROS.

Проучванията показват, че H ₂ може да лекува много заболявания, свързани с оксидативен стрес, включително сърдечно-съдови заболявания. Понастоящем се предполага, че основните механизми на действието на H ₂ са неговата модулация на сигналната трансдукция, промяна на генната експресия и, въпреки че е спорен и се нуждае от по-нататъшен анализ на биологичното му значение, неговия селективен ^• OH-улавящ ефект. Въпреки това, основната(ите) цел(и) на молекулярния водород остават неуловима, но може да включва принципа на хормезиса. Най-големите предимства при използването на H ₂ са лесното проникване през всички биологични мембрани, широк спектър от форми на приложение и малко или никакви значими докладвани нежелани ефекти. Така H ₂ може да представлява нова терапевтична стратегия за смекчаване на оксидативния стрес и неговите патологични последици.

Въпреки това, все още са необходими допълнителни изследвания, за да се определи оптималният метод на приложение, оптималната доза и честота, както и действителното клинично въздействие от използването на H ₂ заедно с потенциалните рискове/клопки, свързани с приложението му.

Нов подход за превенция и лечение на сърдечно-съдови заболявания. Молекулярният водород значително намалява ефектите от оксидативния стрес

Тайлър У. ЛеБарон , ^1, 2 Бранислав Кура , ¹ Барбора Калочайова , ¹ Нарцис Трибулова , ¹ и Ян Слезак ^1, *

Морис Кармазин, академичен редактор

Линк към оригиналния текст ….

абстракт

Сърдечно-съдовите заболявания са най-честите причини за заболеваемост и смъртност в световен мащаб. Редокс дисрегулацията и дисхомеостазата на възпалението възникват и водят до клетъчни аберации и патологични състояния, които водят до сърдечно-съдови заболявания. Въпреки годините на интензивни изследвания все още няма безопасен и ефективен метод за тяхното предотвратяване и лечение. Напоследък молекулярният водород беше изследван в предклинични и клинични проучвания върху различни заболявания, свързани с оксидативен и възпалителен стрес, като радиационно-индуцирана сърдечна болест, исхемично-реперфузионно увреждане, миокарден и мозъчен инфаркт, съхранение на сърцето, сърдечна трансплантация и др. се прилага предимно чрез вдишване, пиене на богата на водород вода или инжектиране на богат на водород физиологичен разтвор. Той благоприятно модулира сигналната трансдукция и генната експресия, което води до потискане на провъзпалителни цитокини, излишък на ROS производство и до активиране на Nrf2 антиоксидантния транскрипционен фактор. Въпреки че Х₂ изглежда е важна биологична молекула с антиоксидантни, противовъзпалителни и антиапоптотични ефекти, точните механизми на действие остават неуловими. Няма съобщена клинична токсичност; някои данни обаче предполагат, че H ₂ има лек ефект, подобен на хорметичен, който вероятно медиира някои от ползите му. Механистичните данни, съчетани с предклиничните и клиничните проучвания, предполагат, че H ₂ може да бъде полезен за ROS/индуцирана от възпаление кардиотоксичност и други състояния.

Ключови думи: сърдечна трансплантация, исхемично/реперфузионно увреждане, молекулен водород, оксидативен стрес, радиационно-индуцирано сърдечно заболяване

отидете на:

1. Въведение

Според статистиката сърдечно-съдовите и онкологичните заболявания са основната причина за повече от 93% от заболеваемостта и смъртността в световен мащаб [ 1 , 2 ]. Един от най-широко използваните методи за лечение на пациенти с онкологични заболявания е лъчетерапията, която използва йонизиращо лъчение. Това лечение уврежда раковите клетки, което води до тяхната апоптоза и евентуално излекуване на пациентите [ 3 ]. Въпреки това, по време на облъчване на ракови клетки, заобикалящата здрава тъкан също може да бъде засегната по невнимание, което от своя страна може да причини сериозни здравословни усложнения, включително радиационно-индуцирано сърдечно заболяване [ 4 , 5]. Исхемично/реперфузионно (I/R) увреждане представлява състояние, при което тъканите или органите са увредени поради излагане на период на исхемия, последван от попълване на богата на кислород кръв. I/R нараняването е замесено в патогенезата на различни клинични проблеми, включително инсулт, инфаркт на миокарда, трансплантация на органи, а също и при наранявания на различни органи като мозъка, сърцето, бъбреците и скелетните мускули [ 6 ]. Следователно изследванията в тази област и използването на напълно нови техники, които ще повлияят положително върху ефектите от прекомерното производство на свободни радикали върху сърдечно-съдовата система, могат значително да подобрят качеството на живот както на онкологичните, така и на кардиологичните пациенти.

Молекулният водород (H ₂ ) представлява ефективна и нетоксична молекула с широк потенциал за лечение на много заболявания, свързани с реактивни кислород/азотни видове (ROS/RNS), включително заболявания, предизвикани от облъчване [ 7 , 8 ]. Освен антиоксидантното действие, водородът проявява и своите полезни ефекти чрез намаляване на възпалението и модулиране на сигналните пътища, като по този начин осигурява цитопротекция [ 9 ]. Защитните ефекти на H ₂ са изследвани при патологични състояния като сърдечна фиброза, чернодробни увреждания, невронни заболявания, радиационно-индуцирани заболявания, диабет и др. [ 10]], в който небрежно участват свободните радикали. Исхемията и последващата реперфузия на сърцето представляват друго състояние, при което се произвеждат огромен брой увреждащи тъканите свободни радикали. I/R може да бъде важна ситуация, в която да се използва H ₂ , като помага за смекчаване/облекчаване на отрицателното въздействие на токсичните ROS/RNS [ 6 ]. Голямото предимство на използването на H ₂ е и широкият спектър от възможности за приложение на организма – чрез вдишване, пиене на вода, богата на H _{2 ,} произведена под налягане или използване на таблетки, произвеждащи H ₂ , използване на богат на H ₂ физиологичен разтвор или приемане Н ₂ баня [ 8 , 11 ].

Тази статия обобщава най-нова публикувана литература за използването на H ₂ при различни заболявания, свързани с ROS/RNS, като I/R нараняване, радиационно-индуцирано сърдечно заболяване и потенциалната употреба на H ₂ при трансплантации и съхранение на присадки, което е отблизо свързано с I/R нараняване. Ние също така накратко обсъждаме някои от молекулярните механизми на H ₂ и жизнеспособния потенциал за H ₂ в клинични ситуации.

2. ROS и сърдечно-съдови заболявания

Оксидативният стрес възниква в резултат на дисхомеостаза между ROS/RNS и антиоксидантната система за самозащита. Тази дисрегулация се счита за причинен общ знаменател за много патологични процеси, тъй като уврежда клетъчната и органната функция [ 12 ]. ROS са странични продукти от намаляването на кислорода, което се случва по време на нормалния клетъчен метаболизъм. Тези ROS/RNS включват супероксиден анион (O ₂ ^•− ), хидроксил ( ^• OH), пероксил (RO ₂ ^• ), алкоксил (RO ^• ) радикали и азотен оксид (NO ^• ) и други нерадикални видове, които могат да функционират като окислители, като водороден прекис (H ₂ O ₂ ), хипохлорна киселина (HOCl), озон (O₃ ), синглетен кислород ( ¹ O ₂ ) и пероксинитрит (ONOO ⁻ ). Основните източници на ROS са митохондриалното дишане, NADH/NADPH оксидаза и ксантин оксидоредуктаза (Фигура 1) [ 13 ]. Митохондриите са постоянно изложени на високи нива на ROS, които, ако са нерегулирани, могат да причинят увреждане на митохондриалната ДНК и клетъчна апоптоза [ 14 ].

Фигура 1

Производство на ROS: ефект на антиоксиданти и селективно действие на H ₂ . Схематични реакции на производството на ROS чрез действие на ензими по време на дишане в митохондриите. Зеленият цвят представлява нерадикални молекули, червеният цвят представлява ROS, създаден от нормалното дишане, жълтият цвят показва действието на H ₂ .

ROS изпълняват жизненоважни роли в модулирането на клетъчните сигнални пътища [ 15 ], генната експресия, клетъчната пролиферация, апоптозата [ 16 ], синтеза на ДНК, клетъчната миграция и инвазия, туморните метастази и ангиогенезата [ 17 , 18 ]. Оксидативният стрес и/или нитрозативният стрес могат да активират няколко транскрипционни фактора, включително ядрен фактор (NF)-κB, протеин на активатор 1, p53, индуцируем от хипоксия фактор 1-α (HIF-1α), матрични металопротеинази, пероксизомен пролифератор-активиран рецептор- γ, β-катенин/Wnt и ядрен фактор, свързан с еритроид 2 фактор 2 (Nrf2) [ 19 , 20 ].

Хидроксилните и нитрозилните радикали, или чрез директна реакция, или чрез задействане на радикална верижна реакция, са основният принос за разрушаването на важни биомолекули. Клетъчната редокс дисрегулация е един от най-важните фактори за патогенезата на сърдечно-съдовите и метаболитните заболявания [ 21 ]. Той има причинно-следствена роля при различни съдови заболявания като хипертония, диабетна васкулопатия, хиперхолестеролемия и атеросклероза. ROS медиират различни сигнални пътища, които са в основата на сърдечно-съдовата патофизиология [ 21 ]. Пероксинитритът играе решаваща роля в патогенния механизъм за състояния като инсулт, миокарден инфаркт и хронична сърдечна недостатъчност [ 22]. Наистина, острото и хроничното прекомерно вътреклетъчно повишаване на ROS е замесено в инициирането и прогресирането на сърдечно-съдови заболявания. Например, прекомерната ROS нарушава функциите на ендотелните и съдовите гладкомускулни клетки [ 23 ].

2.1. Радиация и радиационно-индуцирана сърдечна болест

Доказано е, че редица фактори, включително интензивни упражнения, сърдечен инфаркт, спиране на кръвния поток, трансплантация на органи, възпаление и излагане на радиация, могат да причинят остър оксидативен стрес [ 24 ]. Лъчевата терапия е основен метод, използван за лечение на рак; обаче много вредни ефекти са неизбежно свързани с излагането на радиация [ 25 ]. Радиационно-индуцираните симптоми са свързани с повишена ROS и възпаление по време на лъчетерапия, което значително влошава качеството на живот на пациента [ 26 ]. Излагането на висока доза радиация за кратко време се свързва с остър радиационен синдром, чиито симптоми първоначално се проявяват като тежка диария и загуба на течности [ 26 ].

Вредните последици от радиацията възникват от преки или косвени ефекти, които представляват по-голямата част от щетите [ 27 ]. Радиацията предизвиква директен пагубен ефект чрез директно увреждане на критични биомолекули, включително ДНК, протеини и липиди [ 28 , 29 ]. Непрекият вреден биологичен ефект се приписва на токсичните хидроксилни радикали ( ^• OH), генерирани от радиолиза на H ₂ O [ 9], което се оценява като причина за 60-70% от радиационно-индуцираното клетъчно увреждане. Хидроксилният радикал е един от най-реактивните ROS и реагира бързо и безразборно с биологични макромолекули. Тези биомолекули включват ДНК, която произвежда 8-хидрокси-2´-деоксигуанозин (8-OHdG, биомаркер на канцерогенезата) мембранни липиди [ 30 , 31 ], както и аминокиселини и протеини. Тези реакции водят до образуването на различни вторични ROS [ 32 ], които могат да доведат до тежки здравословни увреждания поради клетъчно увреждане и необратими увреждания в чувствителните клетки и органи [ 33]. Биомаркери като малондиалдехид (MDA), реактивни вещества с тиобарбитуровата киселина (TBARs) и др. са показатели за липидна пероксидация и увреждане на мембраната, които водят до патологични промени в мембранната пропускливост [ 4 , 34 , 35 , 36 ].

Преките и косвени ефекти на радиацията предизвикват прекомерно производство на ейкозаноиди (например простагландини, простациклин, тромбоксан и левкотриени), които са ендогенни медиатори на възпаление, вазодилатация или вазоконстрикция, съдова пропускливост и образуване на микротромби [ 4 ]. Радиационното увреждане на миокарда се причинява главно от тези възпалителни аберации в микроваскулатурата, водещи до активиране на тромбинова сигнализация и последващо освобождаване на селектини и адхезионни молекули [ 37 ]. Това предизвиква адхезия и екстравазация на трансмиграция на левкоцити на циркулиращи моноцити, което води до съдова пропускливост и вазомоторни промени в ендотелните клетки, което допълнително индуцира трафик на левкоцити [ 38]. При наличие на повишен холестерол, нахлуващите моноцити се трансформират в активирани макрофаги и образуват мастни ивици в интимата [ 1 ]. Други патологични аберации след облъчване включват загуба на активност на алкална фосфатаза на капилярните ендотелни клетки и различни протромботични промени, като производство и освобождаване на фактор на von Willebrand (vWF), както и намалено производство на тромбомодулин (Tm) и аденозин дифосфатаза ( ADPase) [ 39 , 40 ]. Тези промени допълнително водят до микротромби, оклузия на съдовете, намалена съдова плътност, перфузионни дефекти и фокална исхемия, всички от които водят до прогресивна смърт на миокардни клетки и фиброза [ 1]. Кардиотоксичните ефекти, дължащи се на излагане на радиация, се наричат ​​общо радиационно-индуцирано сърдечно заболяване (RIHD).

Следователно, вредните ефекти от медиастиналното облъчване включват коронарна артериална болест, перикардит, кардиомиопатия, клапна болест, аномалии на проводимост [ 41 ], дегенерация на миокарда, периваскуларна и интерстициална фиброза [ 42 ] и хронично увреждане на функцията на сърдечната помпа [ 9 , 43 ]. Радиационно-индуцирано увреждане на миокарда може да настъпи 6-10 седмици след облъчването [ 42 ]. Тези вредни ефекти са свързани с дозата, обема и техниката на облъчване на гръдния кош [ 1 ].

Сърдечно-съдовите наранявания, дължащи се на радиация, са най-честата причина за нежелани събития сред преживелите рак. Клиничните проучвания на лъчетерапията разкриват регионални перфузионни дефекти пропорционално на изложената на радиация площ при пациенти с несимптоматичен рак на гърдата [ 38 ]. Ключовите фактори, отговорни за установяването на сърдечно-съдово увреждане, включват оксидативен стрес, възпаление и епигенетични модификации и всички те са свързани с потенциални лечения [ 1 , 4 , 44]. Подобно на сърцето, белите дробове също са много податливи на радиационно нараняване, което може да доведе до радиационен пневмонит. Развитието на интерстициален пневмонит се увеличава в зависимост от дозата на облъчване, особено еднофракционно общо облъчване на тялото при по-високи дози и по-високи общи дози на белия дроб [ 45 , 46 ].

 

Методи за радиационна защита

Увеличаването на разпространението на RIHD подчертава необходимостта от разработване и осигуряване на нови терапевтични методи за смекчаване на вредното въздействие на радиацията. Косвеният ефект от излагането на радиация, т.е. високото производство на свободни радикали, се счита за основен медиатор на радиационната токсичност. Следователно, блокирането и изчистването на свободните радикали са най-важните компоненти в ефективната стратегия за защита [ 47 ]. Силно желани са силно ефективни средства за защита от радиация с ниска токсичност и винаги са били наблягани в областта на радиацията [ 48 , 49 ].

Почистващите свободни радикали са в състояние да действат превантивно и/или терапевтично. Много химични вещества могат да действат като уловители на свободните радикали, за да защитят клетките и тъканите от окислително увреждане. Изследванията идентифицират много видове антиоксиданти, включително аскорбинова киселина, токофероли, полифеноли и тиоли като глутатион [ 50 ]. Някои естествени антиоксиданти като витамини, полифеноли, флавоноиди и др. често имат по-малко токсични ефекти, но също така осигуряват по-ниска радиозащита [ 4 ]. Следователно, идеалният радиопротектор трябва да бъде този, който е ефективен, но с малко вредни странични ефекти. Медицински газове като въглероден оксид (CO), сероводород (H ₂ S) и, както ще бъде обсъдено по-късно, молекулен водород (H ₂), може да се използва за смекчаване на вредните ефекти от оксидативния стрес и радиацията [ 51 ].

Облъчването предизвиква повишаване на регулацията на миокардния конексин-43 (Cx43), намаляване на микроРНК (miRNA)-1 и повишаване на нивата на miRNA-21 [ 52 ]. Това може да се дължи на радиационно-индуциран оксидативен стрес и/или възпаление, които водят до тези патологични промени и често съпътстват сърдечно-съдови заболявания [ 53 , 54 , 55 ]. Лечението с аспирин и аторвастатин отслабва индуцираното от облъчване повишаване на регулацията на миокардния Cx43 протеин и miRNA-21, вероятно чрез облекчаване на оксидативния стрес и възпаление [ 56 ]. Той също така потиска експанзивното ремоделиране чрез инхибиране на инфилтрацията на макрофаги [ 57]. Сулфхидрилното съединение амифостин е единственият радиопротектор, регистриран за употреба при хора, и е показал добри радиопротективни ефекти [ 58 ]. За съжаление не е без значителни странични ефекти като хипертония, гадене и повръщане, което разбираемо ограничава клиничната му употреба [ 59 ].

2.2. Исхемия и реперфузионно увреждане

Оксидативният и възпалителен стрес също са основни причинители на миокардното I/R увреждане. Сърдечните миоцити, за тяхната физиологична функция, изискват обилни количества АТФ; следователно е необходима висока плътност на митохондриите, за да се посрещне тяхната висока енергийна нужда. Като такива, тези митохондрии, пълни с реактивни междинни съединения и проапоптотични сигнали, са тясно включени в I/R увреждане [ 60 ]. Вътрешната митохондриална мембрана е отговорна за поддържането на митохондриалния трансмембранен потенциал и обикновено е непропусклива за йони и протеини [ 61]. Въпреки това, при стрес, отварянето на преходната пора на митохондриалната пропускливост (mPTP) създава неселективен канал между вътрешната мембрана на митохондриона и саркоплазмата. Вследствие на това настъпва загуба на електрохимичния градиент, производство на ROS, Ca ²⁺ претоварване и образуване на апоптозоми [ 60 ].

Производството на свободни радикали чрез частично намаляване на кислорода по време на I/R е добре разбрано. Тези силно реактивни ROS могат бързо да преодолеят ендогенната антиоксидантна система за самозащита на клетката. Това създава клетъчно увреждане чрез увреждане на липидите, протеините, ДНК и РНК. Субстратите на ксантин оксидазата, ксантин и хипоксантин, се натрупват по време на исхемия, което предизвиква активиране на ксантин оксидазата и следователно повече производство на ROS [ 62 ]. Тези ROS могат също да предизвикат отваряне на mPTP, което води до положителна обратна връзка на повишено производство на ROS от митохондриите („ROS-индуцирано освобождаване на ROS“) [ 60 , 63 ]. Рекапитулация на някои от основните патофизиологични механизми е показана вмаса 1(модифицирано според [ 60 ]).

маса 1

Различни механизми, лежащи в основата на патофизиологията на миокардна исхемия/реперфузионно увреждане (модифицирано според справка [ 60 ]) JNK = c-Jun N-терминална киназа, AMPK = AMP-активирана протеин киназа, HIF-1α = индуцируем от хипоксия фактор 1-алфа.

Промяна, причинена от I/R нараняване	Механизъм
Промени в йонния поток	Натрупване на вътреклетъчен калций Ca 2+ -индуцирано „каменно сърце“
	Повишен приток на натрий
	Ненормален калиев поток
	Спадане на pH, последвано от нормализиране при реперфузия
Загуба на потенциал на митохондриалната мембрана	Отваряне на преходна пора на митохондриална пропускливост (mPTP)
	Освобождаване на цитохром с
	Намаляване на синтеза на АТФ
Реактивни кислородни видове (ROS)	Индукция на ксантин оксидаза на ниво субстрат, което води до повече ROS
	Нарушена митохондриална функция
	Неутрофилна инфилтрация
	ROS-индуциран ROS
Дисрегулиран метаболизъм на азотен оксид (NO).	Загуба на NO-вазодилатация
	Производство на пероксинитрит
	Ненормално S-нитрозиране
Апоптоза	JNK пътека
	Генериране на керамиди
	Подкиселяване на цитоплазмата
	Активиране на каспаза
Автофагична клетъчна смърт	Прекомерно активиране на AMPK
	Прекомерна индукция на HIF-1α
Ендотелна дисфункция	Сигнализиране на цитокини, миокини, хемокини
	Експресия на маркери за клетъчна адхезия
	Нарушена вазодилатация
Агрегация на тромбоцитите
Имунно активиране	Вроден имунитет (напр. активиране на комплемента, индукция на Toll-подобни рецептори)
	Натрупване на неутрофили

Отворете в отделен прозорец

Много клетъчни и молекулярни процеси допринасят за вентрикуларно ремоделиране в отговор на миокардно облъчване, миокардно I/R увреждане, хипертония, неврохуморално активиране или други патофизиологични стимули [ 64 ]. Например, прекомерното производство на ендотелин-1 (ET-1), ангиотензин II, катехоламини и провъзпалителни цитокини, които се свързват с техните сродни рецептори и активират сигналните събития надолу по веригата, води до тези патологични промени. След това следва некроза, апоптоза, аутофагия или хипертрофия на кардиомиоцитите. Той също така предизвиква активиране на фибробластите за производство на колаген и други протеини, които причиняват фиброза [ 65 , 66 , 67 ].

Понастоящем възстановяването на кръвния поток в остро запушен съд представлява най-ефективната, дългосрочна клинична терапия за остър миокарден инфаркт [ 68 ]. Въпреки че възстановяването на кръвния поток е от решаващо значение, перфузията на богата на кислород кръв предизвиква цитотоксично производство на ROS. Това изригване на ROS води до клетъчна некроза и апоптоза, процес се нарича „смъртоносно реперфузионно увреждане“ [ 69 ]. Реперфузионното увреждане представлява до 50% от крайния размер на инфаркта [ 70 ]. Освен каскадата от събития, протичащи в кардиомиоцитите, ендотелиумът също участва активно в I/R увреждането.

Азотният оксид (азотен оксид, NO) е сигнална молекула, участваща в много физиологични и патологични процеси и вазодилататор в съдовата система. Ендотелият е основният източник на NO. При здравословни условия NO предизвиква вазодилатация, която осигурява защитни ефекти по време на I/R, отчасти чрез влияние върху консумацията на кислород, агрегацията на тромбоцитите, адхезията на левкоцитите и метаболизма на свободните радикали [ 71 , 72 , 73 ]. За разлика от нормалните концентрации, високите концентрации на NO изострят I/R увреждането до голяма степен чрез производството на силно реактивен пероксинитрит [ 74 , 75]. В допълнение към NO, коронарният ендотел има няколко други патофизиологични роли в I/R, като например да служи като източник на не-NO вазоактивни вещества, активиране на имунната система и повишена експресия на цитокини, хемокини и различни адхезионни молекули [ 60 ].

2.3. Сърдечна трансплантация

I/R нараняване се получава и по време на сърдечна трансплантация, тъй като такава процедура изисква студено консервиране, последвано от топла реперфузия на сърдечни присадки. Нараняването, настъпило по време на запазване или реперфузия, може да повлияе на сърдечната функция след сърдечна трансплантация. Намаляването на нараняването е важно за запазване на сърдечната функция [ 76 ]. I/R увреждането е тясно свързано с увреждане на ендотелни и паренхимни клетки, повишена съдова пропускливост, патологичен възпалителен отговор и генериране на токсични ROS. Разработени са модифицирани решения за консервиране, включително машинна перфузия и други подходи за намаляване на I/R нараняването [ 76]. Нерегулираният редокс баланс по време на I/R се счита за основен двигател на нараняването, тъй като причинява оксидативно увреждане и клетъчни аберации. Освен това, митохондриалната дисфункция, неутрофилите прайминг, ксантин оксидазата и NADPH оксидазите играят основна роля в допринасянето за редокс дисрегулацията и произтичащото от това I/R увреждане [ 77 ].

 

Антиоксиданти за запазване на присадката

За да се поддържа редокс балансът и по този начин да се подобри жизнеспособността на присадките и да се намали рискът от посттрансплантационна дисфункция, често се използват антиоксидантни лечения [ 76 ]. Митохондриите, основните източници на ROS, са особено податливи на окислително увреждане. За да се защити целостта на митохондриите по време на исхемия и реперфузия, няколко антиоксидантни молекули са изследвани и изследвани в предклинични и клинични проучвания. Мелатонинът, добре известен ендогенен антиоксидант, също е инхибитор на индуцируемата азотен оксид синтаза (iNOS) и може да засили експресията на ендотелната азотна оксидна синтаза (eNOS) [ 78 , 79 ]. Доказано е, че мелатонинът смекчава индуцираното от I/R митохондриално подуване и защитава чернодробните присадки от I/R увреждане [ 80, 81 , 82 ].

Аскорбиновата киселина (AA) е мощен физиологичен уловител на ROS и често се добавя към разтвора на Custodiol HTK и Polysol, за да се предотврати увреждане на клетките, предизвикано от ROS. Въпреки това, високите концентрации на AA могат да влошат чернодробното I/R увреждане, вероятно поради редокс взаимодействието му с желязо [ 83 ].

α-токоферол (витамин Е), липидноразтворим антиоксидант, намалява разпространението на липидната пероксидация както в клетъчните мембрани, така и в плазмените липопротеини. Trolox е водоразтворим аналог на витамин Е със сходни антиоксидантни свойства. При модел за трансплантация на сърце на свинско, перфузията на Trolox-UW демонстрира значителни терапевтични антиоксидантни ефекти срещу I/R увреждане [ 84 ]. Мета-анализът обаче предполага, че високите дози витамин Е (>400 IU/ден) трябва да се избягват, тъй като има тенденция да увеличава смъртността от всички причини [ 85 ].

Друг метод е използван за инхибиране на ензими, участващи в производството на ROS. Например, матричните металопротеинази (ММР) са свързани с оксидативния стрес при сърдечно-съдови заболявания. Установено е, че антибиотикът доксициклин от семейството на тетрациклин инхибира експресията на ММР-2 и по този начин предпазва сърдечната функция от I/R увреждане [ 86 ], но неговата клинична употреба и ефективност са ограничени. По същия начин, инхибиторите на митохондриалните респираторни комплекси I и III предотвратяват реперфузията, като нарушават генерирането на ROS и по този начин подобряват клетъчната жизнеспособност [ 87 , 88 ]. Въпреки това, терапията за намаляване на свободните радикали по време на ранна реперфузия не успя да облекчи тази патологична каскада от оксидативно увреждане след реперфузионно увреждане [ 89 ].

Остава да разберем дали комбинираното използване на няколко антиоксидантни подхода е по-ефективно от простото засилване на антиоксидантния капацитет на органите с един химиотерапевтичен агент. Въпреки това, комбинираното използване на антиоксиданти, съчетано със стимулиране на антиоксидантния капацитет на органите, може да бъде ефективно и си струва по-интензивно изследване. За съжаление, необходимите терапевтични дози на конвенционалните антиоксиданти или ендогенни антиоксидантни индуктори често показват висока токсичност при необходимите нива, което очевидно ограничава използването им до тесен и неефективен диапазон за превенция на заболявания, свързани с оксидативния стрес.

3. Нов подход за превенция и лечение на сърдечно-съдови заболявания

3.1. Медицински газове и водород върху сърдечно-съдовата система

Както бе споменато по-горе, медицински газове, по-специално трите признати gasotransmitters CO, H ₂ S, и не, са показали, че имат значителни предимства цитозащитни [ 51 , 90 ]. NO е може би най-добре разпознатата като критична газообразна сигнализираща молекула, която при нормални условия предизвиква вазодилатация, намалява производството на супероксид, намалява възпалението и подобрява производството на митохондриална енергия. Например, вентилацията на донорски белодробни присадки без сърцебиене с NO по време на топла исхемия, ех vivo перфузия и след трансплантация може да намали I/R белодробното увреждане [ 91 ].

CO притежава висок афинитет към хемовата протетична група и когато се добавя в разтвор за консервиране, също е доказано, че подобрява функцията на присадката в експериментални изследвания [ 92 , 93 ]. Сероводородът (H ₂ S) се счита за третата газообразна сигнализираща молекула, която може да предизвика релаксация на съдовата гладка мускулатура, да инхибира апоптозата, да модулира възпалителния отговор и също така да облекчи оксидативния стрес [ 94 ]. Въпреки, че не се счита за gasotransmitter, Н ₂ сега се счита молекула газообразен сигнализация с физиологични и терапевтични предимства, подобни на тези на азотен оксид (NO), въглероден оксид (СО) и H ₂ S [ 95 , 96 ].

3.2. Молекулен водород

Молекулният водород е най-лекият газ и най-малката молекула. Той често се използва в дълбоководни гмуркане, а именно hydreliox (49% Н ₂ , 50% хелий и 1% О ₂ ), за да се предотврати кесонна болест [ 97 ]. Едно от най-ранните терапевтични приложения на H ₂ е публикувано през 70-те години на миналия век, при което мишките с трансплантирани по кожата тумори са лекувани с хипербарен водород, което води до подчертана регресия на туморите [ 98 ]. Тъй като хипербарният H ₂ не е благоприятен клинично жизнеспособен вариант, H ₂ беше поставен на страничната лента. По-късно обаче през 2007 г. беше съобщено, че лечението с H ₂ в клинично жизнеспособни дози значително намалява нивата на ^•OH в култивирани клетки и осигури терапевтични неврологични ползи [ 99 ]. Този резултат предполага, че водородът потенциално може да бъде идеален антиоксидант в клиниките [ 100 ].

Водородът може да бъде доставен чрез няколко метода, като вдишване на H ₂ , пиене на вода, богата на H ₂ (HRW), инжектиране на богат на H ₂ физиологичен разтвор (HRS), вземане на вана с H ₂ , накапване на богат на H ₂ физиологичен разтвор в очите, и увеличаване на производството на чревен H ₂ от бактерии чрез несмилаеми въглехидрати/определени лекарства [ 101 , 102 , 103 , 104 , 105 ]. Вдишването на H ₂ или прилагането на HRW може да повиши концентрацията на H ₂ в артериалната и венозната кръв пропорционално на приложената доза [ 106]. Вдишването на газ H ₂ води до плазмена концентрация, която е в съответствие със закона на Хенри, което предполага, че 2% концентрация на H ₂ води до приблизително 15,6 μM H ₂ концентрация в кръвта.

HRW могат да бъдат получени чрез разтваряне на Н ₂ газ във вода под високо налягане или разтваряне на таблетки с водород производство във вода [ 107 ]. Разтворимостта на H ₂ е 1,56 mg/L при стандартна температура и налягане на околната среда (SATP). Въпреки че 1,6 mg в 1 L разтвор първоначално изглеждат незначителни, броят на „терапевтичните бенки“ (т.е. H ₂ ) е по-голям от броя на „терапевтичните молове“ (т.е. витамин C) в доза от 100 mg витамин C (т.е. 0,78 милимола срещу 0,56 милимола) поради разликите в моларната маса [ 108 ]. Освен това, някои H ₂ продуциращи таблетки могат свръхнаситени водата, осигурявайки повече от пет мг Н ₂ на таблетка [ 107]. В някои случаи поглъщане на HRW могат да покажат по-важна ефект от вдишване на Н ₂ газ, въпреки че дозата на водород от вода е по-ниска от тази на вдишване [ 10 , 109 ]. Поглъщането на HRW достига пик за 5-15 минути и се връща към изходните нива 45-90 минути след приложението в зависимост от приложената доза [ 110 ].

Молекулният водород има благоприятни физикохимични свойства като терапевтичен антиоксидант. Той е електрически неутрален и дори по-малък от молекулния кислород. Като такъв може лесно да проникне през клетъчните мембрани и да дифундира в клетъчните органели, като ядрото и митохондриите [ 111 ]. Освен това, реактивността на H ₂ е толкова мека, че H ₂ не реагира с важни физиологично значими ROS, които участват в клетъчното сигнализиране. Водородът също няма ефект върху физиологията, температурата, кръвното налягане, рН или рО ₂ [ 112 ] и не се съобщава, че е токсичен при концентрации, дори много над клинично ефективните дози. Излишък H ₂просто изтича през белите дробове, когато се достави твърде много [ 102 ].

През последните 12 години основни и клинични изследвания показаха, че H ₂ е важен биологичен регулаторен фактор с антиоксидантни, противовъзпалителни и антиапоптотични ефекти върху клетките и органите [ 113 ]. Водородът намалява окислителното увреждане между хидроксилните радикали и биологично важните молекули. Чрез намаляване на нивата на окислени макромолекули, митохондриалните и клетъчните наранявания се намаляват значително [ 114 ]. Доказано е, че водородът намалява хипербарната кислородно-индуцирана токсичност за PC12 клетките, като същевременно поддържа антиоксидантните нива на супероксид дисмутаза (SOD), каталаза и глутатион пероксидаза. Всички те допринасят за способността на водородите да облекчават вредните ефекти на хипербарния кислород [ 114 ].

Доказано е също, че многократното вдишване на смесен газ водород-кислород [67%:33% (V/V)] значително намалява както острото, така и хроничното предизвикано от стрес депресивно и тревожно поведение на мишките. Освен това, ELISA анализът показа, че предотвратява предизвиканото от стрес повишаване на серумните нива на кортикостерон, адренокортикотропен хормон, интерлевкин (IL)-6 и тумор некрозис фактор α (TNF-α) [ 115 ].

 

3.2.1. Механизми на Н ₂ действие

Биологичните ефекти на водорода се приписват на основните молекулярни механизми:

• (1)

  специфична поглъщаща активност на хидроксилни радикали и пероксинитрит

• (2)

  намаляване на възпалителните реакции

• (3)

  модулация на сигналната трансдукция

• (4)

  промени в генната експресия

 

В допълнение към директния ефект на H ₂ върху изчистването на ^•О, намаляването на възпалението може също да се дължи на механизма на промяна на генната експресия. Въпреки това, само първият механизъм на почистване може да се счита за основна цел или директен начин на действие. Другите механизми също не са независими един от друг и повлияването на някой от другите механизми (напр. сигнална трансдукция) може да повлияе на различен механизъм (т.е. генна експресия). Освен това, улавянето на реактивни химически видове може също да бъде отговорно за регулирането и задвижването на другите предложени механизми за модулиране на сигналната трансдукция и промяна на генната експресия. Например, пероксинитритът може да регулира генната експресия чрез нитриране на различни протеини, участващи в регулацията на транскрипцията [ 116]. Поглъщането на водородна вода потиска нитрирането на протеините; по този начин, е възможно малко количество Н ₂ газ поглъщане чрез пиене HRW може да повлияе нитриране ин виво и да доведе до промени в генната експресия [ 1 , 106 , 117 ].

Каталазата и SOD са изключително ефективни при детоксикацията на H ₂ O ₂ и O ₂ ^•− , съответно. Тези ензими са от решаващо значение за смекчаване на ROS-индуцираното клетъчно увреждане. Чрез регулиране на тяхната концентрация, те също така предотвратяват производството на хидроксилни радикали, тъй като те могат да бъдат превърнати в ^• OH радикали чрез реакцията на Хабер-Вайс и Фентън в присъствието на каталитично активни метали като Fe ²⁺ и Cu ⁺ [ 32 , 118 ] (Вижте същоФигура 1). Хипотетично прилагането на тези ензими може да бъде много полезно, особено за съдовия ендотел, страдащ от оксидативно увреждане [ 119 ]. Въпреки това, поради тяхната неспособност да пресичат бариерите на клетъчните мембрани, съчетани с бързото им елиминиране, техният клиничен превод е осуетен от недостатъчно доставяне на тези ензими до желаните места.

Обратно, H ₂ може бързо да дифундира през клетъчните мембрани и липидните бислоеве, достигайки до ядрото и митохондриите, където се намират най-опасните ROS. Директното извличане на хидроксилния радикал според екзотермичната реакция на H ₂ + ^• OH → H ₂ O + H ^• последвано от H ^• + O ₂ ⁻ → HO ₂ ⁻ реакцията се постулира като потенциален начин на действие десетилетия по-рано [ 98 ]. Това би било много желателно, тъй като ^•OH реагира почти мигновено с клетъчни биомолекули и се предполага, че е основният инициатор на окислително увреждане. За разлика от други реактивни кислородни видове, няма известен ензим, специално оборудван за обработка на ^• OH радикала, вероятно поради неговата неселективна бърза реакция с най-близката нуклеофилна биомолекула. Следователно, способността на Н ₂ газ селективно да реагира и се неутрализира хидроксил радикал е силно желано качество.

Много от вредните последици от заболяване, облъчване, I/R нараняване и други нападения могат да бъдат приписани на хидроксилния радикал; следователно е логично да се заключи, че механизмът на извличане на хидроксилни радикали от водорода е правилен, тъй като прилагането на молекулен водород изглежда облекчава същите вредни щети, приписвани на хидроксилния радикал. Освен това, директното изчистване на хидроксилния радикал в момента е единственият първичен директен начин на действие, който е постулиран, и, както беше обсъдено, извличането на токсични реактивни молекули може от своя страна да доведе до промени както в сигналната трансдукция, така и в генната експресия. Въпреки това, въпреки че механизмът на директно извличане от водород е единственият, който се счита за първичен/директен начин на действие, за съжаление той не може напълно да обясни всички разнообразни биологични ефекти на H₂ [ 7 ]. Освен това биологичното значение на тази реакция се обсъжда [ 108 , 120 , 121 ]. Това отчасти се дължи на факта, че константата на скоростта на реакция от 2-ри порядък между хидроксилните радикали и H ₂ (4.2 × 10 ⁷ M ^-1 s ^-1 ) е с около три порядъка по-ниска от тази между други по-разпространени нуклеофилни клетъчни компоненти [ 108 ]. Освен това, улавянето на хидроксилния радикал не само би произвело инертен страничен продукт на водата, но също така или силно реактивния атомен водороден радикал или дори по-реактивния солватиран електрон (H ₂ + ^• OH → H₃ O ⁺ + e ⁻ ), всеки от които може да предизвика окислително увреждане, както и хидроксилният радикал [ 122 ].

Освен това H ₂ присъства само временно в тялото, но неговите биологични и антиоксидантни ефекти остават много след като H ₂ е бил изчистен от тялото [ 123 ]. Това може да предполага, че механизмът може да има повече общо с модулацията на сигнала, отколкото директното отстраняване на радикали [ 108 , 110 ]. Н ₂ изглежда да модулира експресията на различни гени, включващи NF-кВ, с-Jun N-терминалната киназа (JNK), фибробластен растежен фактор 21 (FGF-21) [ 124 ], пероксизом пролифератор-активиран рецептор-γ коактиватор-1α (PGC-1α) [ 125], ядрен антиген на пролиферационна клетка, съдов ендотелен растежен фактор (VEGF), глиален фибриларен кисел протеин (GFAP) и много други транскрипционни фактори и регулаторни протеини [ 10 , 126 ]. Въпреки това, тези молекули вероятно са надолу по веригата или индиректно регулирани от H ₂ , тъй като преките цели на H ₂ все още не са изяснени [ 10 ].

Взети заедно, е ясно, че въпреки че селективните екстинкции на хидроксилния радикал и пероксинитрита първоначално са били предложени като основни механизми, трябва да има други обяснения [ 127 ]. Молекулният водород регулира сигналните пътища и генната експресия чрез модулиране на експресията/активността на различни биомолекули, както и няколко miRNA, които могат да обяснят терапевтичните ефекти на антиреперфузионно увреждане, антирадиационно увреждане, противовъзпалително действие, антиапоптоза, анти-метаболитни нарушения, антиалергични, анти-деменция, както и анти-стареене [ 7 , 10 ].

 

3.2.2. H ₂ модулира Nrf2 пътя

Значителен механизъм в клетъчната защита срещу оксидативния стрес е индукцията на фаза II ензими чрез активиране на сигналния път на Nrf2-антиоксидантния отговорен елемент (ARE) (Фигура 2). Ядреният фактор, свързан с еритроид 2, фактор 2 (Nrf2) се счита за важен регулатор на електрофилната/антиоксидантната хомеостаза и поддържа функционалната цялост на клетките, особено при условия на оксидативен стрес [ 8 ]. Този път регулира експресията на над 200 гена, участващи в антиоксидацията и детоксикацията. Дисрегулираният клетъчен редокс статус поради повишени нива на ROS и/или намален антиоксидантен статус е важен сигнал за индуциране на транскрипционния отговор, медииран от този подобрител протеин [ 128 ].

Отворете в отделен прозорец

Фигура 2

Механизъм на Н ₂ действие: транскрипция и производство на вродени антиоксиданти при влизане в клетъчна цитоплазма, освобождаване и натрупване на Nrf2 и неговата транслокация в ядрото. CAT = каталаза, SOD = супероксид дисмутаза, GTP = глутатион пероксидаза.

При нестресирани условия нивата на Nrf2 се регулират в цитоплазмата от Kelch-подобния ECH-асоцииран протеин 1 (Keap1 протеин), който предотвратява освобождаването му в ядрото и насърчава неговото разграждане [ 129 ]. Скоростта на убиквитиниране на Nrf2 и неговото разграждане в не-стресирани клетки изглежда до голяма степен зависи от концентрацията на протеина Keap1 [ 129 ]. Keap1 е също така сензорът за широк спектър от малки молекулни активатори/индуктори на Nrf2 [ 130 ].

Активирането на пътя на Nrf2 в отговор на сигнали за стрес индуцира дисоциацията на Nrf2 от протеина Keap1, което позволява на Nrf2-транскрипционния фактор да се премести в ядрото, където се свързва със сродния регулаторен елемент на ДНК, наречен ARE или електрофилно-отзивчив елемент (EpRE) [ 128 , 129 , 131 ]. Свързването инициира транскрипцията на антиоксидантни гени, което води до производството на много цитопротективни протеини [ 132 ].

Доказано е, че молекулярният водород активира сигналния път на Nrf2/EpRE [ 133 ], който преди това беше прегледан [ 10 ]. Нашата група показа, че ин виво, Н ₂ активира Nrf2 път, което води до предотвратяване на облъчване индуцирана липидната пероксидация на сърцето на плъх [ 8 ]. Прилагането на H ₂ за 9 дни значително повишава SOD-2 и повишава фосфорилирането на Akt киназа при Ser473, сигнална молекула за оцеляване на клетките, участваща в регулацията на Nrf2 [ 8 , 134 ]. Вероятно много от терапевтичните ефекти на H ₂може да се дължи на активирането на Nrf2 пътя, който стимулира производството на вродени антиоксиданти, както и намаляването на апоптозата и възпалението [ 8 ].

 

3.2.3. H ₂ предизвиква хормеза

Активирането на Nrf2 пътя от H ₂ може да изглежда донякъде парадоксално, тъй като молекулата H ₂ се счита за редуциращ агент, а протеинът Nrf2 изглежда се индуцира от електрофилни химически видове и се потиска от леки нуклеофилни вещества [ 131 ]. Всъщност оксидативният стрес е основният активатор на Nrf2 пътя. Например, продуктът на липидната пероксидация, 4-хидрокси-2-ноненал, в кардиомиоцитите медиира Nrf2-зависимата регулация на отделящ протеин 3 (UCP3) [ 135 ]. Този ефект може да бъде особено важен за медииране на защитните ефекти на предварителното кондициониране, което предизвиква лек оксидативен стрес и последваща регулация на различни протеини, включително цитокини, протеини на топлинен шок, NF-κB и Nrf2 [8 , 136 , 137 , 138 ]. Този процес на стрес, който е леко токсичен, последван от повишена клетъчна защита, се нарича хормезис [ 139 ].

Доказано е, че водородът имитира ефектите на лек хорметичен стрес, например чрез преходно увеличаване на производството на супероксид [ 140 ], леко повишаване на маркерите на оксидативен стрес, MDA и 8-OHdG [ 110 , 141 ], активиране на NF-κB [ 142 , 143 ], и индуциране на протеини от топлинен шок [ 144 ] и митохондриалния разгънат протеинов отговор [ 145 ]. Хорметичните действия на молекулярния водород наскоро бяха сравнени с тези на редовните упражнения. LeBaron et al. предложи, че водородът може да действа като миметик на упражнения и редокс адаптоген чрез леки хорметични механизми [ 108 , 140 ].

 

3.2.4. Н ₂ и miRNAs

Друг нововъзникващ медиатор на биологичните ефекти на водорода са miRNAs. Тези некодиращи РНК, поради тяхното несъвършено сдвояване с таргетни информационни РНК, модулират стабилността на иРНК и/или тяхната транслационна ефективност. Те се считат за нови регулатори на оксидативния и възпалителен стрес, които модулират експресията на множество гени, свързани с редокс. Членовете на семейството miRNA-200 регулират зависимата от оксидативния стрес ендотелна дисфункция при сърдечно-съдови усложнения. Други miRNAs, като miRNA-210, участват в метаболизма на митохондриите [ 146 ]. Тъй като miRNAs модулират разнообразен спектър от сърдечна функция с развитието, патофизиологичните и клиничните последици [ 3], miRNAs показват различни профили на експресия в нормалното и болното сърце. Това може да позволи разликите в експресията на miRNA да служат като жизнеспособен диагностичен маркер за сърдечно заболяване [ 147 , 148 ]. Предполага се, че специфичен клас сърдечни заболявания може да бъде предвиден с вероятност за точност от 69% чрез използване на модели на експресия на miRNA [ 1 ]. Това също предполага, че miRNAs могат да служат като потенциални терапевтични цели за различни състояния [ 149 ].

ROS-индуцираните аберации в нивата на miRNA могат да доведат до канцерогенеза чрез активиране на различни онкогени или заглушаване на туморни супресорни гени [ 150 ]. Разбирането на точния механизъм за това как miRNAs влияят върху ефекторите на производството на ROS и редокс сигналните пътища в клетките на сърдечно-съдовата система изисква допълнителни изследвания [ 151 ].

Облъчването предизвиква оксидативен стрес и патологично влияе върху експресията на няколко miRNA, включително miRNA-1 и miRNA-21. Повишената регулация на експресията на miRNA-21 е свързана с миокардна хипертрофия и фиброза [ 3 , 152 , 153 ]. Също така е свързано с повишена експресия на протеин киназа С [ 154 ], която също е замесена в тъканното ремоделиране. MiRNA-21 се съобщава като нова обещаваща цел в лъчевата терапия на рак [ 29 , 155 ].

Нашите експерименти показват, че молекулярният водород може да отслаби индуцираната от облъчване аберантна miRNA експресия при плъхове, включително miRNA-1, miRNA-9, miRNA-15b и miRNA-21 и miRNA-199 [ 1 , 141 , 149 , 156 ].

Освен това, анализът на miRNA профилите на хипокампалните неврони по време на I/R нараняване разкрива, че водородът инхибира I/R-индуцираната експресия на семейството miRNA-200 чрез намаляване на производството на ROS, което води до потискане на клетъчната смърт [ 156 ].

Остават да бъдат изяснени основните механизми, обясняващи как водородът модулира тази експресия на miRNA и до каква степен тяхната експресия се дължи на ефекта надолу по веригата или нагоре по веригата на H ₂ .

4. Потенциална употреба на H ₂ срещу заболявания

4.1. Терапевтична и защитна функция на H ₂ в химиотерапията и лъчетерапията

Химиотерапията и лъчетерапията са свързани с повишен оксидативен стрес, който допълнително предизвиква патологични клетъчни аберации [ 157 , 158 ]. H ₂ може да се счита за по-добър от някои антиоксиданти, тъй като за разлика от конвенционалните антиоксидантни добавки, водородът не може да неутрализира важни реактивни кислородни и азотни видове, които участват в биологичната сигнализация [ 99 ], и може лесно да дифундира в тялото, тъканите, органите и клетките без засягащи сигнализиращи реактивни видове [ 99 , 159 ].

Н ₂ намалява оксидативния стрес, възпаление, и апоптоза чрез регулиране на генната експресия [ 1 ]. Появилите се доказателства демонстрират плейотропните терапевтични ефекти на молекулярния водород в различни модели на болести по животните, както и при много човешки заболявания [ 11 , 113 , 160 ]. Например H ₂е доказано, че намалява експресията на няколко провъзпалителни медиатори и маркери на оксидативен стрес и апоптоза, включително TNF-α, IL-6, IL-1β, IL-10, IL-12, хемокинов лиганд 2 (CCL2), междуклетъчна адхезия молекула 1, NF-κB, ядрен фактор на активирани Т-клетки (NFAT), протеин от група 1 с висока мобилност, простагландин Е2, циклооксигеназа-2 (COX2), серумна диамин оксидаза, тъкан MDA, протеин карбонил, TBARs, миелопероксидазна активност, JNK и каспаза-3, привеждащи нива в рамките на или предотвратяващи отклоняването им от нормалния хомеостатичен диапазон [ 161 , 162 , 163 ].

Тези терапевтични ефекти на молекулния водород са важни за медиирането на цитопротекцията срещу лъчетерапия и химиотерапия. Доказано е, че водородът оказва радиопротективни ефекти върху култивирани клетки и мишки [ 25 , 164 ]. Например, при облъчени животни, маркерът за липидна пероксидация MDA е значително повишен в тънките черва, но не е повишен по подобен начин в групата водород-вода [ 165 ]. Нашата група демонстрира подобен ефект на водорода върху миокарда чрез предварително третиране на плъхове с HRW преди облъчване на миокарда [ 9 ]. H ₂ отслабва маркерите на радиационно-индуцирано възпаление (т.е. TNF-α), липидна пероксидация (т.е. MDA), а също и патологичните промени в miRNAs [141 ], което беше потвърдено от друга група (Фигура 3) [ 166 ].

Отворете в отделен прозорец

Фигура 3

Ефект на молекулярния водород върху индуцирана от облъчване липидна пероксидация и възпаление. Маркерът за оксидативен стрес, малонов диалдехид (MDA), е повишен в кръвната плазма след облъчване на миокарда на плъх. Прилагането на молекулен водород (H ₂ ) значително намалява нивата на MDA. Облъчването на миокарда повишава нивата на възпалителния маркер TNF-α в сърдечната тъкан на плъха. Се наблюдава значително намаляване на TNF-α след Н ₂ лечение. OS = оксидативен стрес, H ₂ = молекулен водород. Стойностите са средни ± SD, n = 5, *: p < 0,05. Променено от справка [ 8 ].

По подобен начин антиоксидантната функция на HRS е изследвана в модел на радиационна токсичност при плъх. Интраперитонеалното инжектиране на HRS преди радиация предпазва стомашно-чревния ендотел от радиационно-индуцирано увреждане, намалява плазмените нива на MDA и чревния 8-OHdG и поддържа плазмените нива на ендогенни антиоксидантни ензими, включително SOD и глутатион-S-трансфераза [ 25 , 167 ]. Подкожното инжектиране на HRS преди облъчването значително намалява тежестта на радиодерматита и ускорява възстановяването на тъканите [ 168 ].

В допълнение към прилагането на водород във вода или физиологичен разтвор, водородсъдържащият газ (HCG) (1,3% водород + 20,8% кислород + 77,9% азот) също е подходящ вариант. HCG съвпада с многото изисквания за идеален радиопротектор, като ефикасност, широк спектър, приемливо приложение и малка или никаква токсичност [ 28 ]. HCG е използван при плъхов модел на радиационно-индуциран дерматит и върху заздравяващи кожни рани [ 169 ]. Проучването установи, че предварителното вдишване на HCG ефективно облекчава тежестта на острия радиодерматит и стимулира заздравяването на радиационно-индуцирано увреждане на кожата чрез намаляване на цитотоксичните ROS и предотвратяване на индуцирана от радиация апоптоза на епидермални кератиноцити (EKCs) без токсични ефекти [ 169]. По този начин, вдишването на HCG може да бъде лесно и безопасно предварително лечение за предотвратяване на дерматит. Предварителната терапия с HCG може да послужи като нова клинична терапия при лечението на радиодерматит и оксидативно увреждане, причинено от лъчева терапия.

Множеството изследвания върху H ₂ върху животни подкрепят използването на молекулен водород в клиничната практика. Много странични ефекти от лъчетерапията изглежда са резултат от повишения оксидативен стрес и възпаление, генерирани по време на лъчетерапията. Освен сърцето, белите дробове и кожата, стомашно-чревният тракт също е много податлив на радиационно увреждане. Само 1 Gy радиация предизвиква драматично увеличаване на апоптозата в криптата на тънките черва на мишката в рамките на три до шест часа след експозицията [ 170 ]. Следователно, радиационното лечение при пациенти с рак често води до умора, предизвиква стомашно-чревна (GI) токсичност и влошава качеството на живот.

Поглъщането на HRW в малко клинично проучване на 49 пациенти, получаващи лъчетерапия за злокачествени чернодробни тумори, е изследвано в рандомизирано, плацебо-контролирано проучване. HRW се приготвя от метален магнезий [Mg + 2H ₂ O → Mg(OH) ₂ + H ₂ ] при концентрация на H ₂ от 0.55–0.65 mM. Резултатите показват, че ежедневната консумация на HRW в продължение на 6 седмици намалява реактивните кислородни метаболити в кръвта и поддържа потенциала за окисляване на кръвта на тези пациенти. Освен това качеството на живот по време на лъчетерапия се подобрява при пациенти, пиещи HRW в сравнение с плацебо. Важно е, че HRW наистина наруши антитуморния ефект на лъчетерапията [ 171], което предизвиква загриженост, въпреки че е дискутирано поради двусмислени открития с конвенционалните антиоксиданти [ 172 ].

Освен това молекулярният водород може да бъде полезен за борба с вредните ефекти на други противотуморни и химиотерапевтични лекарства. Например, една група съобщава, че вдишването на 1% H ₂ газ или пиенето на H ₂ вода отслабва индуцираната от цисплатин нефротоксичност, смъртност и загуба на телесно тегло. Пиенето на H ₂ вода също намалява нивото на апоптоза в бъбреците. Подобно на защитните ефекти на лъчетерапията, H ₂ не компрометира антитуморните ефекти на цисплатина нито в ракови клетъчни линии in vitro, нито при мишки, носещи тумор, in vivo [ 173 ].

Взети заедно, тези резултати предполагат, че както вдишване на Н ₂ газ и перорално приложение на Н ₂ вода може да предпази от възпаление и оксидативен стрес, свързани с лекарства против рак, и по този начин подобри антитуморния ефект в клиничното управление на рак [ 165 ].

4.2. H ₂ Ползи при I/R нараняване

Благоприятните химични, физични и биологични свойства на H ₂ го квалифицират като отличен кандидат за превенция и лечение на I/R наранявания. Извлеченият от чревната микробиота H ₂ леко, но значително намалява размера на миокардния инфаркт [ 174 ]. Инхалираният Н ₂ се транспортира бързо исхемичната област преди коронарния кръвен поток е възстановен в запушена област [ 64 ]. 2007-семенната хартия на водород [ 99 ] показва, че Н ₂ газ намалява мозъчен инфаркт, индуцирана от оклузията. Малко след това бе съобщено, че вдишването на H ₂газ по време на реперфузия на черния дроб, след 90 минути оклузия на кръвния поток, значително потиска смъртта и нараняването на чернодробните клетки, докато газът хелий не показва защитни ефекти [ 175 ]. При плъхов модел на миокардно I/R увреждане, вдишване на 2% H ₂ в началото на исхемия и в продължение на 60 минути след реперфузия, намален размер на инфаркта, понижено LV-крайно диастолично налягане, отслабено патологично ремоделиране и подобрена сърдечна функция 30 дни след миокардното I/R увреждане [ 104 ]. При свинете, вдишването на 4% H ₂ подобрява зашеметяването на миокарда и намалява размера на миокардния инфаркт [ 104 , 176 ]. По същия начин, вдишване на 2,4% Н ₂газове по време и за 24 часа след кардиопулмонарния байпас при свине значително отслабва неврологичното и бъбречно увреждане, предизвикано от исхемичното нападение [ 177 ].

Въпреки че азотният оксид също има способността да намалява размера на инфаркта при миокардно I/R увреждане [ 176 , 178 ], той също има токсични ефекти, до голяма степен дължащи се на производството му на различни реактивни азотни видове, по-специално пероксинитрит. Пероксинитритът е пагубно реактивна молекула, която реагира с тирозина в активното място на основни ензими (като Tyr6, Tyr32 и Tyr78 в миши GST-μ) и други клетъчни компоненти [ 176 , 179 ]. Благоприятно тези неблагоприятни ефекти могат да бъдат обърнати чрез вдишване на H ₂ [ 174 ]. Дишане НЕ с H ₂може да намали сърдечното увреждане и да подобри възстановяването на функцията на лявата камера чрез премахване на токсичните странични продукти от метаболизма на NO [ 174 ].

В допълнение към инхалацията на H ₂ , интраперитонеалното инжектиране на богат на H ₂ физиологичен разтвор отслабва миокардното I/R увреждане и подобрява сърдечната функция чрез неговите антиоксидантни, антиапоптотични и противовъзпалителни ефекти [ 147 , 180 ]. По същия начин, богата на водород физиологичен разтвор инжектиране преди реперфузия значително намалява нивото на миокардния 8-OHdG и MDA в зоните на риск [ 147 ]. I/R води до бързо натрупване на калций и производство на ROS, което задейства отварянето на пората на митохондриалната пропускливост-преход [ 181 ]. Това води до загуба на мембранния потенциал и индукция на апоптотична сигнализация. Изглежда, че в началото на реперфузията, H ₂е в състояние да намали генерирането на ROS и по този начин да намали увреждането на ДНК и липидната пероксидация, като същевременно запазва потенциала на митохондриалната мембрана и синтеза на АТФ [ 61 ]. Всички те работят заедно, за да защитят сърцето чрез инхибиране на отварянето на пората на митохондриалната пропускливост-преход [ 147 ]. Важно е, че HRS, приложен само 5 минути преди реперфузията, е достатъчен, за да упражни тези защитни ефекти, включително инхибирането на сигналната активация на каспаза-3, което следователно намалява апоптозата на кардиомиоцитите [ 147 ].

Освен I/R увреждане, прекомерното неврохормонално активиране може по подобен начин да предизвика сърдечни усложнения като тези от изопротеренол (ISO), агонист на β-адренорецептора. Обещаващо, интраперитонеално инжектиране на Н ₂ , 7 дни преди и 7 дни с ISO приложение, защитен срещу ISO индуцирана сърдечна хипертрофия и дисфункция ин виво, и Н ₂ -обогатена среда атенюиран ISO индуцирана кардиомиоцитна хипертрофия ин витро [ 105 ]. По същия начин, HRS защитава срещу високи дози ISO-индуциран остър миокарден инфаркт в модел на плъх чрез своите антиоксидантни и противовъзпалителни действия [ 182 ]. H ₂ потиска ISO-индуцираната прекомерна кардиомиоцитна аутофагия както in vivo с помощта на миши модел, така иин витро използване Н9с2 кардиомиоцити в Н ₂ -обогатена медии [ 183 ].

Съответно, 2% вдишване на H ₂ смекчава миокардното I/R увреждане при плъхове чрез намаляване на стреса на сърдечния ендоплазмен ретикулум и аутофагията [ 184 ]. HRS също така защитава срещу индуцирано от доксорубицин миокардно увреждане на плъх [ 185 ] и подобрява преживяемостта и неврологичните резултати след сърдечен арест/реанимация при плъхове [ 186 ]. Вдишването на H ₂ също подобрява преживяемостта и функционалните резултати при плъхов модел на синдром след сърдечен арест [ 187 ]. Защитните ефекти на Н ₂на сърдечна хипертрофия също бяха потвърдени при миши модел на спонтанни хипертонични плъхове. Приложението на HRS ефективно атенюира левокамерната хипертрофия чрез потискане на възпалението и оксидативния стрес, поддържане на митохондриалната функция и потискане на нивата на ангиотензин II локално в левите вентрикули чрез понижаване на ангиотензин-конвертиращия ензим [ 188 ].

Изглежда, че H ₂ осигурява някои от защитните си ефекти, като намалява експресията на NADPH оксидазата и предотвратява увреждането на митохондриите. Тези ефекти водят до намаляване на натрупването на ROS, което впоследствие модулира надолу по веригата ERK1/2, p38 и JNK сигналните пътища [ 64 , 189 ].Фигура 4илюстрира някои от механистичните защитни ефекти на H ₂ .

Отворете в отделен прозорец

Фигура 4

Механизми на действие на молекулярния водород при повишен оксидативен стрес. Доказано е, че молекулярният водород осигурява защитни ефекти чрез няколко механизма, включително антиоксидантни, противовъзпалителни и цитопротективни действия, както и чрез модулация на сигнала.

4.3. H ₂ за запазване на присадката

Н ₂ прилага изрязват сърдечни трансплантати при студено съхранение значително намалява студено-индуцирана травма на I / R в присадки от сингенни възрастните донори и алографти подложени на удължено съхранение студен [ 190 ]. Прилагането на водород вероятно има благоприятни ефекти в условия на хипоксично посткондициониране, което засилва неговата кардиопротективна ефективност [ 3 ]. Zálešák et al. [ 138 ] съобщава, че Н ₂ -наситени разтвор на Krebs-Henseleit значително намалява инфаркт размер индуцирана от инфаркт на I / R хипоксична след кондициониране [ 138 ].

Богатият на водород разтвор за консервиране е тестван в черния дроб, бъбреците, панкреаса, костния мозък, белите дробове и хладилното съхранение на червата [ 191 ]. Проучванията показват, че тези богати на водород разтвори имат способността да инхибират оксидативния стрес, потискат имунните и възпалителните реакции, инхибират освобождаването на група с висока мобилност 1 (HMGB1), подобряват митохондриалната функция и енергийния метаболизъм, подобряват преживяемостта на присадката и намаляват сърдечното увреждане по време на запазване или реперфузия при сърдечна трансплантация [ 190 , 192 , 193 , 194 , 195 ].

Взети заедно, се предполага, че донорът може да бъде подложен на инхалация на водород, последвано от съхраняване на тъканта в богат на водород консервиращ разтвор. Това може да е обещаващ и прост метод за удължаване на времето за запазване на присадката и оцеляването на реципиента. Клиничното изследване на тази хипотеза е оправдано и насърчавано.

Времето на H ₂ също може да бъде важен фактор, който изисква повече изследвания. Например, H ₂ е в състояние да предотврати ISO-индуцирана сърдечна дисфункция, когато се прилага няколко дни преди това, но не и в деня на прилагане на ISO [ 64 ]. Следователно, предварителната обработка на H ₂ може да бъде по-ефективна от последващата. Повечето проучвания изглежда подкрепят, че предварителното излагане на водород е най-ефективно. Например, 2% вдишване на водород 1 час преди получаването на черния дроб може също да предпази черния дроб от I/R увреждане чрез активиране на NF-κB сигналния път в ранната фаза, последвано от последващото му регулиране надолу [ 142 ].

Преди това други терапевтични стратегии за борба с ROS-индуцирано клетъчно увреждане бяха особено благоприятни при животински модели, но най-вече се провалиха при клинични проучвания при хора [ 196 ]. Обратно, молекулярният водород може да се окаже прост, безопасен, икономичен и нов подход за бъдеща сърдечна защита [ 106 , 147 ]. Наистина едно обещаващо клинично проучване показа, че инхалацията на H ₂ (1,3% H ₂ ) по време на първична перкутанна коронарна интервенция (PCI) е осъществима и безопасна възможност за лечение на пациенти с миокарден инфаркт с повишена ST и може да предотврати неблагоприятно левокамерно ремоделиране след първична PCI [ 197 ].

5. Заключения

Прекомерното производство на свободни радикали е медиатор на много сърдечно-съдови заболявания като исхемия/реперфузионно увреждане, включително тези, свързани със съхранението на присадки по време на сърдечна трансплантация, както и сърдечни заболявания, предизвикани от радиация. За да се предотврати или поне смекчи развитието на оксидативен стрес, е необходимо да се разработят нови подходи за ефективно и безопасно намаляване на патологичните последици от прекомерните нива на ROS.

Проучванията показват, че H ₂ може да лекува много заболявания, свързани с оксидативен стрес, включително сърдечно-съдови заболявания. Понастоящем се предполага, че основните механизми на действието на H ₂ са неговата модулация на сигналната трансдукция, промяна на генната експресия и, въпреки че е спорен и се нуждае от по-нататъшен анализ на биологичното му значение, неговия селективен ^• OH-улавящ ефект. Въпреки това, основната(ите) цел(и) на молекулярния водород остават неуловима, но може да включва принципа на хормезиса. Най-големите предимства при използването на H ₂ са лесното проникване през всички биологични мембрани, широк спектър от форми на приложение и малко или никакви значими докладвани нежелани ефекти. Така H ₂ може да представлява нова терапевтична стратегия за смекчаване на оксидативния стрес и неговите патологични последици.

Въпреки това, все още са необходими допълнителни изследвания, за да се определи оптималният метод на приложение, оптималната доза и честота, както и действителното клинично въздействие от използването на H ₂ заедно с потенциалните рискове/клопки, свързани с приложението му.