器官移植中的缺血再灌注损伤(缺血再灌注损伤)一直是器官保护领域的一个重要研究热点。氢作为一种抗氧化剂，已被证明具有抗炎、抗氧化和抗凋亡作用。本文就氢对器官移植中缺血再灌注损伤的保护作用进行综述，为今后的临床研究提供线索。
该综述来自四川省人民医院ICU。
Yang F, Lei Y, Liu R, et al. Hydrogen: Potential Applications in Solid Organ Transplantation[J]. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2021,
1. 介绍
缺血再灌注损伤是器官移植最常见的临床并发症之一。损伤机制包括细胞离子改变、线粒体代谢、活性氧系统激活、各种炎症反应等病理生理变化。严重者甚至可能导致原发性移植物功能障碍，延长住院时间，大大增加实体器官移植受者的死亡风险。虽然临床上已经开发出各种离体器官保护平台，如体外肺灌注(EVLP)和Life Port Liver Transporter ( LIFESPORT)等，器官保存液也得到了广泛的研究和改进，但并不能完全预防缺血再灌注损伤。
移植物缺血导致有害的活性氧产生。然而，再灌注过程中的再氧过程是产生大多数活性氧、激活补体系统和启动炎症反应的原因。移植过程中血管供应的阻断导致内皮细胞严重缺氧，内皮细胞成为活性氧的重要来源和靶点。线粒体功能障碍、中性粒细胞起始、黄嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶在这一过程中发挥关键作用。反过来，过量的氧化剂通过诱导DNA、蛋白质和脂质过氧化导致组织损伤和细胞死亡。因此，使用抗活性氧药物是减少器官移植过程中缺血再灌注损伤的重要策略。
氢在自然界中分布广泛，在空气中浓度为0.00006%[0.6ppm]。在生理状态下，人体肠道菌群可以产生大量的氢气，氢气参与人体的生理过程，最终由肺部排出或代谢产生无毒的水。氢的选择性抗氧化功能已在以往的研究中得到证实;随着研究的加强，氢被证实具有多种作用，如抗炎、抗氧化和抗凋亡作用。近年来，氢的使用已成为医疗中气体使用的重要组成部分。氢已被用于各种疾病模型和治疗研究，包括实体器官移植中的缺血再灌注损伤。然而，氢治疗实体器官移植缺血再灌注损伤的具体机制目前尚不完全清楚。目前已有的实验和研究发现其机制可能与其选择性抗氧化作用、减少炎症反应、抑制细胞凋亡有关。其在实体器官移植中的应用研究进展如下(表1)。
表1氢在不同器官的应用。
参考文献见原文
1．1. 氢在肺移植中的应用
缺血再灌注损伤引起的原发性反射性移植物功能障碍是肺移植受者的常见临床并发症之一，发生率高达30%，大大增加了肺移植受者的死亡风险。因此，肺功能的维持对这些受者至关重要。为了确定氢对肺移植的保护作用，已经进行了多项研究，主要体现在供肺的前出口过程、冷缺血期和移植过程中。
1.1.1。氢在供肺分离前的应用
保护供体肺一直是当务之急，有效的措施可以扩大供体来源。既往研究发现供体吸入氢气可提高移植肺的顺应性和氧指数。其发生机制主要通过以下途径:(1)抗氧化作用。在肺移植脑死亡大鼠模型中，2%的氢供体和受体通风抑制丙二醛和myeloperoxidase-mediated抑制血红素oxygenase-1和增加超氧化物歧化酶(sod)的活性和其他抗氧化剂,保护肺功能。(2)对凋亡的影响。在心脑死亡动物模型中，吸入2-3%氢能有效调节抗凋亡蛋白Bcl-2和促凋亡蛋白Bax的表达，从而抑制Caspase-3阳性细胞引起的凋亡过程。无论在心脏死亡模型还是脑死亡模型中，吸入氢都能有效降低IL-8、IL-6、TNF-α等促炎因子的表达水平，从而在提取肺之前减轻供体的肺损伤。此外，Tanaka等人对氢预处理的移植供体进行测序，发现氢处理诱导具有抗炎和抗氧化作用的蛋白(包括Clara细胞)表达，并增加细胞内组织三磷酸腺苷(ATP)和热休克蛋白70 (HSP70)表达水平。氢处理还诱导表面活性剂调控C/EBPA和C/EBPB转录因子的表达。以上基因变化为我们以后探索能量代谢和表面活性剂相关途径提供了有效线索。
1.1.2。氢在冷缺血期的应用
冷缺血期肺的治疗包括器官保护液的储存和EVLP平台的修复。
(1)氢在离体肺器官保存液中的应用。作为肺移植供体保护的重要组成部分，器官保存液的不断优化一直是临床研究的热点。保存在液体中的富氢器官也可以单独保护肺部。Masao等人在富氢灌注液中保存了犬或大鼠肺移植模型提供的供肺。与对照组相比，供体肺在移植肺中保持了较高的氧分压，血管周围水肿更少。富氢保存液一方面可以降低促炎细胞因子(TNF-α和IL-1β) mRNA的表达，另一方面可以抑制氧化应激指标8-OHdG的表达。这一效应被证明是通过Nrf2-HO-1途径实现的。此外，氢气还可以通过扩大器官保存液中供体肺的浸润，改善移植肺的静态P-V曲线和组织学评分。Zhang等在肺移植模型中使用肺微血管内皮细胞模拟缺血再灌注损伤。这一作用可能是通过抑制p38丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子-κB (NF-κB)通路来达到肺微血管内皮细胞(PMVECs)炎症损伤的目的。
(2)氢气在EVLP平台中的应用。在离体肺中，EVLP作为肺修复的重要武器，目前在临床实践中得到越来越广泛的应用。早在2014年，Entaro等人就发现2%的氢组显著上调了EVLP修复过程中有助于肺部的线粒体相关基因，如血红素氧化酶-1 (HO-1)、过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子(pgC-1α)和核呼吸因子-1 (Nrf-1)。同时，线粒体复合物I和II的酶活性以及线粒体复合物IV的活性均显著升高，提示氢对供肺功能的保护作用可能是由于线粒体氧化应激干预实现肺保护。随后，Haam的团队证明，在EVLP中使用氢作为干预，可以降低肺血管阻力指数，降低炎症因子如IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α的表达，并显著减少凋亡。同时，氢干预组中所有MAPK相关酶的磷酸化水平均较低，提示EVLP过程中氢的变化可能是通过MAPK通路实现的。后续研究证实，氢对移植肺的保护作用不仅存在于EVLP期间，也存在于供体移植后。
(3)氢在肺移植手术中的应用。孟和Kawamura等也将氢应用于动物模型肺移植，发现氢可以降低移植物的脂质过氧化，减少IL-6等炎症因子的产生，并显著减少肺组织中巨噬细胞的浸润。Kawamura等研究发现，氢组缺血再灌注2 h后与凋亡相关的Bcl-2、Bcl-XL mRNA显著上调，再灌注6 h后Bcl-2、Bcl-XL蛋白升高，提示氢的抗凋亡作用在肺移植过程中起着重要的保护作用。
1.1.3。氢在肝移植中的应用
目前，关于氢在肝移植中对缺血再灌注损伤影响的研究主要集中在供肝的器官保存液和肝移植过程中。在肝移植后缺血再灌注损伤动物模型中，富氢保存液一方面可以改善供肝的氧化还原状态，并通过抑制细胞质MKK4/JNK介导的细胞死亡通路，上调HO-1的表达，从而为供肝提供更好的功能和形态保护。另一方面，Shimada等发现用富氢保存液再灌注供肝可以在早期保护线粒体功能，抑制随后的氧化应激和炎症级联，从而减少肝脏再灌注损伤。动物模型肝移植开始时持续吸入2%氢1 h可通过激活NF-κB信号通路调节大鼠肝脏缺血再灌注损伤的保护作用。
1.1.4。氢在肾移植中的应用
目前关于氢在肾移植中的研究相对较少，大多集中在改善器官保存液方面。Abe等人认为富氢UW溶液在早期降低移植肾的氧化应激，减少肾小管凋亡和间充质巨噬细胞浸润。组织病理学上，富氢UW液治疗减少肾小管损伤并抑制间质纤维化的进展。Kobayashi和Sano在移植后溶解氢液输注中促进了肾的保存。实验组移植后6天检测肾血流，膀胱检测尿液。这些研究表明了氢在肾缺血再灌注损伤中的潜力，但这仍有待更多的研究证实。
1.1.5。氢气在小肠移植中的应用
在小肠移植的研究中，氢也有抗氧化和抗炎作用。Shigema等和Yamamoto等使用夜光富氢溶液对移植肠进行肠灌注，可显著抑制氧化指数、丙二醛和8-羟基脱氧鸟苷水平。富氢溶液组(HRGS)诱导型一氧化氮合酶、白细胞介素-6等促炎细胞因子mRNA和蛋白水平显著降低。在HRGS组中，隐窝细胞凋亡明显受到抑制，小肠绒毛更加完整。Buchholz等人还证明，氢治疗通过调节增加的抗氧化能力和肌红蛋白加氧酶-1，减轻肠道缺血再灌注损伤并提高生存率。血红素加氧酶-1在很大程度上受到氧化还原敏感转录因子，核因子rbc -2相关因子2 (Nrf2)的调控。因此，OH-1可以作为未来肠移植氢研究的靶点。研究还发现，氢预处理增加了胃肠道活性，改善了肠移植物空肠平滑肌的收缩性，抑制了大量上皮细胞的黏膜侵蚀和脱落，维持了基本通透性。这些发现进一步支持了在小肠移植中氢治疗可以保持肠道黏膜的完整性，同时保持胃肠道活动，减少术后并发症的观点。
1.1.6。氢在心脏移植中的应用
氢在心脏移植缺血再灌注损伤中的主要应用是吸入氢处理和富氢水处理。目前的研究表明，富氢器官保护液或吸入氢预处理一方面可以调节缺血心肌氧化应激标志物Box1蛋白和血清高流动性组8-羟基-2 -脱氧鸟苷(8-OHDG)，增强心肌组织的抗氧化能力。另一方面，氢处理可以调节凋亡相关分子的mRNA和蛋白表达水平，如促凋亡分子Bax和Bcl-2，从而减少凋亡。在心肌组织缺血再灌注过程中，大量活性氧的产生会影响线粒体稳态。线粒体是细胞内活性氧产生的主要场所，也是活性氧产生的目标，但为大多数细胞产生正常心脏功能和ATP的能量。在心脏移植中使用富含氢的器官保护剂可以保护线粒体并促进线粒体增殖。富氢器官保护液激活ATP合酶和线粒体生物遗传基因，维持移植组织中ATP水平。同时，在富氢保护液干预组中，PGC-1α、NRF-1、PPAR-G等线粒体相关基因显著上调，甚至HO-1的基因和蛋白表达也上调。PPAR- g调控HO-1表达，HO-1通过核因子红系2相关因子(NRF)促进NRF-1基因表达激活线粒体，提示富氢保护液可能通过PPAR-α/HO-1信号通路实现保护供体心脏的作用。
2. 结论
氢的保护作用在基础研究中逐渐得到证实。然而，导致这些效应的确切机制仍未被完全理解。然而，这些基本发现可能为氢在移植物缺血再灌注损伤治疗中的应用提供线索。过去氢气只以气态给予，这明显限制了其临床应用。目前，氢气输送已发展成液态、气态、固态等多种形式，并已进入其他临床领域，具有很强的临床应用前景。目前关于氢和非实体器官移植的研究较少，这可能是未来的研究方向。还需要进一步的动物研究和初步的人类临床试验，以奠定基础，在不久的将来，氢非常有希望作为一种常用药物获得临床应用。
该综述来自四川省人民医院ICU。
Yang F, Lei Y, Liu R, et al. Hydrogen: Potential Applications in Solid Organ Transplantation[J]. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2021,
1. 介绍
缺血再灌注损伤是器官移植最常见的临床并发症之一。损伤机制包括细胞离子改变、线粒体代谢、活性氧系统激活、各种炎症反应等病理生理变化。严重者甚至可能导致原发性移植物功能障碍，延长住院时间，大大增加实体器官移植受者的死亡风险。虽然临床上已经开发出各种离体器官保护平台，如体外肺灌注(EVLP)和Life Port Liver Transporter ( LIFESPORT)等，器官保存液也得到了广泛的研究和改进，但并不能完全预防缺血再灌注损伤。
移植物缺血导致有害的活性氧产生。然而，再灌注过程中的再氧过程是产生大多数活性氧、激活补体系统和启动炎症反应的原因。移植过程中血管供应的阻断导致内皮细胞严重缺氧，内皮细胞成为活性氧的重要来源和靶点。线粒体功能障碍、中性粒细胞起始、黄嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶在这一过程中发挥关键作用。反过来，过量的氧化剂通过诱导DNA、蛋白质和脂质过氧化导致组织损伤和细胞死亡。因此，使用抗活性氧药物是减少器官移植过程中缺血再灌注损伤的重要策略。
氢在自然界中分布广泛，在空气中浓度为0.00006%[0.6ppm]。在生理状态下，人体肠道菌群可以产生大量的氢气，氢气参与人体的生理过程，最终由肺部排出或代谢产生无毒的水。氢的选择性抗氧化功能已在以往的研究中得到证实;随着研究的加强，氢被证实具有多种作用，如抗炎、抗氧化和抗凋亡作用。近年来，氢的使用已成为医疗中气体使用的重要组成部分。氢已被用于各种疾病模型和治疗研究，包括实体器官移植中的缺血再灌注损伤。然而，氢治疗实体器官移植缺血再灌注损伤的具体机制目前尚不完全清楚。目前已有的实验和研究发现其机制可能与其选择性抗氧化作用、减少炎症反应、抑制细胞凋亡有关。其在实体器官移植中的应用研究进展如下(表1)。
表1氢在不同器官的应用。
参考文献见原文
1．1. 氢在肺移植中的应用
缺血再灌注损伤引起的原发性反射性移植物功能障碍是肺移植受者的常见临床并发症之一，发生率高达30%，大大增加了肺移植受者的死亡风险。因此，肺功能的维持对这些受者至关重要。为了确定氢对肺移植的保护作用，已经进行了多项研究，主要体现在供肺的前出口过程、冷缺血期和移植过程中。
1.1.1。氢在供肺分离前的应用
保护供体肺一直是当务之急，有效的措施可以扩大供体来源。既往研究发现供体吸入氢气可提高移植肺的顺应性和氧指数。其发生机制主要通过以下途径:(1)抗氧化作用。在肺移植脑死亡大鼠模型中，2%的氢供体和受体通风抑制丙二醛和myeloperoxidase-mediated抑制血红素oxygenase-1和增加超氧化物歧化酶(sod)的活性和其他抗氧化剂,保护肺功能。(2)对凋亡的影响。在心脑死亡动物模型中，吸入2-3%氢能有效调节抗凋亡蛋白Bcl-2和促凋亡蛋白Bax的表达，从而抑制Caspase-3阳性细胞引起的凋亡过程。无论在心脏死亡模型还是脑死亡模型中，吸入氢都能有效降低IL-8、IL-6、TNF-α等促炎因子的表达水平，从而在提取肺之前减轻供体的肺损伤。此外，Tanaka等人对氢预处理的移植供体进行测序，发现氢处理诱导具有抗炎和抗氧化作用的蛋白(包括Clara细胞)表达，并增加细胞内组织三磷酸腺苷(ATP)和热休克蛋白70 (HSP70)表达水平。氢处理还诱导表面活性剂调控C/EBPA和C/EBPB转录因子的表达。以上基因变化为我们以后探索能量代谢和表面活性剂相关途径提供了有效线索。
1.1.2。氢在冷缺血期的应用
冷缺血期肺的治疗包括器官保护液的储存和EVLP平台的修复。
(1)氢在离体肺器官保存液中的应用。作为肺移植供体保护的重要组成部分，器官保存液的不断优化一直是临床研究的热点。保存在液体中的富氢器官也可以单独保护肺部。Masao等人在富氢灌注液中保存了犬或大鼠肺移植模型提供的供肺。与对照组相比，供体肺在移植肺中保持了较高的氧分压，血管周围水肿更少。富氢保存液一方面可以降低促炎细胞因子(TNF-α和IL-1β) mRNA的表达，另一方面可以抑制氧化应激指标8-OHdG的表达。这一效应被证明是通过Nrf2-HO-1途径实现的。此外，氢气还可以通过扩大器官保存液中供体肺的浸润，改善移植肺的静态P-V曲线和组织学评分。Zhang等在肺移植模型中使用肺微血管内皮细胞模拟缺血再灌注损伤。这一作用可能是通过抑制p38丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子-κB (NF-κB)通路来达到肺微血管内皮细胞(PMVECs)炎症损伤的目的。
(2)氢气在EVLP平台中的应用。在离体肺中，EVLP作为肺修复的重要武器，目前在临床实践中得到越来越广泛的应用。早在2014年，Entaro等人就发现2%的氢组显著上调了EVLP修复过程中有助于肺部的线粒体相关基因，如血红素氧化酶-1 (HO-1)、过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子(pgC-1α)和核呼吸因子-1 (Nrf-1)。同时，线粒体复合物I和II的酶活性以及线粒体复合物IV的活性均显著升高，提示氢对供肺功能的保护作用可能是由于线粒体氧化应激干预实现肺保护。随后，Haam的团队证明，在EVLP中使用氢作为干预，可以降低肺血管阻力指数，降低炎症因子如IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α的表达，并显著减少凋亡。同时，氢干预组中所有MAPK相关酶的磷酸化水平均较低，提示EVLP过程中氢的变化可能是通过MAPK通路实现的。后续研究证实，氢对移植肺的保护作用不仅存在于EVLP期间，也存在于供体移植后。
(3)氢在肺移植手术中的应用。孟和Kawamura等也将氢应用于动物模型肺移植，发现氢可以降低移植物的脂质过氧化，减少IL-6等炎症因子的产生，并显著减少肺组织中巨噬细胞的浸润。Kawamura等研究发现，氢组缺血再灌注2 h后与凋亡相关的Bcl-2、Bcl-XL mRNA显著上调，再灌注6 h后Bcl-2、Bcl-XL蛋白升高，提示氢的抗凋亡作用在肺移植过程中起着重要的保护作用。
1.1.3。氢在肝移植中的应用
目前，关于氢在肝移植中对缺血再灌注损伤影响的研究主要集中在供肝的器官保存液和肝移植过程中。在肝移植后缺血再灌注损伤动物模型中，富氢保存液一方面可以改善供肝的氧化还原状态，并通过抑制细胞质MKK4/JNK介导的细胞死亡通路，上调HO-1的表达，从而为供肝提供更好的功能和形态保护。另一方面，Shimada等发现用富氢保存液再灌注供肝可以在早期保护线粒体功能，抑制随后的氧化应激和炎症级联，从而减少肝脏再灌注损伤。动物模型肝移植开始时持续吸入2%氢1 h可通过激活NF-κB信号通路调节大鼠肝脏缺血再灌注损伤的保护作用。
1.1.4。氢在肾移植中的应用
目前关于氢在肾移植中的研究相对较少，大多集中在改善器官保存液方面。Abe等人认为富氢UW溶液在早期降低移植肾的氧化应激，减少肾小管凋亡和间充质巨噬细胞浸润。组织病理学上，富氢UW液治疗减少肾小管损伤并抑制间质纤维化的进展。Kobayashi和Sano在移植后溶解氢液输注中促进了肾的保存。实验组移植后6天检测肾血流，膀胱检测尿液。这些研究表明了氢在肾缺血再灌注损伤中的潜力，但这仍有待更多的研究证实。
1.1.5。氢气在小肠移植中的应用
在小肠移植的研究中，氢也有抗氧化和抗炎作用。Shigema等和Yamamoto等使用夜光富氢溶液对移植肠进行肠灌注，可显著抑制氧化指数、丙二醛和8-羟基脱氧鸟苷水平。富氢溶液组(HRGS)诱导型一氧化氮合酶、白细胞介素-6等促炎细胞因子mRNA和蛋白水平显著降低。在HRGS组中，隐窝细胞凋亡明显受到抑制，小肠绒毛更加完整。Buchholz等人还证明，氢治疗通过调节增加的抗氧化能力和肌红蛋白加氧酶-1，减轻肠道缺血再灌注损伤并提高生存率。血红素加氧酶-1在很大程度上受到氧化还原敏感转录因子，核因子rbc -2相关因子2 (Nrf2)的调控。因此，OH-1可以作为未来肠移植氢研究的靶点。研究还发现，氢预处理增加了胃肠道活性，改善了肠移植物空肠平滑肌的收缩性，抑制了大量上皮细胞的黏膜侵蚀和脱落，维持了基本通透性。这些发现进一步支持了在小肠移植中氢治疗可以保持肠道黏膜的完整性，同时保持胃肠道活动，减少术后并发症的观点。
1.1.6。氢在心脏移植中的应用
氢在心脏移植缺血再灌注损伤中的主要应用是吸入氢处理和富氢水处理。目前的研究表明，富氢器官保护液或吸入氢预处理一方面可以调节缺血心肌氧化应激标志物Box1蛋白和血清高流动性组8-羟基-2 -脱氧鸟苷(8-OHDG)，增强心肌组织的抗氧化能力。另一方面，氢处理可以调节凋亡相关分子的mRNA和蛋白表达水平，如促凋亡分子Bax和Bcl-2，从而减少凋亡。在心肌组织缺血再灌注过程中，大量活性氧的产生会影响线粒体稳态。线粒体是细胞内活性氧产生的主要场所，也是活性氧产生的目标，但为大多数细胞产生正常心脏功能和ATP的能量。在心脏移植中使用富含氢的器官保护剂可以保护线粒体并促进线粒体增殖。富氢器官保护液激活ATP合酶和线粒体生物遗传基因，维持移植组织中ATP水平。同时，在富氢保护液干预组中，PGC-1α、NRF-1、PPAR-G等线粒体相关基因显著上调，甚至HO-1的基因和蛋白表达也上调。PPAR- g调控HO-1表达，HO-1通过核因子红系2相关因子(NRF)促进NRF-1基因表达激活线粒体，提示富氢保护液可能通过PPAR-α/HO-1信号通路实现保护供体心脏的作用。
2. 结论
氢的保护作用在基础研究中逐渐得到证实。然而，导致这些效应的确切机制仍未被完全理解。然而，这些基本发现可能为氢在移植物缺血再灌注损伤治疗中的应用提供线索。过去氢气只以气态给予，这明显限制了其临床应用。目前，氢气输送已发展成液态、气态、固态等多种形式，并已进入其他临床领域，具有很强的临床应用前景。目前关于氢和非实体器官移植的研究较少，这可能是未来的研究方向。还需要进一步的动物研究和初步的人类临床试验，以奠定基础，在不久的将来，氢非常有希望作为一种常用药物获得临床应用。
