氢气治疗可能和线粒体复合物III有关

2022-03-03 17:04

这是2020年的一篇文章,作者来自厦门大学,基本的思路是研究对心肌梗塞动物模型氢气的治疗效果,不过**作者曾经在多年前发表过2篇相关研究,也算是系列研究。


急性心肌梗死已成为全球范围内的主要死亡原因之一。美国每年就有100多万名患者因急性心肌梗死(AMI)或冠心病而住院治疗。在中国和印度等发展中**急性心肌梗死的发病率急剧上升。过去的30年死亡总人数稳步下降,但在过去的十年已经稳定,短期死亡率范围从5%到6%。


尽管有效再灌注治疗已经有所进步和成绩,但缺血再灌注损伤仍然对患者心脏带来危害,甚至会发生不良事件。


前期研究探讨了各种后适应对减少再灌注相关损伤的保护作用。在经皮冠状动脉介入治疗过程中,可通过病变部位反复扩张实现后适应,但其使用受到并发症的限制,如斑块破裂、血栓形成、栓塞和冠状动脉剥离。


因此,药物后处理的潜在效益得到了探索。氢气选择性拮抗活性氧,如羟基自由基和过氧亚硝酸盐阴离子。线粒体是参与氧自由基形成的主要细胞器,复合体III是活性氧形成的主要部位。前期的研究表明,氢气盐水水可显著降低大鼠心肌细胞氧自由基水平及心肌梗死面积。但对于氢气与线粒体呼吸链复合体III的关系研究较少。


线粒体复合体III是细胞内活性氧产生的*主要部位,我们假设这一过程可能会受到氢气的影响。本研究采用体内缺血再灌注损伤大鼠模型,研究氢气生理盐水后处理对线粒体复合体III活性的影响。富氢气盐水水是根据孙等的研究制备的。用4 M的NaOH调节生理盐水和富氢气盐水水的pH至7.4。抗霉素A购自北京中盛瑞泰科技有限公司,于注射前1小时配制。除假手术组外,其余大鼠均进行急性心肌缺血45分钟后再灌注。在所有组中,药物使用微型注射器注射到梗死区周围的心肌组织。


将大鼠随机分为4组:

1)手术组,切开、分离、穿刺左冠状动脉,不结扎。治疗45 min后,向心脏前壁注射60µL生理盐水;


2)缺血再灌注损伤组,成功缺血45min后迅速调整压力泵至0atm,取下球囊。立即在缺血部位三点共注射60µL生理盐水,持续维持再灌注;


3)氢气盐水水后处理(Hyd)组,成功缺血45min后迅速调整压力泵至0atm,取下球囊。立即在缺血部位三点共注射60µL饱和盐水,维持持续再灌注;


4)氢气+抗霉素A (Ant)组,成功缺血45 min后迅速调整泵至0 atm,取下球囊。缺血部位3点分别注射60µL的饱和盐水和60µL的抗霉素A,维持再灌注。在再灌注后5 min、6 h、24 h,每组8只大鼠处死,采集心肌和血液。大鼠腹腔注射戊巴比妥钠(46 mg/kg)麻醉。麻醉成功后,对大鼠实施脊髓脱位安乐死。


心脏组织被切除,进行如下所述测量:

1)活性氧,丙二醛(MDA)的含量羟基自由基(·OH)和超氧化物歧化酶(SOD)活性测定5分钟后再灌注;


2)检测细胞色素b (Cyt-b) mRNA水平和复合物III活性,评价复合物III的功能;


3)测定线粒体肿胀和膜电位,间接评价线粒体通透性过渡孔(mPTP)开口;


4)再灌注6 h后测定细胞色素c (Cyt-c)和细胞色素b (Cyt-b)的表达水平;


5)再灌注24h后测定凋亡指数;


6)再灌注24 h后,采用即刻染色法测定心肌血清标志物水平和梗死面积。


许多研究关注缺血再灌注损伤的病理生理和调控机制,并设计了多种策略来预防其发生。这些策略包括缺血后处理和药理学后处理策略。然而,缺血后处理可导致有害的后果,如远端栓塞。相比之下,药理学后处理具有良好的效果。


氢气曾被认为是一种对生物系统没有显著影响的生理惰性气体,2007年,Ohsawa等人表明,在脑缺血再灌注后24h,氢气显著降低脑梗死体积。他们的研究促使研究氢气后处理的潜在治疗作用。氢气具有通过各种生物屏障的强渗透性,进入体内各种组织的能力,以及良好的生物安全性,没有显著副作用,使其成为一种极好的候选治疗性医用气体。

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本研究结果表明,氢气盐水后处理在大鼠缺血再灌注损伤模型中发挥了心肌保护作用,其机制可能与氢气对活性氧的选择性拮抗有关。线粒体是心肌细胞中*重要的细胞器之一,占细胞总体积的45%。除缺血再灌注外,氧自由基主要来源于线粒体,其中呼吸链复合体III是活性氧生成的主要部位。考虑到活性氧在缺血再灌注损伤中的重要作用,我们假设后适应过程中活性氧水平和类型的变化可能与呼吸链复合体III的功能和结构变化有关。在本研究中,与缺血再灌注组相比,Hyd组的呼吸链复合体III活性明显提高,自由基的生成减少,尤其是大量释放会造成组织损伤的·OH。


Cyt-b是复合体III的重要组成部分,它将电子从辅酶Q传递给硫铁蛋白。在本研究中,Hyd组再灌注5 min和6 h后Cyt-b蛋白表达水平明显高于缺血再灌注组,说明富氢气生理盐水后处理对复合体III结构有保护作用。


抗霉素A可抑制循环电子流的两种途径之一,已被广泛用于表征线粒体呼吸链。自1963年以来,当铁氧还蛋白被确定为该途径中的电子供体时,抗霉素A就被用于表征循环电子流。虽然抗霉素A抑制复合物III的功能,但不影响Cyt-b的表达,正如本研究的结果所证明的那样。这表明复合物III的活性并不完全依赖于Cyt-b的表达水平,可能是因为抗霉素A虽然阻断了复合物III的电子转移,但并不影响复合物III的结构。


mPTP是一种位于线粒体膜上的蛋白质复合物,被认为是细胞保护通路[32]的*终效应器。mPTP的打开导致线粒体膜空间渗透压升高,随后线粒体肿胀和外膜破裂。某些促凋亡因子,如Cyt-c,从膜空间释放到细胞质,触发细胞凋亡。如果mptp在短时间内大量打开,上述变化将导致能量生成的改变和细胞凋亡、坏死的死亡。*近,氢气分子被用于与氧化和炎症应激相关的各种疾病的临床前和临床研究,如辐射诱发心脏病、缺血再灌注损伤和心肌和脑梗死。


氢气能良好地调节信号转导和基因表达,导致促炎细胞因子的抑制、过量活性氧的产生和Nrf2抗氧化转录因子的激活。此前有研究表明,氢气生理盐水可缓解缺血再灌注诱导的炎症反应和凋亡,并有助于自噬相关蛋白的表达,该蛋白可能通过Pink1/ parkin介导的线粒体自噬作用。缺血预处理和缺血后处理(I-PostC)可诱导内源性保护机制减轻缺血再灌注损伤。本研究发现,富氢气生理盐水的保护作用被复合物III阻滞剂显著削弱。虽然Ant组Cyt-c的表达水平与缺血再灌注组相似,但Ant组mPTP开放和凋亡水平明显降低。这些结果表明,氢气对心肌的保护作用可能在很大程度上归因于复合物III的活性。


上述结果表明,复合体III可能在富氢气生理盐水的药理后处理中发挥重要作用。


然而,富氢气盐水水诱导的保护作用并没有完全被复合物III的药理抑制所消除,这表明参与了其他调控途径。Cyt-b亚型在本研究中没有量化,未来的研究应调查这些亚型的相对贡献。本研究的另一个局限性是缺乏对抗霉素A对SOD和·OH浓度影响的评估。总之,富氢气生理盐水后处理可提高缺血再灌注损伤大鼠复合体III活性水平和线粒体跨膜电位,减轻心肌细胞凋亡。


本研究提出氢气后适应的概念,这有一些胆量,但氢思语认为不太妥当。适应一般是生物体对外界伤害的对抗反应,*经典的就是低氧和缺血预适应,就是对组织和个体进行缺血缺氧的处理,能诱导组织和个体耐受缺血缺氧的能力。这种现象后来进一步研究发现后适应和远适应现象。但所有适应都是伤害刺激激活生物组织本身的反应。氢气作用是对损伤的直接中和。理论上不具有诱导适应的作用。只有一种研究和适应相关,就是氢气能启动内源性抗氧化效应,但是这不是*主流的观点。且作者也没有从这个角度进行探讨。


参考文献:

Zhang, Guoming; Sun, Yuanyuan; Wang, Yu; Li, Xiaoyan; Li, Tiande; Su, Shaoping; Xu, Lin; Shen, Hong (2013). Local Administration of Lactic Acid and a Low Dose of the Free Radical Scavenger, Edaravone, Alleviates Myocardial Reperfusion Injury in Rats. Journal of Cardiovascular Pharmacology, 62(4), 369–378.


Zhang G, Gao S, Li X, et al. Pharmacological postconditioning with lactic acid and hydrogen rich saline alleviates myocardial reperfusion injury in rats[J]. Scientific reports, 2015, 5(1): 1-8.


Zhang G, Ding L, Sun G, Cao L, Wang B, Tse G, et al. Hydrogen-Rich Saline Postconditioning and Mitochondrial Function in Rats Undergoing Ischemia-Reperfusion Injury. Cardiologist. 2021;2(1):1008.


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文章来源:

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