氢气治疗疾病的机制研究已经成为目前氢气生物学研究的重点，前几天刚刚有瑞典学者关于神经系统治疗方面的机制研究，重点从免疫细胞因子角度的基因表达进行分析，认为氢气可以通过提高抗炎症因子IL-10或Nrf2等抗氧化调节基因的表达发挥抗氧化和抗炎症作用。

最近发表在BBRC上的一篇关于氢气基因表达调节的研究来自美国匹兹堡大学。该研究组在Nakao带领下，是美国氢气生物学研究最活跃的小组，他们主要研究氢气对各类器官移植后损伤的预防和治疗作用。早在2008年他们曾报道氢气呼吸对小肠移植后损伤的预防作用，并在该研究中首先证明了氢气的抗炎症作用。2009年他们又报道了氢气对心脏移植后损伤的治疗作用。2010年他们报道了饮用氢气水对肾脏移植后肾病的治疗作用，2011年他们报道了饮用氢气水对血管移植后内皮细胞增生的研究，也报道了呼吸氢气对肺器官移植后损伤具有保护作用。

由于氢气作用分子机制研究的相对滞后，限制了氢气生物学效应的研究深度，甚至间接对氢气的临床应用都会带来不利影响，因此加强氢气生物学效应细胞和分子机制的研究已经成为该领域的重要内容。研究氢气的分子机制，最重要的一个手段是观察氢气对正常机体的影响，本研究的最大特点就是让正常动物呼吸3小时2%氢气，然后处死动物对肺组织进行4小时的冷缺血处理（损伤前治疗）观察肺脏组织的基因表达谱改变，对36,512个目标基因表达情况的分析结果发现，和呼吸同样浓度的氮气比较，呼吸氢气可以使肺组织中有229个目标基因发生了显著改变，其中表达上调的基因数量为182个，表达下调的基因数量为47个。在这些发生改变的基因中，特别有意思的是有4类可能和氢气的生物学效应关系密切的改变。分别是肺表面活性物质相关分子、ATP合成酶类和应激反应分子。肺表面活性物质是维持肺泡功能非常关键的物质。ATP是细胞能量交换的货币单元，是维持细胞存活和功能的关键物质，氢气可以增加ATP合成的酶可能是氢气保护细胞免受损伤的重要原因。应激反应分子的代表是MAPK系统，氢气可以使MAPK中的JNK/ERK/P38共同下调，而且使HSP70表达上调。在所有受到影响的基因中，变化最明显的是CC16,其次是SP-A, SCGB3A2 和HSD11β1。这些基因在肺功能和肺组织炎症反应等方面具有重要作用，可能是氢气生物学效应的基础。

该研究除上述基因表达的研究，对部分基因的变化进行蛋白表达的分析，也对肺脏移植后的组织病理学改变进行了分析。这一研究对解释氢气的生物学效应提供了新的基因表达证据，给将来的研究带来了新的分子目标，将给氢气生物学效应机制的研究奠定重要基础。过去曾经有学者观察长期给氢气对肝脏基因表达改变的研究，但该研究属于长期观察，慢性给氢气，很难以分析氢气的直接基因效应。

当然仍存在遗憾的是，这一研究仍没有回答氢气的作用分子细节，就是氢气是通过什么途径影响这些基因的表达，而有由于观察的变化是缺血后4小时，这种变化包含着缺血对基因表达的影响，氢气也许是通过保护缺血损伤“间接影响”到这些基因表达的改变。但无论如何，这一研究给出了新的证据和解释，仍不失为一篇重要文献。

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Profiling molecular changes induced by hydrogen treatment of lung allografts prior to procurement

Abstract

We previously demonstrated that donor treatment with inhaled hydrogen protects lung grafts from cold ischemia/reperfusion (I/R) injury during lung transplantation. To elucidate the mechanisms underlying hydrogen’s protective effects, we conducted a gene array analysis to identify changes in gene expression associated with hydrogen treatment.

Methods

Donor rats were exposed to mechanical ventilation with 98% oxygen and 2% nitrogen or 2% hydrogen for 3 hours before harvest; lung grafts were stored for 4 hours in cold Perfadex. Affymetrix gene array analysis of mRNA transcripts was performed on the lung tissue prior to implantation.

Results

Pretreatment of donor lungs with hydrogen altered the expression of 229 genes represented on the array (182 upregulated; 47 downregulated). Hydrogen treatment induced several lung surfactant-related genes, ATP synthase genes and stress-response genes. The intracellular surfactant pool, tissue adenosine triphosphate (ATP) levels and heat shock protein 70 (HSP70) expression increased in the hydrogen-treated grafts. Hydrogen treatment also induced the transcription factors C/EBPα and C/EBPβ, which are known regulators of surfactant-related genes.

Conclusion

Donor ventilation with hydrogen significantly increases expression of surfactant-related molecules, ATP synthases and stress-response molecules in lung grafts. The induction of these molecules may underlie hydrogen’s protective effects against I/R injury during transplantation.

Highlights► Gene array analysis was performed to begin elucidating the mechanisms underlying the protective effects of donor hydrogen treatment during lung transplantation. ► Hydrogen activated C/EBPα and C/EBP β and induced lung surfactant-related genes. ► Hydrogen induced ATP synthase genes and increased ATP level in lung graft tissue. ► Hydrogen induced stress-response molecules and inactivated MAPKs.