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氢气预处理间充质干细胞的迷人技术

已有 611 次阅读 2024-4-13 07:29 |个人分类:氢气生物学|系统分类:科研笔记

氢气预处理间充质干细胞可增强其治疗潜力,具有抗氧化、抗炎、促进分化、减少衰老相关蛋白表达等作用。氢气在治疗再生障碍性贫血等方面具有良好效果,并可促进脂肪来源干细胞的肌源性分化。氢气与间充质干细胞结合具有协同效应,可应用于多个医疗领域。然而,氢气预处理间充质干细胞疗法在治疗挑战和考虑因素方面存在复杂性,包括最佳剂量、长期安全性和临床转化等。实现最佳剂量需考虑多种因素,安全性评估需全面,临床转化面临监管和伦理问题。通过细致研究和合作,解决复杂性,实现氢气预处理的间充质干细胞疗法的潜力,为全球患者提供创新解决方案。

Artamonov, Mikhail Yu, et al. "Mesenchymal Stem Cell Priming: Potential Benefits of Administration of Molecular Hydrogen." Pharmaceuticals 17.4 (2024): 469.

干细胞疗法已成为再生医学领域一个充满希望的途径,它提供了治疗各种使人衰弱的疾病和伤害的潜力。在各种类型的干细胞中,间充质干细胞因其独特的属性和治疗潜力而受到广泛关注。近年来,研究人员一直在探索新方法来增强基于间充质干细胞的疗法的有效性。其中一种获得关注的方法是使用氢气对间充质干细胞进行预处理。本文深入探讨了使用氢气进行间充质干细胞预处理的迷人世界,以及它为再生医学带来潜在好处。

 

一、引言

间充质干细胞,也称为多能基质细胞,是存在于身体各种组织中的成体干细胞,包括骨髓、脂肪组织和脐带组织[1]。间充质干细胞具有自我更新和分化成不同细胞类型的非凡能力,例如成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞[2](见1)。这种可塑性使它们成为再生受损组织和治疗以组织功能障碍为特征的疾病的理想候选者。随着研究继续揭示它们的治疗潜力,间充质干细胞仍然是未来医疗治疗发展的一个有前途的途径。

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1. 使用可以分化成许多不同类型的细胞的间充质干细胞,可以修复组织。

 

间充质干细胞在包括骨科、心脏病学、神经学和免疫学等不同的临床应用中已被广泛研究其再生潜力。间充质干细胞被认为是安全有效的,用于治疗包括克罗恩病、系统性红斑狼疮(SLE)、类风湿性关节炎(RA)、移植物抗宿主病(GvHD)和1型糖尿病等疾病。在clinicaltrials.gov上搜索使用间充质干细胞作为干预措施的研究显示有481项研究,这表明了临床上使用间充质干细胞的兴趣。读者可以参考最近的综述文章了解间充质干细胞的临床效果和安全性。

间充质干细胞通过几种机制发挥其治疗效果,如旁分泌信号、免疫调节和组织再生[11]。因此,在干细胞治疗的临床应用中,间充质干细胞已显示出积极的结果。然而,要实现间充质干细胞的全部再生潜力,需要创新策略来增强基于间充质干细胞的疗法的效果。在这方面,一个特别引人入胜且有前景的途径是用氢气预处理间充质干细胞。本文探讨了氢气预处理间充质干细胞的能力。

Sim M. 及同事们报告称,氢气吸入增加了健康成年人的抗氧化和抗炎反应[12]。在使用再生障碍性贫血模型的实验中,发现氢气对间充质干细胞有影响,因为它增加了这些细胞中的集落形成单位的数量[13]。此外,氢气能迅速穿透多种细胞器以及血脑屏障,并且即使在高浓度下也无毒。而且,由于其能够干扰活体系统中的反应性氧物种(ROS),它常被用来治疗与氧化应激相关的疾病[14]。另一方面,一些研究人员指出,氢气减少了下坡跑后延迟发作的肌肉酸痛[14]。有些研究者已经证明,它能在不影响血液氧化标记的情况下改善运动时的肌肉功能[15]。这些发现清楚地表明,需要进一步的研究来理解氢气在健康环境中的表现。

氢气具有高度的安全性,自20世纪60年代以来已得到广泛研究,当时氢气被用于深海潜水。此外,许多临床前和临床研究已经证明,氢气没有毒性作用,这一点已在之前的综述中得到广泛回顾[16,17]。

氢气的治疗效应,包括其抗氧化、抗炎和抗凋亡效果,独特地符合使用氢气来优化间充质干细胞疗法的条件。例如,经历氧化应激、异常细胞信号传导和线粒体功能障碍的间充质干细胞将不会具有相同的再生和治疗效果。使用氢气来保护、受益和预处理间充质干细胞有望帮助克服间充质干细胞疗法的局限性和缺陷。正如回顾的,从研究或假设的理由来看,没有任何迹象表明这两种疗法结合有任何禁忌。

与其他细胞一样,骨髓含有间充质干细胞。当在再生障碍性贫血的发展过程中发生骨髓损伤时,被视为重要的[18]。细胞因子对再生障碍性贫血有显著影响。然而,研究表明,富氢溶液在体内环境中抑制了干扰素伽马(INF-γ)、肿瘤坏死因子-α (TNF-α)和白细胞介素-6 (IL-6)[18]。同时,我们体内的结肠细菌不断产生氢气,这对人的健康没有负面影响[19]。这为我们提供了一些关于为什么氢气是治疗再生障碍性贫血的良好药物的信息[18]。以产氢菌最广泛的拟杆菌和厚壁菌门而闻名,它们对人类健康有益[20]。

研究[21]假设,成人骨髓中不常见的间充质干细胞在采集后必须在体外扩增。然而,人们发现这种操作会导致细胞衰老,使间充质干细胞失去分化、增殖和具有治疗潜力的能力[22]。无论是在体内还是体外,氧化应激都被认为是导致细胞衰老的主要因素。然而,氢气处理是阻止间充质干细胞生长过程中出现衰老的有希望的方法。值得注意的是,已经表明暴露于3%的氢气并不会导致蛋白质羰基、羟基自由基或8-羟基脱氧鸟苷水平的降低,这表明3%氢气的效果可能不是通过清除羟基自由基引起的[21]。氢气可以降低细胞膜的渗透性增加,并阻断磷脂的异常氧化,从而保护细胞免于死亡[23]。因此,氢气的另一个关键机制可能是阻断脂质过氧化[23]。

组织和器官的再生能力可能会受到衰老的影响。在用富含氢的盐水溶液处理的骨髓来源的干细胞(BMSC)中,研究表明对衰老相关半乳糖苷酶(SA-Gal)呈阳性的细胞数量有所减少[24]。接受富含氢的盐水溶液(HRS)处理的大鼠,其BMSC具有更强的增殖能力,三系分化潜力更大,且处于G1细胞周期停滞的细胞比对照细胞少。此外,HRS处理还降低了衰老相关蛋白p53和p21的表达,以及细胞内活性氧(ROS)的产生。因此,氢气可以在体内减缓细胞老化。氢气在BMSC中的抗衰老作用主要是通过ROS/p53/p21信号通路介导的[24]。

用氢气启动间充质干细胞的概念为其治疗潜力引入了一个令人兴奋的维度。2展示了将氢气给予间充质干细胞如何增强这些细胞固有的再生和免疫调节能力。例如,将氢气溶解在与分离的干细胞一起的培养基中,可以对这些干细胞产生各种调节作用,从而提高它们在广泛疾病中的治疗效果。

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2. 不同疾病类型治疗用启动间充质干细胞生产的概述。启动间充质干细胞生产的六个步骤如下:组织源选择、间充质干细胞分离、间充质干细胞启动(目前可用的四种主要启动方法类别)、间充质干细胞扩增、间充质干细胞产品配方、间充质干细胞给药,以及在不同疾病类型的应用。其原理是为不同的临床应用使用不同的间充质干细胞来源/启动方法。

 

然而,尽管使用氢气启动间充质干细胞有这些有利效果,但也存在许多需要克服的挑战和困难。例如,由于氢气是一种易挥发的气体,它在溶液中的溶解时间不会很长,半衰期约为2小时。此外,由于氢气是一种易燃易爆气体,许多诊所可能由于各种规定和限制而无法轻松获取气罐。此外,将气体溶解到培养基中可能很困难,因为这通常是在高压下进行的,需要特殊设备。如果仅仅是将气体冒泡到培养基中,那么它可能会通过喷射去除溶解的O2气体,这可能会影响结果。最后,测量氢气浓度以确保其在最佳水平(也是未知的)对于大多数临床环境来说也可能是一个挑战。尽管如此,这些障碍只是可以通过更多的临床前和临床研究来克服的挑战。

间充质干细胞疗法因其具有免疫调节和再生能力,对系统性风湿性疾病的治疗充满希望[13]。挑战包括疗效、标准化、特征鉴定、安全性以及间充质干细胞外包问题。

 

二、氢气疗法与间充质干细胞启动在再生医学中的融合

在干细胞研究和氢疗法的更广泛背景下,用氢气启动间充质干细胞的探索是一个相对较新的发展。间充质干细胞,也称为多能基质细胞,最初在20世纪中叶被发现。起初,它们的角色主要与造血相关,但很快就变得明显,由于间充质干细胞能够自我更新并分化成多种细胞类型,包括成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞[25],因此它们具有非凡的再生潜力。 与此同时,氢气疗法在21世纪初作为一种新兴的医疗方法出现。研究人员被氢气的治疗潜力所吸引,这归功于其抗氧化和抗炎特性[26]。研究表明,氢气可以有效地对抗氧化应激和炎症,这两者在许多疾病和伤害中都扮演着关键角色。 氢气启动间充质干细胞的概念在2010年代中期开始形成,研究人员寻求创新方法以增强基于间充质干细胞的再生疗法的效果。假设是,让间充质干细胞暴露于氢气可能会增强它们的再生能力,从而改善它们治疗各种衰弱状况的潜力[27]。 为了理解氢气启动的间充质干细胞的潜在好处,研究人员开始了初步的体外和临床前研究。这些调查旨在揭示氢气对间充质干细胞影响的底层分子机制。具体来说,研究人员深入探讨了氢启动如何影响间充质干细胞分化、它们分泌生物活性分子的能力,以及它们与微环境的相互作用[28]。 近年来,研究成果已显著转化为涉及氢气启动的间充质干细胞的临床试验和实验性治疗。已经启动了临床试验,以严格评估氢气启动的间充质干细胞疗法在包括骨科、心脏病学、神经学和免疫学等各个医学领域的安全性和有效性[29]。这些临床试验代表着推进氢气启动的间充质干细胞在实际医疗环境中应用的关键步骤。 随着该领域的不断发展,研究人员专注于完善启动方案,优化氢气暴露条件,并研究这些疗法的长期效果。目标是充分利用氢气启动的间充质干细胞的潜力,造福于患有各种疾病和伤害的患者[30,31]。 尽管本文主要关注氢气对间充质干细胞的影响,但也应该指出,越来越多的研究也在使用氢气处理其他类型的干细胞。例如,一项最近的2023年研究表明,氢气处理激活了表皮干细胞并加速了伤口愈合[30]。在无菌皮肤创伤模型中给予高浓度的氢气 (66% 氢气),导致第11天伤口愈合速度是对照组的三倍。值得注意的是,该研究采用了先进的分析方法,突出了氢气 对快速重新上皮化、早期细胞外基质(ECM)成分沉积以及表皮干细胞激活的重大影响。氢气 处理诱导的伤口愈合新模式提供了有希望的见解,表明其对不同细胞类型的细胞活力和线粒体功能都有积极影响。

另一个2023年的最新研究表明,氢气在促进脂肪来源干细胞(ADSCs)的肌源性分化中发挥了关键作用,这在骨骼肌损伤的潜在治疗应用中有重要意义[32]。该研究使用多种检测方法调查了氢气ADSCs的保护效果,包括MTT检测、活死细胞染色、蛋白质印迹分析、免疫荧光染色、共聚焦成像和透射电子显微镜等。结果表明,适当体积分数的氢气显著降低了线粒体活性氧水平,增加了线粒体数量,并诱导了线粒体自噬。这些效应共同增强了ADSCs的存活和肌源性分化能力[32]。这些发现表明,氢气在解决与线粒体功能障碍相关的骨骼肌疾病和病理中具有应用前景。

这些和其他研究阐明了氢气对间充质干细胞及由间充质干细胞衍生疗法的影响模式相似,因为作用机制(下文讨论)也相似。这一领域的持续进展预示着再生医学的革命性变革,并为应对具有挑战性的医疗条件提供了新途径。

然而,必须强调的是,这个旅程仍处于初期阶段,我们还有很多东西需要学习和发现。研究和临床评估必须持续进行,以确认氢气启动的间充质干细胞疗法的安全性、有效性和长期效果。随着每一个里程碑的达成和每一个问题的解答,我们越来越接近于实现这一卓越融合的全部潜力以及它为再生医学未来所持有的转变可能性[33]。

 

三、氢气启动间充质干细胞的机制

在深入探讨使用氢气启动间充质干细胞的机制之前,了解这种创新方法的背景至关重要。由于间充质干细胞能够分化成各种细胞类型并调节免疫反应,它们在再生医学和免疫疗法中长期承载着希望。然而,为了充分发挥它们的治疗潜力,研究人员探索了增强它们的生存能力、免疫调节能力和组织再生特性的方法。其中一种方法涉及使用氢气启动间充质干细胞,这是一种选择性的抗氧化剂和抗炎剂。这种启动过程旨在为间充质干细胞提供额外的工具来对抗氧化应激,减少炎症,并提高它们的整体治疗效果。现在,让我们深入了解氢气如何增强间充质干细胞的复杂机制。 氢气对人体生理学的影响总结为四个主要的分子基础: (1) 精确对抗•OH的作用; (2) 减轻ONOO−的作用; (3) 信号调节; (4) 基因表达的修改。

最初认识到的氢气的作用机制是其对羟基自由基的精确清除和其他活性氧(ROS)的减轻。不可否认,像8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)(核酸氧化标记)、4-羟基-2-壬烯醛(4-HNE)(脂质过氧化的特定标记)和丙二醛(MDA)这样的氧化应激生物标志物在所有调查的大鼠模型中都有所减少[34]。

氢气影响的另一个分子机制是对ONOO−的中和作用[35]。尽管在体外实验中氢气无法像清除•OH那样有效地清除ONOO−,但氢气能显著降低ONOO−刺激产生的硝基酪氨酸[36,37]。同样地,ONOO−分子也表现出治疗特性,比如扩张血管和抑制血小板聚集[38,39,40]。这些机制并不是相互排斥的,其中一些可能与其他机制有合理的关联。然而,额外的研究对于解释这些机制之间的详细关系是必不可少的[35]。早期研究反复集中于前两种机制,而对基因表达和调节信号通路的研究则较少[41](见3)。

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3. 氢气处理后提升的分子[42]。

3.1. 减轻氧化应激

氢气作为一种潜在的有用试剂出现在间充质干细胞启动的背景中,因其减轻氧化应激的能力。氧化应激是活性氧种(ROS)与抗氧化剂之间的生理失衡,它在细胞损伤和功能障碍中扮演关键角色。在有害的ROS种类中,羟基自由基和过氧亚硝酸盐因其对包括脂质、蛋白质和DNA在内的细胞成分的有害影响而特别臭名昭著。

氢气作为选择性抗氧化剂的独特之处在于其能够专门针对并中和这些高活性ROS,保护细胞基本成分免受氧化损害[43]。当间充质干细胞被氢气启动时,它们获得了宝贵的防护罩,以抵御移植程序或暴露于体内炎症微环境时常伴随的氧化冲击。这种保持细胞完整性和功能性的保护对于确保基于间充质干细胞疗法的成功至关重要。

在启动过程中,氢气充当守护者的角色,增强了间充质干细胞的韧性。它保护了这些多能基质细胞的结构和功能完整性,从而增强了它们的治疗潜力[44]。这种对氧化应激的保护不仅延长了间充质干细胞的寿命,而且确保了它们持续有效地分泌营养因子、调节免疫反应和促进组织再生的能力。

通过减轻氧化应激,氢气赋予已启动的间充质干细胞在宿主体内遇到的挑战性环境中茁壮成长的能力,最终转化为更强健和持久的治疗结果。这一氢气启动的方面强调了其在充分利用间充质干细胞的再生潜力方面的重要性,为再生医学的未来培养了乐观情绪。

3.2. 抗炎作用

在再生医学领域,氢气启动间充质干细胞的一个关键方面在于其抗炎特性。炎症是身体对伤害或感染反应的一个复杂而必要的部分。然而,当它变成慢性或过度时,炎症可能导致组织损伤和各种疾病的发展。氢气调节炎症途径和增强间充质干细胞的抗炎潜力的能力,对于以炎症失调为特征的广泛医疗状况具有重大希望[45]。

氢气的抗炎效果源于其影响参与炎症反应的各种信号通路的能力。这种调节的一个关键方面是下调促炎细胞因子和趋化因子,包括肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白细胞介素-6(IL-6)。这些分子是炎症级联中的核心参与者,指挥免疫细胞的招募和炎症的放大。

间充质干细胞氢气启动时,它们固有的抑制炎症的能力被进一步放大和精细化。这些启动后的间充质干细胞拥有更强的调节免疫响应的能力,作为过度炎症的自然抑制器[45]。这种增强在临床情景中特别有价值,其中不受控制的炎症是组织损伤背后的驱动力,如自身免疫性疾病、急性损伤和慢性炎症性疾病所见。

氢气启动间充质干细胞本质上是为这些细胞配备了增强的抗炎武器。这个过程如下展开:

a 增强的免疫调节:

间充质干细胞在其自然状态下已经展现出调节免疫系统的显著能力。它们可以与免疫细胞如T细胞和巨噬细胞互动,以促进抗炎环境。当用氢气启动时,这些互动变得更加强效和精细调整[46]。启动后的间充质干细胞可以更有效地抑制促炎免疫细胞的激活,同时促进调节性免疫细胞群体的扩张,最终将平衡倾向于免疫耐受和减轻炎症。

b 针对炎症介质:

氢气的影响不仅限于细胞层面,还扩展到分子层面。通过减少像TNF-α和IL-6这样的促炎细胞因子的表达,氢气帮助限制炎症的传播[47]。这些细胞因子被认为是在严重急性呼吸综合征(SARS)等病毒感染的严重病例中观察到的细胞因子风暴的主要贡献者[48]。当启动后的间充质干细胞进入炎症环境时,它们充当局部的“消防员”,有效扑灭过度炎症的火焰。

氢气启动间充质干细胞以抗炎目的的临床意义可能是深远的。考虑像类风湿性关节炎这样的自身免疫性疾病,其中免疫系统错误地攻击身体自己的组织,导致慢性炎症和关节损伤[49]。启动后的间充质干细胞有可能对参与的炎症过程施加更强大的控制,为患者提供缓解,并可能减缓疾病的进展。

在急性损伤如创伤性脑损伤或脊髓损伤中,炎症可能加剧组织损伤,使用启动后的间充质干细胞可能限制继发性损伤级联并改善恢复结果。此外,在克罗恩病或牛皮癣等慢性炎症性疾病中,患者常常挣扎于复发和使人衰弱的症状,启动后间充质干细胞的增强抗炎能力可能为管理和缓解这些病症提供新的途径。研究人员正在不断探索在炎症背景下用氢气启动间充质干细胞[50]。因此,这为未来的研究和临床应用打开了有趣的前景。

此外,这一研究领域突显了基于间充质干细胞(间充质干细胞)疗法的多功能性和适应性。通过增强这些细胞固有的抗炎特性,用氢气进行预处理代表了一种有前景的策略,用以解决由免疫失调和过度炎症所特征化的广泛疾病[49]。随着我们理解的深入和临床证据的积累,间充质干细胞与氢气预处理的结合可能成为管理炎症性疾病的基石,引领精准医疗和改善患者结果的新时代。

3.3. 维持线粒体功能

氧化应激可以损害线粒体——细胞的能量工厂,导致细胞能量产生受损和活性氧(ROS)生成增加。氢气可以通过降低ROS水平来帮助保护线粒体[51]。用氢气对间充质干细胞进行预处理可能增强它们的能量产生能力,使它们在面临组织修复和再生过程的能量需求时更为强韧。这对于基于间充质干细胞的疗法的成功至关重要。

3.4. 免疫调节

间充质干细胞具有固有的免疫调节特性,这允许它们调节免疫系统的反应[45]。它们可以抑制免疫细胞(如T细胞和巨噬细胞)的激活,并促进调节性T细胞(Tregs)的产生[52]。当用氢气对间充质干细胞进行预处理时,这种免疫调节能力进一步增强[53]。氢气可以影响参与免疫调节的分子的表达,从而改善间充质干细胞调节免疫反应的能力[53]。这在像移植物抗宿主病(GVHD)或器官移植这样的条件下尤其相关,其中免疫失调是一个主要问题。

3.5. 增强植入和存活

移植的间充质干细胞在宿主组织内的植入和存活方面常常面临挑战。包括炎症和氧化应激在内的恶劣微环境可能会损害它们的活力[54]。用氢气对间充质干细胞进行预处理可以帮助提高它们对这些恶劣条件的抵抗力,改善它们植入和长期存活的机会。这对于在各种疾病中实现持续的治疗效果尤为重要。

3.6. 协同效应

氢气的抗氧化和抗炎特性与间充质干细胞的再生和免疫调节能力的结合创造了潜在的协同效应[52]。这种协同可能导致在这些机制参与的条件下改善治疗效果。

3.7. 定制的预处理策略

研究人员正在探索用氢气预处理间充质干细胞的各种策略,包括在移植前对细胞进行预处理或在移植过程中与氢气共同给予间充质干细胞[55]。选择策略可能取决于被针对的特定疾病和期望的治疗效果。

用氢气预处理间充质干细胞是一种有前景的方法,它利用氢气的抗氧化、抗炎和免疫调节特性来增强基于间充质干细胞疗法的治疗潜力[54]。这一策略有可能改善再生医学应用和免疫疗法在广泛医疗条件下的结果,但需要进一步的研究和临床试验来充分验证其有效性和安全性(见4)。

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图4. 氢气在生物体内的分子效应。该展示了一些提出的机制,通过这些机制氢气的主要效应在分子和细胞层面上进行介导。棕色链接代表了导致特定细胞效应(由绿色块表示)发展的调节分子的转变。缩写:MAPK—丝裂原活化蛋白激酶,HO—血红素加氧酶,TNF—肿瘤坏死因子,SOD—超氧化物歧化酶,MPO—髓过氧化物酶,NOS—一氧化氮合酶(iNOS—可诱导型NOS;eNOS—内皮型NOS),GPx—谷胱甘肽过氧化物酶,Cas—半胱天冬酶,HMGB1—高迁移率族蛋白B1,NLRP—核苷酸结合寡聚域,Th—细胞毒性T淋巴细胞。

 

四、使用氢气进行干细胞预处理方法

提供氢气以对间充质干细胞进行预处理的主要方法是将干细胞置于含有特定浓度氢气的气氛中。经过20-30分钟,氢气分子溶解到介质中并达到平衡,这可以通过亨利定律预测。浓度通常在2%至66.67%之间,高端是让间充质干细胞暴露于氧氢混合气(66.67% H2/33.33% O2)。暴露时间可能短至60分钟或长达数天。这也涉及到氢气的剂量问题,目前仍然是一个高度不确定的问题。最佳浓度、频率或氢气暴露持续时间是什么尚未知晓[13]。这是未来机制和临床研究需要克服的重大障碍。

氢气可以通过多种方法引入体内,每种方法都有其独特的优势和特点。必须认识到,这些方法不仅在特定医疗条件下的便利性上有所不同(例如,氢气浴可能更适合皮肤疾病)[56],而且它们还可以影响分子的药代动力学,从而改变其药理效果[56]。 历史上,最早用于输送氢气的方法之一是通过含有富氢气氛的高压舱。尽管Dole等人在1975年进行的实验中取得了有希望的结果[57],但这种方法并未被广泛采纳,可能是因为实际实施挑战。 目前,氢气疗法最常见的选择包括吸入含有氢气的气体混合物、饮用氢饱和水以及静脉或腹腔注射饱和氢气的氯化钠溶液。这些输送途径各自具有其独特的特性、优点、缺点和潜在的作用机制[58]。 氢疗法研究主要采用了氢饱和溶液(如氢水或氢盐水)。然而,特别是在临床应用中,关于氢气吸入的研究正在增加。对于实验室动物和人类来说,吸入氢气是一种相对简单直接的方法,通过调节暴露时间和气体浓度来精确控制氢气剂量。尽管如此,重要的是要注意,当氢气与氧气反应时是易燃易爆的。因此,在使用氢气浓度超过4%的气体混合物时必须采取预防措施。尽管如此,更高浓度的气体混合物,如66.6%氢气和33.3% 氧气,已被采用,特别是在中国治疗COVID-19患者中[59]。通过氢气吸入治疗慢性阻塞性肺病和严重支气管哮喘等疾病的疗效也被报道[59]。氢气抗氧化和抗炎特性的明显剂量依赖性强调了这种方法的相关性。 考虑到氢气的物理化学性质以及其小的分子尺寸和重量,氢气吸入提供了全身效应。它可以迅速通过肺泡壁扩散进入血液,到达各种器官和组织。研究表明,健康动物连续吸入含有2.4%氢气的气体混合物72小时不会显著影响生理参数[58]。

这种方法不仅消除了与其他方法相关的爆炸和火灾危险,并确保了便携性,且氢水广泛可得。然而,这种方法由于气体在水中的溶解度相对较低而受到限制。在标准大气压和室温下,溶解氢的饱和度仅为0.78 mM(1.57 mg/L)。但是,通过使用压力可以实现更高的浓度(例如,>10 mg/L)[13]。尽管如此,相对有限的溶解度有时会阻碍达到最佳临床效果所需的剂量。此外,氢水应在制备后立即饮用,因为氢气会释放导致浓度迅速降低。而且,饮用摄入后超过90%的摄入氢气通过呼吸排出[13],这表明胃肠道和静脉循环中的摄取量很高,而对脑细胞的利用度比较小,这对临床指征有影响。

为了应对这些挑战,已经探索了替代方法,例如创建用于延迟气体释放的纳米复合材料。这些纳米复合材料可以结合到口服片剂中,确保患者的高依从性。例如,实验测试了混合钯纳米晶体,并在肿瘤学和保护细胞免受高温诱导的氧化应激方面显示出前景[60]。已经探索了各种元素作为释氢纳米复合材料的基础,包括硅颗粒[60]。

微气泡系统代表了另一种针对性氢气输送的途径,最大限度地提高生物利用度,同时最小化气体损失。与氢饱和水相比,这种方法允许施用更高的气体体积[60]。其有效性已得到证明,特别是在大鼠缺血性心肌损伤模型中[60]。

第三种重要方法涉及注射和输注饱和氢的等渗盐水溶液[13]。这种方法能够精确定量氢气,使用不同的浓度,这可以提高目标器官的生物利用度,并在必要时对特定组织产生局部效应。然而,它确实存在风险,如感染,并需要熟练的医务人员进行管理。这种管理主要通过静脉(在患者中)或腹膜内(在实验室动物研究中)进行。与也利用医用气体的静脉臭氧疗法类似,这一途径的临床潜力尚未完全探索[13]。

使用氢气的各种替代方法已经出现,提供全身和局部效应(5)。例如,氢浴已在皮肤病学和美容学中有效使用,用于治疗牛皮癣和脂肪抽吸等情况[13]。另一种应用涉及使用氢饱和眼药水治疗缺血性虹膜病变并抑制凋亡[13]。通过共生微生物群刺激内源性氢气合成是一个有趣的途径,其中口服乳果糖给药增加了胃肠道中的氢气产生[13]。甚至提出了一个氢呼吸测试来评估肠道菌群基于它们的产氢能力[61]。需要注意的是,氢气是与其他气体(如甲烷)一起由微生物合成的。当使用这些途径时,氢气的组织分布不同,当消费氢水时,对脑细胞的穿透有限[61],可能会影响临床指征。

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5. 氢气给药途径。

 

总之,将氢气引入体内的方法有很多种,每种都有其独特的属性、局部特征和对氢气药代动力学的影响。选择方法取决于所需治疗效果、实用性和安全性考虑等因素。研究人员继续探索这些方法,以完善其应用并最大化氢气疗法对各种医疗条件的益处。

 

五、扩展间充质干细胞与氢气结合的可能性和关键应用

在深入探讨具体潜在应用之前,强调间充质干细胞与氢气的结合为再生医学和免疫疗法开辟了新领域至关重要。这种创新方法,结合了间充质干细胞的卓越再生能力和氢气的多方面特性,对于应对各种医疗条件具有巨大潜力。通过增强间充质干细胞的生存能力和功能,减少氧化应激,减轻炎症,并增强免疫调节,这种方法代表了一种如何处理各种疾病的范式转变。现在,让我们详细探索氢气预处理的间充质干细胞能在患者生活中产生重大影响的激动人心的潜在应用。

间充质干细胞与氢气的结合构成了再生医学和免疫疗法交叉点的先锋方法,其在各种医学领域都有多样化和深远的应用。在神经退行性疾病领域,氢气预处理的间充质干细胞为阿尔茨海默病和帕金森病患者提供了希望,通过同时减少氧化应激和炎症来提供神经保护[31,62]。心血管疾病,特别是心肌梗死,可能会见证氢气预处理的间充质干细胞促进心脏组织修复的重大进步[63]。潜在应用的范围进一步扩大,延伸至自身免疫性疾病,如类风湿性关节炎和多发性硬化症,其中氢气预处理的间充质干细胞显示出增强免疫调节和刺激组织再生的能力[64,65]。此外,氢气预处理的间充质干细胞在处理从骨骼和软骨到皮肤的组织损伤方面的治疗潜力显而易见,承诺加速和更有效的愈合[66]。在呼吸系统疾病领域,氢气预处理的间充质干细胞有潜力减轻炎症并促进慢性阻塞性肺病(COPD)和急性呼吸窘迫综合征(ARDS)等病症的肺部组织修复[67]。除此之外,氢气预处理的间充质干细胞疗法可以为胃肠疾病、器官移植、运动损伤和肌肉骨骼条件量身定制,所有这些都有望从增强的愈合和恢复潜力中受益[68,69,70]。尽管有广泛的有前景的应用,但必须强调,严格的研究和全面的临床试验对于验证这种方法在每个特定医疗情境中的安全性和有效性至关重要[71]。

此外,间充质干细胞与氢气结合的潜力不仅限于其直接的治疗应用。它为推进我们对干细胞生物学和再生医学的理解打开了激动人心的可能性。正在进行的关于干细胞生物学所涉及的分子机制的研究提供了可能对增强各种干细胞类型的再生潜力具有更广泛影响的宝贵见解。随着我们继续揭开氢气预处理的复杂性,可以想象,开发出来的新方法和创新策略不仅可以应用于间充质干细胞,还可以应用于其他干细胞,进一步推动再生医学的界限,并为满足未满足的医疗需求提供新的途径(见6)。

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6. 氢气的关键应用。

六、 各类复杂挑战和考虑因素

在利用氢气的治疗潜力来预处理间充质干细胞的过程中,出现了几个复杂性和挑战,需要仔细考虑。其中一个挑战在于确定最佳剂量——有效间充质干细胞预处理所需的氢气暴露的精确浓度和持续时间。这一关键任务虽然至关重要,但仍在进行中,需要持续的研究和实验以找到最大的治疗效果的正确平衡[72,73]。

实现最佳剂量是一个多方面的挑战。它不仅涉及定义适当的氢气浓度,还涉及考虑暴露的持续时间。研究人员必须考虑诸如针对的特定疾病或状况、患者的年龄和健康状况以及氢气的给药方法等因素。此外,个体对氢气疗法的反应差异强调了这一剂量确定过程的复杂性。

此外,探索氢气给药的安全性和长期效果也极为重要。尽管氢气通常被认为是安全的,但进行彻底的调查是必要的,以辨别其与同时使用的药物或疗法的任何潜在相互作用,并建立其持久的安全档案[74,75]。

安全性评估不仅限于短期暴露,还需要长期监测以发现任何未预见的不良效应或相互作用。考虑到氢气预处理的间充质干细胞疗法在广泛的医疗条件中的潜在应用,全面的安全性评估对于确保患者福祉至关重要。

此外,从临床前研究过渡到大规模临床试验是临床转化过程中的一个重大障碍。严格的临床研究对于评估氢气预处理的间充质干细胞疗法的实际安全性、有效性和临床实用性至关重要。从实验室发现到大规模临床试验的过渡至关重要,确保这些创新疗法能够有效地应用于广泛的医疗条件,从而为世界各地的患者提供新的希望[76,77]。

临床转化是一个多方面的过程,它不仅涉及评估安全性和有效性,还涉及解决监管和伦理问题。研究人员必须导航复杂的临床试验设计、患者招募和监管批准的领域。此外,他们必须建立标准化的氢气给药、剂量和监测方案,以确保在临床试验中的一致性和可靠性。

总之,追求氢气预处理的间充质干细胞疗法充满了巨大的希望,但也伴随着复杂的挑战。实现理想的剂量、确保长期安全性,并成功从临床前研究过渡到大规模临床试验都是这一旅程的关键方面。通过严格的研究和合作来解决这些复杂性,对于实现氢气预处理的间充质干细胞疗法的全部潜力并为广泛的医疗条件提供创新解决方案至关重要。

七、结论

在再生医学和免疫疗法不断变化的领域内,氢气预处理间充质干细胞的方法呈现了一种开创性的途径,有潜力彻底改变医疗干预手段。这种创新策略在多样的医学领域揭示了一系列令人兴奋的应用,为患有各种衰弱性疾病的患者带来了希望之光。然而,实现这一治疗前景依赖于对几个复杂挑战和考虑因素的细致导航。

其中最主要的挑战之一是寻求最佳剂量——为了有效预处理间充质干细胞所需的氢气浓度和暴露时间的精确校准。这项复杂的任务仍是一个持续的研究领域,要求不断的探索以找到最大治疗效果的正确平衡。实现这种平衡需要考虑包括特定疾病或状况、患者个体差异以及最适合的给药方法在内的多种因素。研究人员必须在追求理想剂量方案的过程中保持警惕,以充分利用这种创新疗法的全部潜力。

安全性和长期效应在实施氢气预处理的间充质干细胞疗法的旅程中同样至关重要。尽管氢气通常被认为安全,但全面的调查是必须的,以揭示任何可能与同时使用的药物或疗法的潜在相互作用,并确保氢气给药的持久安全档案。安全性评估必须超越短期暴露,包括长期监测,以检测在延长治疗期间可能出现的任何未预见的不良效应或相互作用。

将有前景的实验室发现转化为切实的患者护理是一个重大障碍。严格的临床试验不仅是可取的,而且是必要的,以确定氢气预处理的间充质干细胞疗法的实际安全性、有效性和临床实用性。从实验室到床边的转变对于实现这些创新疗法的潜力至关重要,以应对广泛的医疗条件,为全球范围内的患者提供新的希望。临床试验必须遵守严格的协议,考虑伦理考量,并包含多样化的患者群体,以提供关于疗法有效性的全面见解。

总之,氢气间充质干细胞的结合标志着再生医学和免疫疗法中的一个有希望的进步,为具有挑战性的医疗条件提供了创新解决方案。利用氢气预处理的间充质干细胞疗法的全部潜力的过程涉及关键考虑因素,包括最佳剂量校准、安全性评估以及将实验室发现转化为严格的临床试验。细致的研究、协作努力和强大的临床调查的持续进行至关重要,以实现这种方法对全球患者护理的变革性影响。氢气预处理的间充质干细胞疗法对未来具有重要意义,为治愈和提高生活质量提供了新的途径。



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