氩气的器官保护作用研究

氩气是纯粹的化学惰性气体，但化学惰性不等于生物学惰性，许多惰性气体如氩气和氙气具有比较强麻醉作用，也意味着这些气体对生物体能产生非常大作用，又因为化学惰性不会产生化学反应，决定了这些气体的化学安全性非常高，不容易带来毒性和分子破坏作用。氙气比较稀缺，但氩气在空气中含量非常丰富，获取容易，如果能用于疾病治疗和器官保护，则是上佳选择。

惰性气体氩（Ar）是一种“生物”活性元素，因其器官保护特性已在临床前研究中得到广泛研究。本文综述了所有使用氩气的临床前研究，并描述了文献中报道的临床用途，通过PubMed和Embase检索到55篇相关论文。氩气通气已在浓度为20%至80%、持续时间为几分钟至几天的不同急性疾病模型中进行了测试。总的来说，缺血后细胞死亡减少、梗死面积缩小和功能恢复更佳的现象被反复观察到。氩气通过调节细胞存活所涉及的分子通路，从而产生抗凋亡和促存活作用，这是氩气发挥保护作用的主要机制。这些有益效果与氩气暴露的开始和持续时间无关，特别是在心脏骤停后。此外，氩气通气在动物和人类中都是安全的。因此，临床前和临床数据支持未来对吸入性氩气作为器官保护剂的作用进行临床研究。

这是一篇总结氩气在器官保护方面的综述，为配合最近关于吸入氩气和氢气混合气对器官保护的研究，介绍给大家。

 氢氩吸入对猪心脏停跳复苏脑损伤的保护作用研究【意大利】

A Complete Review of Preclinical and Clinical Uses of the No... : Annals of Cardiac Anaesthesia (lww.com)

前言

氩（Ar）是一种在1894年发现的惰性气体。[1] 氩是无色、无味、无臭、非腐蚀性、不易燃且无毒的气体。[2] 它是最丰富的惰性气体，也是空气的第三大成分，浓度为0.93%。氩的密度比空气高38%，其在水中和血浆中的溶解度比二氧化碳（CO2）低24倍。[3]

氩具有完整的电子价电子层，避免了与其他元素的共价结合；因此，它通常被认为是化学性质不活泼的气体，希腊名字“αργός”意为“惰性”。[4] 尽管被标记为“生物学上”的惰性气体，但最近的证据表明该药物可能具有显著效果。自1939年以来，潜水员中已描述了麻醉效果，并得到其他研究的进一步确认。[5678910] 除了麻醉作用外，自1998年在缺氧性脑损伤的啮齿动物模型中首次报告以来，神经保护作用的证据不断增加。[11] 近年来，氩在缺血后的保畅效果在临床前更为明显。

本工作的目的是回顾所有采用氩的临床前研究，包括体内和体外研究，重点关注器官保护及其临床应用。

材料与方法

进行了并行的PubMed和Embase检索，更新至2017年10月。分别使用“Ar”作为PubMed和Embase检索的MeSh和Emtree术语。然后使用以下关键词来缩小和聚焦检索：“神经保护”、“心脏保护”、“器官保护”、“细胞保护”、“器官移植”、“缺血再灌注损伤”、“缺氧缺血性损伤”、“围产期窒息”、“心脏骤停(CA)”、“创伤性脑损伤”、“气腹”、“肺容量测量”、“心输出量测量”、“麻醉”、“潜水”和“高压氧疗法”。在选择过程中，只考虑了有全文可用的英文文章。这篇综述包括了氩的体外和体内研究以及氩的人体应用。关于氩的外科用途的文章，即“氩激光”、“氩束”和“氩凝固”被排除在外。文章的选择由两位作者（FN, SR）独立进行。找到了55篇相关的文章并纳入其中。我们小组对急性心肌梗死（MI）大鼠模型进行的原始结果也被添加进去。

临床前用途

找到了44项临床前研究。大部分（n = 25）的体外和体内研究关注于各种脑损伤后的神经保护，在这些研究中结合了不同的神经学和行为测试以及组织学和生化分析。四项研究评估了心肌缺血/再灌注（I/R）后的心脏保护效果。九项研究关注于其他器官和组织的保存，例如体外灌流的肾脏和肺部，以及人气管上皮、肾小管和骨肉瘤细胞的培养。 一项研究评估了氩吸入对部分肝切除术后肝脏再生的影响。三项体内研究调查了高压条件下氩的作用效果和机制。 五项研究专门关注安全性：在其中2项中，将氩作为呼吸混合物给予猪； 而在3项研究中，用氩代替CO2诱导腹腔镜手术中的气腹。感兴趣的领域总结在图1a中。

总体而言，无论是体外还是体内研究都提供了支持氩具有保护作用的证据，这与疾病模型以及治疗暴露的持续时间和开始时间（即，急性事件前或后）无关 [图1b]。

体外研究

十七篇文章调查了氩对细胞损伤的保护作用 [表1]。具体来说，两项研究是在啮齿动物心肌细胞上进行的，其中一项还包括了在从接受冠状动脉旁路或瓣膜置换手术的患者身上获得的人类右心耳附件上的额外调查； 9项在大鼠神经元或海马切片上进行；5项在人类细胞（神经母细胞瘤、肾、气管上皮、骨肉瘤）上进行； 以及一项在啮齿动物全血上进行的研究。[32] 一项体外研究调查了氩是否与组织型纤溶酶原激活剂（tPA）相互作用。

表1：体外研究，采用氩气进行细胞和组织保存

所造成的损伤持续时间从心肌细胞缺氧30分钟[17]，到在氧气(O2)葡萄糖剥夺条件下持续数小时[21]，直至药物诱导的毒性研究中持续30小时[31]不等。

在这些研究中，细胞和/或组织被放置在含有氩气的室内培养，氩气浓度在空气中和/或O2中从25%变化到75%。平均暴露于氩气的时间为90分钟，最短为5分钟[17]，最长达到72小时[26]。在大多数研究中，氩气都是在损伤发生后立即给予，或者延迟至3小时后给予。有3项研究中，氩气作为预处理剂使用。

总体而言，体外研究表明，无论在损伤前还是损伤后使用氩气，都能提高细胞的生存率和活力。更具体地说，氩气减少了神经元、肾小管和气道上皮细胞的凋亡。至于心脏保护后的缺血/再灌注(I/R)，除了增加细胞活力外，[18] 氩气还减少了心室组织的早期去极化，限制了缺血触发的心律失常的发生。[17] 当氩气应用于经历缺氧/复氧损伤后的人类右心耳附件时，收缩活动的恢复有所增加。

氩气在低浓度(25%)下阻断了tPA的溶栓效果，而在高于50%的浓度下增加了tPA的催化和溶栓效力。因此，建议在缺血性中风的情况下，可以在缺血期间给予75%的氩气以促进溶栓，但在再灌注后则不给予。[33]

体内研究

二十四项研究采用了氩气作为潜在保护性治疗，用于不同缺血性损伤后的大脑、心脏和其他器官的保护。 六项研究使用了猪模型，十八项使用了包括大鼠、豚鼠和兔子在内的啮齿动物模型。此外，三项研究调查了在高压条件下氩气的效果。一项单独的研究评估了氩气对大鼠肝脏再生启动的影响。

这些研究再现了以下人类状况：缺血性中风、新生儿缺氧缺血性脑病(HIE)、蛛网膜下腔出血、心肌梗死；心脏骤停(CA)、器官（肾脏和肺）移植、暴露于高压条件和肝脏手术[表2-4]。

表2：采用氩气在急性脑和心肌损伤模型中的保护作用，以及麻醉和肝脏再生的体内研究

表3：采用氩气的器官保存的离体研究

表4：在心脏停搏模型中采用氩气进行神经保护的体内研究

缺血性损伤的最短时间是大鼠心脏停搏模型中的7分钟[15]，而最长时间是离体肺灌注(EVLP)中的18小时[52]。在这些研究中，氩气总是作为吸入混合物给予，浓度在空气中或在氮气(N2)和O2的混合物中从25%变化到88%。平均暴露于氩气的时间大约为1-4小时[272934]，最短为MI研究中的3个5分钟周期[45]，最长为器官移植模型中的30小时[48]。在大多数研究中，氩气作为潜在治疗应用，因此在损伤后立即给予，即从心脏停搏后复苏[13]，或延迟至3小时后给予[14]。只有在3项专门关注心肌I/R、EVLP和肝脏再生的研究中，氩气才作为预处理剂，在诱导损伤前使用。

关于氩气作为神经保护剂的使用，只有4项研究评估了损伤后的神经恢复情况，其中一半的研究显示，与对照组相比，吸入氩气后有更好的结果。

除了一项研究关注氩气的安全性外，所有研究都包括了不同大脑区域的组织学评估。总体而言，有证据表明可以减轻脑组织损伤。在一项针对中大脑动脉闭塞的大鼠模型研究中，氩气产生了相反的效果，与假手术动物相比，皮层区域的梗死面积减小，但皮层下区域的损伤增加。然而，在这项研究中，接受氩气治疗的动物体温显著更高（平均为38.5°C），这可能解释了与对照组相比更大的脑损伤。在专门针对视网膜I/R损伤的研究中，氩气证实了其保护效应，且呈剂量和时间依赖性[40] [表2]。

在围产期HIE模型中，氩气吸入对心率、动脉血压和血气、脑氧饱和度以及电皮质脑活动均无影响。

关于心肺复苏后的神经损伤研究描述在本综述的一个专门章节中。

关于氩气作为心脏保护治疗的使用，确定了3项研究，其中一项研究调查了心肺复苏综合症更广泛范围内的心脏保护。[13] 总体而言，这些研究提供了减少梗死面积和改善左心室收缩功能的证据，通过超声心动图或磁共振进行评估[表2]。

我们小组最近在心肌I/R损伤的大鼠模型中进行了一项初步研究（在本综述中作为原始数据发表）。左前降支被阻塞30分钟，动物随机分为两组，一组在再灌注前5分钟开始接受含有70%氩气或70%氮气的氧气通气1小时。再灌注1小时后，大鼠从机械通气中脱离并返回笼中。再灌注6小时后采集血浆样本进行高敏心肌钙蛋白T（hs-cTnT）检测，然后处死动物。心肌梗死面积通过氯化四氮唑染色评估，炎症反应通过萘酚染色评估中性粒细胞浸润情况。接受氩气治疗的大鼠与对照组相比，血浆hs-cTnT水平较低（中位数[四分位范围]：3128 ng/L [1832–7053] vs. 7432 ng/L [4965–10000]; P < 0.05），并且中性粒细胞浸润有减少趋势（平均±标准误差：77 ± 7 cells/mm² vs. 92 ± 8.5 cells/mm²； P = 非显著）。尽管如此，梗死面积没有减少。

关于麻醉的体内研究

只有在高压条件下，氩气才显示出麻醉效果。[4255] 已经提出了不同的理论来解释这一特性。[9] 最有可能的是，惰性气体压力的增加诱导了细胞质膜和/或受体条件的改变，随后改变了神经传递。实际上，当大鼠在大约19个大气压的条件下暴露于氩气2小时时，与未暴露于该气体的动物相比，纹状体的多巴胺释放减少了约10%。[41] 由于纹状体协调运动规划和动机的不同方面，后续研究调查了在加压舱中暴露于氩气的大鼠的运动活动与多巴胺释放之间的关系，持续100分钟。在压缩期间，观察到一个短暂的过度活跃阶段，随后是运动活动的减少。更具体地说，当压力约为10个大气压时，显示运动过度活跃，可能与更高的压力和气体的麻醉潜力有关，这取决于其脂溶性。当压力升高到约20个大气压时，观察到失去翻身反射，表明麻醉效果的开始。这种行为活动的随后减少可以归因于当达到20个大气压并至少保持10分钟时发生的纹状体多巴胺释放的减少。

另一项关于氩气麻醉特性的研究分析了伽马-氨基丁酸(GABA)传递作为麻醉作用可能机制的贡献。研究人员使用不同的GABA受体拮抗剂（作为GABAA拮抗剂的加巴喷丁和氟马西尼，以及作为GABAB拮抗剂的2-羟基沙克罗芬）处理大鼠，然后在加压舱中暴露于氩气。使用GABAA抑制剂预处理显著提高了失去翻身反射的氩气阈值压力。相反，使用GABAB抑制剂预处理对麻醉没有显著影响[44] [表2]。

体外研究

关于使用氩气进行器官保存，肾脏和肺脏是首选目标。[4647485254] 实际上，在异位自体移植后观察到急性肾小管坏死和炎症损伤减少，伴随着更好的肾功能和更快的恢复，其中移除的肾脏保存在用纯氩气饱和的冷存储溶液中。[4648] Smith等人在猪模型中研究了体外常温灌注1小时，气体组成为70%氩气的效果，对于肾脏缺血再灌注损伤。作者没有观察到任何器官保护效果，无论是在血流动力学、肾功能、功能参数、炎症标志物和组织学分析方面。[54] 在经历一段时间的热缺血损伤后的体外肺通气(EVLP)中，使用含有70%氩气的呼吸混合物进行6小时通气，并未显示出在移植功能上的任何益处。[47] 实际上，与使用N2/O2的对照通气相比，无论是在呼吸机参数（如肺血管阻力、气道峰压和血气）还是在组织病理学上，均未观察到显著差异。2017年，同一组研究者在EVLP期间的冷I/R损伤模型中确认了上述结果。[51] 总体而言，肺脏在不同浓度的氩气中暴露，从79%到88%不等，在氧气中持续28小时。在暴露结束时，未观察到对移植质量的有益效果 [表3]。

心脏骤停后使用氩气

有6项研究探讨了心脏骤停(CA)后使用氩气通气进行神经保护的作用[121314151649] [表4]。所有这些研究都报告了使用各种神经行为测试评估的神经恢复情况，以及通过组织病理学和生物化学评估的组织损伤。在使用大鼠CA模型的5项研究中，有4项来自同一个研究小组[12141549]，他们研究了在复苏后1小时开始使用含有70%氩气的混合物进行1小时通气的效果。在无血流7分钟后，复苏后使用氩气通气导致在接下来的7天内神经恢复更好、更快，与对照通气相比。结果通过一系列测试进行评估，包括啮齿动物神经缺陷评分、开放场和莫里斯水迷宫测试。[15] 这种良好的功能恢复与新皮层和海马CA 3及4区脑损伤显著降低相平行。在采用相同CA和心肺复苏模型的后续研究中，证实了氩气治疗的有益效果是剂量依赖性的。[12] 实际上，与对照组相比，无论是在复苏后立即使用含有40%或70%氩气的混合物进行暴露，神经预后和脑组织病理学损伤都得到了改善；然而，当吸入混合物中含有70%氩气而不是40%时，神经保护效果更为显著。[12] 第三项研究进一步显示，即使在复苏后3小时才开始治疗，70%氩气诱导的神经保护仍然持续存在。[14] 最近，有人研究了氩气与轻度治疗性低温(MTH)联合使用的神经保护作用，基于这两种干预措施结合可能会增强保护效果，从而在CA后进一步改善神经预后的假设。[49] 因此，在同一模型中，大鼠接受33°C的MTH（持续6小时）和含有70%氩气的1小时通气。令人惊讶的是，结果显示，与单独使用MTH相比，联合治疗产生了更差的神经恢复，并在海马CA1区产生了更大的神经元退行性改变。不幸的是，在这项研究中缺少单独使用氩气的治疗作为参考，因此无法对氩气的效果作出进一步的考虑。

在一具有急性心肌梗死(MI)背景的猪心脏骤停(CA)模型中，复苏后立即开始使用70%氩气(Ar)和30%氧气(O2)混合物进行4小时通气，与使用等比例的氮气(N2)/氧气(O2)对照通气相比。该研究证实了先前在大鼠中显示的氩气诱导的神经保护效果。更具体地说，接受氩气治疗的动物在心脏骤停后24小时即实现了更快且更完全的神经恢复，而对照组的神经损伤持续至复苏后72小时。[13] 通过不同的神经学测试以及血清神经元特异性烯醇酶（一种神经损伤生物标志物）的水平来确认神经恢复的改善。组织病理学支持了对神经恢复有益的结果，显示接受氩气治疗的动物与对照动物相比，脑损伤程度较轻。此外，吸入氩气后也观察到较小的心肌梗死面积的趋势。[13] 同一研究小组最近复制了这些结果，在更严重的心脏骤停模型中显示了氩气通气对神经和心脏保护的有益效果（仅提供摘要）。[56]

在一种使用KCl和esmolol诱导的啮齿动物心脏骤停模型中，从复苏后15分钟开始进行了24小时的50%氩气和50%氧气混合物通气。作为主要结果，通过组织病理学评估了神经元损伤，而作为次要结果，进行了神经学测试。报告称，经过氩气处理后，神经元损伤有减轻的趋势。

器官保护机制

关于氩气保护作用的潜在机制描述主要来自体外研究，并已进一步在体内得到确认。氩气似乎具有类似氧气的属性，这可能通过部分恢复线粒体呼吸酶活性和减少N-甲基-D-天冬氨酸诱导的神经元死亡来解释其神经保护效果。[27] 此外，氩气通过调节参与细胞存活的分子途径发挥抗凋亡作用。详细来说，它在暴露30分钟后就增加细胞外信号调节激酶(ERK) 1/2磷酸化；它阻断凋亡级联反应；它上调抗凋亡蛋白B细胞淋巴瘤-2的表达；它激活Toll样受体2和4，这些受体减少半胱天冬酶-3活性并介导涉及促炎细胞因子、生长因子和细胞存活的细胞内信号传导。[表1]

再灌注也可能有助于细胞死亡，特别是在心肌细胞上，它可能在打开线粒体渗透性转换孔(MPTP)后引发室性心律失常和收缩功能障碍。MPTP是内线粒体膜的一个非选择性通道，在再灌注时打开，导致线粒体钙-磷过载，并消散线粒体膜电位。磷脂酰肌醇-3-激酶、ERK 1–2和70 kDa核糖体蛋白S6激酶通过它们对几个下游信号分子的作用抑制MPTP开放，这些信号分子直接（通过内皮型一氧化氮合酶、p53、糖原合酶激酶）或间接通过影响亲和抗凋亡B细胞淋巴瘤蛋白来调节孔的过渡状态。因此，氩气通过作用于相同的途径，直接或间接地，通过再灌注损伤救援激酶，防止MPTP开放。

氩气使用的安全性

尽管安全性不是上述所有体内研究的主要终点，但它们中没有一个报告过与吸入氩气相关的安全问题。在12项体内研究中，在氩气通气期间进行了连续的血流动力学参数和反复的血气分析。氩气既不影响血流动力学也不影响通气，就呼吸气体交换而言。三项研究还报告了体重作为动物在氩气通气后几天内福祉的指标，并且它们都没有报告显著变化。

两项研究旨在特别评估在猪中使用氩气通气的安全性。在一项研究中，使用79%氩气的6小时通气在猪中没有显示出毒性效应，这是通过血清生物标志物以及肝脏和肾脏功能和结构的评估所证明的。[52] 在另一项研究中，新生小猪用不同浓度的氩气（在氧气中占30%至80%）通气共3小时。评估了对血流动力学和血气的影响，并确认在每个浓度下长时间通气都是安全的。类似的研究观察到，在缺氧缺血后48小时，使用氩气从2小时到26小时增强了低温保护效果，表现为改善的大脑能量代谢、更快的电生理大脑活动恢复和减少细胞死亡。[37]

在3项研究中，氩气被用作腹腔镜手术中诱导气腹的二氧化碳替代品，以评估其安全性。将氩气注入腹腔会引起血流动力学改变，主要与腹腔压力增加有关，可能还与对全身血管阻力的潜在影响有关（在1项研究中观察到此效应[50]，但在另一项研究中未复现[51]）。呼吸功能没有观察到显著变化。由于氩气的溶解度比二氧化碳低，因此在意外气体栓塞的情况下，存在血流动力学不稳定的风险增加。[3]

最后，由于氩气比空气密度高，有人可能会认为用这种气体通气可能会增加呼吸阻力。[5] 然而，长时间暴露于氩气后的临床前研究并未报告此类情况。此外，一项在呼吸阻力机器模型中进行激烈通气的研究显示，在常压下，以及高达4大气压时，与空气相比，80%氩气并未改变呼吸阻力。[5]

氩气的临床应用

自六十年代以来，氩气就被用于测量肺容量，[575859] 采用再呼吸/气体稀释技术。6%-7%的氩气也被用来计算心输出量CO。[6061] 并且用于估计整体心肌血流量。[62]

在这些研究中，受试者暴露于单次或几次等压的氩气混合物中，关于安全问题的结论可能无法外推。

通过涉及潜水员的研究来解决使用氩气的可行性。在这些研究中，潜水员在高压条件下长时间呼吸氩气混合物。1939年，在1到10大气压下，描述潜水员呼吸69%氩气、20%氧气和11%氮气的混合物时出现运动和认知障碍，如思维活动减慢、无法高效完成手工工作以及情绪波动，可能导致意识丧失。[5] 在另一项研究中，10名受试者在1、4和7大气压下暴露于80%氩气和氧气的环境中执行心算任务。同样，在高压条件下，氩气显示出更多的麻醉效果。[55]

1998年在高压条件下进行了最长时间的氩气暴露。[63] 四名男性志愿者参与了为期7天的模拟潜水，深度为10米，使用的气体混合物如下：氧气0.2 ± 0.005 kg/cm²，氮气0.8 ± 0.01 kg/cm²和氩气1.0 ± 0.01 kg/cm²。未检测到对中枢神经系统电生理学和功能测试、心肺系统（即心电图、血氧测定和尿液生化分析）的影响。所有测量数据均未超过生理范围。在高压条件下，当呼吸含有15%氩气的氧气时，100Wt的工作量比呼吸含有15%氮气的氧气高出62%。此外，暴露于含氧量0.15 ± 0.005 kg/cm²的低氧氩-氮混合物，而不是含氧量0.2 ± 0.005 kg/cm²的混合物，增加了完成的工作量，表明氩气对机体适应低氧有积极作用。

另一项针对8名人类志愿者的研究调查了呼吸等压混合物80%氩气和20%氧气30分钟的可能不良影响。作者没有观察到麻醉、凝血或纤维蛋白溶解异常，这些本应在气体栓塞情况下出现。[64]

最近，提出使用氩气吸入来测量全球脑血流量（CBF），通过对Kety-Schmidt技术的改进。[65] 为了建立这种新方法，30名接受心血管手术的麻醉患者在手术程序前15分钟进行70%氩气和氧气的通气，并评估了CBF。[66] 氩气通气未显示出对脑血管循环或代谢的任何影响，通过经颅多普勒超声评估，动脉和颈静脉乳酸、葡萄糖和氧气含量之间也没有差异。

证据总结和未来展望

氩气可能减少缺氧缺血性损伤后的神经和心肌损伤。

事实上，氩气在不同缺血损伤模型中进行了测试，浓度从20%到80%不等。总体而言，氩气作为细胞、组织和器官的保护剂，显示出细胞死亡减少、梗死面积减小和功能恢复加快。更具体地说，动物研究报道了鼓舞人心的数据，在心脏骤停后使用氩气进行复苏通气可以实现更好更快的神经恢复。更重要的是，这些益处在不同的研究中得到了复制，包括小型和大型动物。已经证明，在动物和人类中，使用氩气和氧气进行通气是安全的。

基于本文描述的所有证据，应评估氩气的保护作用，特别是在心脏骤停后支持神经保护特性的临床场景中。最后，氩气可以通过修改以兼容Ar/O2/空气混合物的呼吸机简单地给药，这些混合物以不同比例提供在专用气瓶中。实际上，氩气的成本相对较低，大约每升9欧分[13]，比麻醉剂如七氟醚和异氟醚低10倍，比氙气低100倍。

结论

氩气的使用已在多种临床前和人类研究中得到描述。吸入氩气在不同类型的损伤后对器官保护方面似乎具有潜在益处。安全性数据显示非毒性效应。因此，临床前和临床数据支持未来关于吸入氩气疗法的临床研究。