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文獻閱讀:氫分子的生物學效應及其作用機制


Underlying mechanisms of molecular hydrogen
Underlying mechanisms of molecular hydrogen

氫分子的生物學效應及其作用機制-對321篇氫分子相關的原始研究綜合評述,Beneficial biological effects and the underlying mechanisms of molecular hydrogen - comprehensive review of 321 original articles. 。這篇文章發表在期刊《Medical Gas Research》上,期刊的中文名稱為《醫用氣體研究》是一本開放獲取的醫學期刊,主要涵蓋醫用氣體的研究,包括生理學、生化學、分子生物學、藥理學...等方面的內容。這篇論文是一篇綜述性的研究文章,文章綜述了321篇原始研究文章,探討了氫分子的有益生物學效應及其潛在的作用機制。也就是作者對321篇研究論文進行了分析及統計,每一篇數頁致十數頁的研究文獻進行整理、歸納、分析,閱讀這如此多的氫相關文獻,這是一件不簡單工作。

病理生理學

文章數

​百分比

OS氧化壓力

224篇

69.8%

OS缺血在灌注

80

24.9%

OS其它

​144

44.9%

發炎

66

​20.6%

代謝

20

6.2%

其它疾病

11

3.4%

上表為氫分子對疾病有益的類別統計(氧化壓力+發炎+代謝+其它疾病=321篇)


名詞介紹

氧化壓力:是指細胞內外環境中氧自由基、過氧化物...等氧化劑與細胞抗氧化防禦系統之間失衡的狀態,導致氧化損傷的過程。正常情況下,細胞中的抗氧化防禦系統可以清除氧自由基等有害物質,保持氧化還原平衡。當氧化劑積累過多或抗氧化防禦系統減弱時,就會導致氧化壓力的增加,進而引起蛋白質、核酸、脂質等生物分子的氧化損傷。
缺血再灌注:是許多疾病(如心臟病、腦中風、肝病...等)的重要發病機制之一。當組織或器官發生缺血(血液供應不足)時,細胞代謝能力下降,導致細胞功能異常,如能量代謝紊亂、鈣離子超載、氧自由基產生增加...等。當缺血被糾正後,血液再次灌注到組織或器官中,會產生一系列的炎症和氧化壓力反應,加劇細胞損傷和死亡。
代謝:是指生物體內化學反應的總體過程。生物體吸收營養物質,利用這些物質來產生能量、構建細胞組織和分子以及排泄廢物。代謝包括兩個基本方面:合成新的分子和分解舊的分子。合成代謝是指細胞利用營養物質來合成新的分子。這些分子可以是蛋白質、核酸、糖類、脂肪酸和其他生物分子。分解代謝是指細胞將有機分子分解為較小的分子,以釋放能量和產生廢物。代謝需要一系列的酶和能量,可以通過食物和氧氣來提供。糖類、脂肪和蛋白質是主要的能量來源。在這些物質進入細胞後,它們被分解成更小的分子,然後被氧化以釋放能量,並在ATP(三磷酸腺苷)的形式下儲存。
ATP三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate),是細胞內最基本的能量分子,也被稱為細胞的能量貨幣。當食物被消化並吸收後,能量被儲存為ATP分子的化學鍵中。當細胞需要能量時,ATP分子會被水解成ADP(二磷酸腺苷)和無機磷酸,釋放出儲存的能量,這些能量可以用於各種細胞活動,例如細胞利用ATP來進行各種生物學過程:肌肉收縮、心跳、體溫、運動、代謝、細胞分裂、神經傳遞...等。ATP是生命活動中不可或缺的分子之一。
成年人的身體內大約有"37萬億"3.7 x 10^13=37,000,000,000,000)個細胞。這些細胞構成了身體的各個器官和組織,包括皮膚、肌肉、骨骼、心臟、肝臟、腎臟、腦...等。然而,這個數字僅僅是一個估計值,因為人體細胞數量的確切數字仍然在科學界存在爭議。雖然仍有爭議,但根據已有的研究和估算,37萬億是比較可靠的數字。

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Beneficial biological effects and the underlying mechanisms of molecular hydrogen - compre
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下載 • 1.68MB

引言

氫分子是一種具有強抗氧化、抗炎和細胞保護作用的氣體。氫可以通過多種途徑進入人體內,包括口服、吸入和注射等方式。研究表明,氫分子對多種疾病具有治療和預防作用,包括心血管疾病、中風、肝病、腎病、神經系統疾病、癌症...等。此外,氫分子還可以增強人體免疫系統的功能,促進傷口癒合和減輕運動疲勞...等。


本文探討了氫分子的作用機制,包括減輕氧化壓力、抑制炎症(發炎)反應、調節細胞信號路徑...等。氫分子還可以影響多種基因的表達(表觀遺傳學),影響人體各個系統的功能。這篇綜述文章展示了氫分子的廣泛應用前景和作用機制。然而,作者也指出了一些尚未得到充分研究的領域,需要進一步的研究來驗證其功效和安全性。


作者先介紹了氫分子的歷史背景和研究現狀,指出氫分子是一種具有潛在生物學效應的分子,並已被廣泛用於治療多種疾病。介紹了氫分子的化學特性和生物學效應,包括抗氧化、抗炎、抗凋亡、調節細胞信號傳導等多種作用。作者指出,氫分子的多種生物學效應可能與其在細胞內的抗氧化和調節代謝的作用有關。作者簡要介紹了本文將要探討的內容,同時也對氫分子的歷史、化學特性、生物學效應和應用前景進行了概括和展望。


氫分子文獻研究統計與分析



 

統計氫分子的治療效應


圖1-氫分子的生物學效應及其作用機制
圖1-氫分子的生物學效應及其作用機制

這篇文章的圖1是一個資料視覺化圖表,展示了321篇關於氫分子治療效應的原始文獻的資料。

圖1-A,這些研究報告的時間分佈情況,時間跨度從2007年到2015年6月。每年的研究報告數量用折線圖表示,折線圖的顏色代表了不同的國家。圖A可以看出,研究熱點逐漸從日本和中國等亞洲國家擴展到了歐美等地區。


圖1-B,使用氫分子治療的研究生物物種。不同物種的研究數量用圓餅圖表示,圓餅圖的顏色代表了生物物種所屬的分類群。圖B可以看出,氫分子在實驗動物、人類和植物中的治療效果得到了廣泛研究。其中,小鼠是研究物件最多的實驗動物。


圖1-C,不同的氫分子給藥路徑。圓餅圖分別表示了在動物模型、人類和植物中使用的氫分子的不同供給路徑。圖C可以看出,氫分子的供給方式多種多樣,包括口服、吸入、注射、浸泡等方式。


圖1展示了氫分子作為一種治療劑研究的全球發展趨勢,以及不同生物物種和不同給藥方式對於氫分子治療效應的研究情況,意味著無論時間、物種、供給路徑的安全性及應用已經受到完整關注及研究。

2007年是一個氫備受關注的一年,主要是「自然醫學期刊」刊載了一篇有關氫分子氫分子作為一種治療性抗氧化劑,通過選擇性減少細胞毒性氧自由基
 

氫分子與基因表達


基因對氫氣和或氫水表現出不同的反應
圖2-四組基因對氫氣和或氫水表現出不同的反應

圖2展示了四組基因在接受氫氣和氫水的處理後的表達差異。不同的基因可能對氫氣和氫水的處理具有不同的敏感性和回應性。Bcl6在接受氫氣處理後的表達上調最為明顯,而G6pc則只在接受氫水處理後的表達上調,表明這兩種處理方式對這兩個基因的調節效果不同。另外,Wee1在接受氫氣和氫水處理後的表達均有所上調,說明這個基因對氫氣和氫水的回應性較為相似。Egr1則在接受氫氣和氫水處理後的表達均有所下調,表明這個基因可能與氫氣和氫水的治療效應不相關。


圖2A.基因Bcl6,在接受氫氣處理後的表達顯著上調,而在接受氫水處理後的表達上調相對較小。

Bcl6是一種轉錄因子,它在正常的細胞發育和免疫應答中扮演著重要的角色。表達主要限制在B淋巴細胞中,可以促進B細胞的生長和分化,並抑制B細胞向漿細胞的分化。此外,Bcl6也與多種疾病有關,如癌症、自身免疫性疾病...等。近年來的研究表明,Bcl6的表達受到一些物質的影響,如氫氣,具有調節作用。特別是在癌症治療中,氫氣已被證明可以通過調節Bcl6的表達來抑制癌細胞的生長和擴散。因此,Bcl6已成為研究氫分子氣體的治療機制和其在癌症治療中的應用的熱點研究物件之一。

圖2B.基因G6pc,只在接受氫水處理後的表達顯著上調。

G6pc(葡萄糖-6-磷酸酶)是一種磷酸酶,在肝臟和腎臟中起著關鍵的作用,參與糖代謝的調節。它催化葡萄糖-6-磷酸的水解反應,生成游離的葡萄糖和磷酸。這個過程在胰島素不足時會被逆轉,使肝臟產生葡萄糖,並提供給全身細胞使用。近年來的研究表明,氫水可能對G6pc的表達具有調節作用。一些研究表明,氫水可以降低血糖水準,改善胰島素抵抗,可能與其調節G6pc的表達有關。此外,G6pc也與一些疾病有關,如糖尿病...等。因此,對G6pc的研究有助於深入理解氫水在代謝調節和相關疾病治療中的作用機制。

圖2C.基因Wee1,在接受氫氣和氫水處理後的表達都有所上調。

Wee1是一種激酶,參與細胞週期的調節。在細胞進入有絲分裂前,Wee1被啟動,並抑制另一種激酶CDK1的活性,抑制細胞週期的進程。當細胞準備進入有絲分裂時,Wee1被降解,CDK1則被啟動,細胞週期開始進入有絲分裂的過程。研究發現,氫水可能會影響Wee1的表達和活性。一些研究表明,氫水可以減輕細胞因氧化壓力導致的Wee1活性降低,促進細胞週期的進程。此外,Wee1也與一些疾病有關,如癌症、免疫疾病...等。因此,對Wee1的研究有助於深入瞭解氫水在疾病治療中的作用機制。

圖2D.基因Egr1,在接受氫氣和氫水處理後的表達均有所下調。

Egr1是一種轉錄因子,參與細胞增殖、分化和凋亡等多種生物學過程的調節。Egr1的表達受多種刺激和信號途徑的調控,包括細胞壓力、激素、生長因子...等。一些研究表明,氫水可能對Egr1的表達和活性產生影響。例如,在缺氧缺糖等壓力情況下,氫水可以促進Egr1的表達和活性,發揮細胞保護作用。此外,Egr1也與一些疾病有關,如癌症、心血管疾病、神經退化性疾病...等。因此,對Egr1的研究有助於深入瞭解氫水在疾病治療中的作用機制。

圖2這些資料展示了氫分子氣體和水可能對基因表達具有不同的調節效果,這有助於我們更好地理解氫分子的治療機制。

 

氫分子作用機制


氫的分子機制示意圖
圖3:氫的分子機制示意圖

圖3,氫分子的作用機制。具體來說,氫分子通過以下幾種機制發揮其保護作用:


抗氧化作用:氫分子可以清除體內的自由基,減輕氧化壓力對細胞的損傷。

抗炎作用:氫分子可以抑制炎症反應的發生,減輕炎症對細胞的損傷。

細胞信號調節:氫分子可以調節多種信號路徑,如PI3K/Akt、Nrf2等路徑,促進細胞增殖、抑制細胞凋亡...等。

PI3K/Akt路徑是一種重要的細胞信號傳導路徑,參與了細胞的增殖、存活、凋亡、代謝和運動等多種生物學過程的調節。在該通路中,磷脂醯肌醇3-激酶(PI3K)通過磷酸化產生的PIP3啟動Akt,啟動後的Akt可以調節多種靶蛋白,如GSK-3β、Bad、FOXO...等,參與了多種生物學過程的調節。該通路在細胞的生長、分化和代謝調節等方面發揮著至關重要的作用。同時,PI3K/Akt通路在多種疾病的發生和發展中也發揮著重要的作用,如癌症、心血管疾病、糖尿病...等。氫分子可以調節PI3K/Akt通路的活性,發揮細胞保護作用。
Nrf2是一種轉錄因子,參與了細胞的氧化壓力反應。當細胞受到氧化壓力刺激時,Nrf2會從細胞質中轉移至細胞核中,結合抗氧化壓力響應元件上,促進一系列抗氧化酶和熱休克蛋白等的表達,增強細胞的抗氧化能力和解毒能力,保護細胞免受氧化損傷。Nrf2通路在許多疾病中發揮著重要的作用,如癌症、神經退化性疾病、炎症等。分子氫可以通過啟動Nrf2路徑,促進抗氧化酶和解毒酶等的表達,增強細胞的抗氧化能力和解毒能力,發揮細胞保護作用。

基因表達調節:氫分子可以調節多種基因的表達,如Bcl-2、Bax、p53...等,發揮細胞保護作用。

Bcl-2是一種細胞凋亡抑制蛋白,參與了細胞凋亡過程的調節。細胞凋亡是一種重要的細胞死亡方式,也是維持機體內正常細胞數量和細胞組織結構的重要保障。Bcl-2蛋白能夠抑制多種凋亡信號途徑的活化,如線粒體途徑和內質網途徑...等,發揮細胞保護作用。在多種疾病中,Bcl-2的表達水準異常增高,導致細胞凋亡抑制的能力增強,促進了疾病的發展。而氫分子可以調節Bcl-2的表達和功能,降低其對細胞凋亡的抑制作用,發揮細胞凋亡促進和疾病治療的作用。
Bax是Bcl-2家族成員之一,是一種促進細胞凋亡的蛋白。它能夠促進線粒體的膜通透性轉變,使線粒體內的細胞色素c...等凋亡相關蛋白釋放到細胞質中,啟動半胱氨酸蛋白酶家族蛋白,引起細胞凋亡。Bcl-2和Bax的平衡關係對於細胞凋亡過程的調節至關重要。在很多疾病中,Bcl-2和Bax表達失衡,Bcl-2表達增高,Bax表達降低,導致細胞凋亡受到抑制,促進疾病的發展。氫分子可以調節Bax的表達和功能,增加細胞凋亡敏感性,發揮抗腫瘤、抗炎症...等保護作用。
p53是一種重要的抑癌基因,是細胞生長、凋亡和DNA修復...等過程的關鍵調節者。當細胞受到DNA損傷或其他外界刺激時,p53會被啟動並進入細胞核,促進細胞凋亡或引導細胞進入DNA修復狀態,維護細胞的穩態。p53在很多腫瘤中表達降低或缺失,導致細胞凋亡和DNA修復的功能失調,促進了腫瘤的發展。氫分子可以通過調節p53的表達和功能,促進細胞凋亡和DNA修復,發揮抗腫瘤的作用。此外,p53的調節還與分子氫的抗炎症、抗氧化...等多種生理活性相關。

總之,氫分子可以通過多種機制發揮其保護作用,對多種疾病的治療具有潛在的作用。

 

氫分子的生物學效應


氫分子是一種具有強抗氧化、抗炎和細胞保護作用的氣體。以下是氫分子的主要生物學效應:

  • 氫分子的抗氧化作用:氫分子可以通過減少自由基和氧化壓力的產生來發揮抗氧化作用。它可以直接與自由基反應生成水,也可以通過增加細胞內穀胱甘肽等抗氧化物質的產生來發揮抗氧化作用。它可以清除自由基並減少DNA、蛋白質和脂質的氧化損傷。

  • 氫分子的抗發炎作用:氫分子可以抑制多種炎症細胞因子的產生,如腫瘤壞死因子α (TNF-α)、白細胞介素-1β (IL-1β)和白細胞介素-6 (IL-6)...等。還可以抑制炎症相關的信號路徑,如NF-κB通路和MAPK路徑,減少炎症因子的產生。

α (TNF-α)代表腫瘤壞死因子,是一種由免疫細胞產生的蛋白質,主要參與調節炎症反應和免疫應答。TNF-α的產生通常是由細菌、病毒、真菌、寄生蟲等致病體引起的感染、炎症等刺激所致,也可以由某些化學物質、腫瘤細胞等其他因素引起。TNF-α在炎症過程中發揮了多種作用,包括促進炎症反應、刺激免疫細胞的活化、引起發熱和消耗體內蛋白質...等。TNF-α在免疫調節中也起著重要作用,可以促進T細胞和B細胞的增殖和分化,增強免疫應答。
IL-1β代表白細胞介素,是一種由免疫細胞產生的蛋白質,主要參與調節炎症反應和免疫應答。與TNF-α類似,IL-1β的產生通常是由感染、炎症...等刺激所致,它能夠促進炎症反應、吸引和啟動免疫細胞、促進細胞增殖和分化...等。同時,IL-1β還可以調節多種生理過程,包括生殖、代謝、神經傳遞...等。當機體受到感染或損傷時,IL-1β的產生會增加,引起炎症反應,幫助機體抵禦感染和修復受損組織。
IL-6代表白細胞介素,是一種由免疫細胞、血管內皮細胞和其他多種細胞產生的蛋白質,主要參與調節炎症反應和免疫應答。IL-6的產生通常是由感染、炎症、組織損傷、腫瘤等刺激所致。它能夠促進炎症反應、啟動免疫細胞、促進血小板生成、參與血管新生等多種生理過程。同時,IL-6還可以調節代謝、神經傳遞、纖維化等多種生理過程。在炎症反應中,IL-6通常與IL-1β、TNF-α等其他炎症因數相互作用,形成複雜的調節網路,共同調節炎症反應和免疫應答。
NF-κB是一種轉錄因數家族,廣泛存在於各種細胞中。它參與調節多種生物學過程,包括免疫應答、炎症反應、細胞增殖和凋亡、細胞分化和生長等。在非啟動狀態下,NF-κB被細胞質中的IκB(inhibitor of kappa B)蛋白質所抑制。當受到一系列刺激,如細胞因數、病毒、細菌、氧化應激等,IκB被磷酸化並被降解,導致NF-κB轉移入細胞核並結合到DNA上,調控下游靶基因的表達。NF-κB通常與炎症反應和免疫應答有關,它可以啟動多種炎症介質和細胞因數,如TNF-α、IL-1β和IL-6等,以及一些重要的免疫調節分子,如MHC分子和一些抗菌蛋白等。
MAPK(Mitogen-Activated Protein Kinase)是一類重要的絲裂原活化蛋白激酶,參與多種細胞生物學過程的調控,包括細胞增殖、分化、凋亡、炎症和應激等。MAPK包括ERK(Extracellular signal-Regulated Kinase)、JNK(c-Jun N-terminal Kinase)、p38 MAPK等,它們在回應不同的外界刺激(如生長因數、細胞應激、炎症因數等)時被啟動,進而磷酸化下游的蛋白質分子,調控細胞的生理與病理過程。MAPK信號通路在很多重要的生理和病理狀態下發揮著重要的調節作用,如細胞生長、分化、腫瘤、心血管疾病、糖尿病、神經退化性疾病等。

  • 氫分子的細胞保護作用:氫分子可以保護細胞免受各種損傷和毒性作用。它可以抑制氧化壓力減少細胞凋亡,促進細胞的增殖和再生,增強細胞的修復能力。還可以促進神經元和心肌細胞的保護和再生。

  • 氫分子的免疫調節作用:氫分子可以調節免疫系統的功能,增強人體的免疫力。它可以促進免疫細胞的增殖和分化,增強細胞介導的免疫反應和抗體反應。

  • 氫分子的調節細胞信號傳導:氫分子可以通過影響多種信號通路的活性來調節細胞的功能。例如,它可以調節鉀通道、鈣通道和ATP敏感性鉀通道的活性,影響細胞的興奮性和代謝。

  • 氫分子降低炎症和氧化壓力的相關疾病風險:研究表明,氫分子可以預防和治療多種炎症和氧化壓力相關疾病,如心血管疾病、中風、肝病、腎病、神經系統疾病、癌症...等。它可以通過減少氧化壓力和炎症反應來保護器官和組織的功能。

氫分子的作用機制非常複雜,涉及多種生物學過程。它可以通過多個途徑發揮細胞保護、抗氧化、抗炎和免疫調節作用。綜合以上生物效益氫分子具有多種生物學效應,對人體的健康產生積極的影響。

 

探討氫分子的應用前景


氫分子作為一種新型的生物活性分子,具有廣泛的應用前景。

  • 醫療領域:氫分子已被證明對多種疾病具有治療效果,包括心血管疾病、神經系統疾病、肝臟疾病、肺部疾病等。此外,氫分子還可以用於增強機體免疫力,預防疾病的發生。

  • 食品和飲料領域:氫分子可以被添加到食品和飲料中,以增強其營養價值和保健作用。例如,已有研究證明氫可以保護食物中的營養成分不被氧化破壞。

  • 化妝品領域:氫可以被用於製造化妝品,具有美白、抗氧化和抗炎作用。例如,已有研究證明氫可以減輕肌膚受到紫外線輻射引起的氧化損傷。

  • 醫療器械領域:氫分子可以被用於製造各種醫療器械,例如生物材料、支架和人工器官等。此外,氫還可以用於消毒和滅菌。

  • 環境保護領域:氫可以被用於淨化空氣、水和土壤中的有害物質,例如氮氧化物、臭氧和重金屬等。

作者認為氫分子具有廣泛的應用前景,可以被用於多個領域。未來隨著對氫分子作用機制的深入研究,其應用領域將會不斷擴展。


結論


作者通過對大量原始文章的綜合分析,系統全面地闡述了氫分子的生物學效應、作用機制和應用前景,為氫分子的進一步研究和應用提供了有益的參考。表明了氫分子的安全性、氫分子的無毒性、氫分子於醫療領域的前景


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