Nước hydro

Phân tử hydro là một khí được gọi là hydro với công thức hóa học H 2 , và còn được gọi là hydro phân tử. Ở đây, chỉ có hydro được mô tả. Hydro được cho là hoạt động như một khí trơ trong tế bào động vật có vú. Trên thực tế, ở nhiệt độ cơ thể, hydro không phản ứng với các hợp chất sinh học chứa oxy nếu không có chất xúc tác. Mặt khác, ở vi khuẩn có một loại enzyme gọi là hydrogenase, hydro được dị hóa bởi tác động của enzyme và được sử dụng như một nguồn năng lượng. Ngoài ra, nó có thể là sản phẩm của quá trình chuyển hóa kỵ khí. Ngược lại, động vật có vú không có gen hydrogenase.1)Do đó, người ta cho rằng hydro không có chức năng nào trong động vật có vú.

Vào năm 2007, các tác giả đã viết trong một bài báo rằng H 2 loại bỏ các loại oxy phản ứng và các loại nitơ phản ứng có khả năng oxy hóa mạnh như gốc hydroxyl (· OH) và peroxynitrite (ONOO - ) trong tế bào , và hydro được chứng minh là có tế bào chức năng bảo vệ chống lại stress oxy hóa, và khái niệm thông thường đã được thay đổi.2).. Kể từ đó, tác dụng điều trị và phòng ngừa của hydro đã được nghiên cứu chủ yếu bằng cách sử dụng động vật mô hình, và hơn 350 bài báo đã được xuất bản. Các chuyên luận này đã chỉ ra rằng hydro có ảnh hưởng đến các mô hình bệnh tật trong đó stress oxy hóa có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến hầu hết các cơ quan. Hơn nữa, người ta đã làm rõ rằng hydro có nhiều chức năng như hoạt động chống viêm, chống apoptotic, và chống dị ứng, và kích hoạt quá trình chuyển hóa năng lượng. Ngoài các bài báo về các thí nghiệm mô hình, hơn 10 bài báo về các cuộc thử nghiệm lâm sàng đã được xuất bản cho đến nay.3–5).. Ngoài ra, một bài báo cho thấy tác dụng của hydro đối với thực vật đã được xuất bản, và nó không chỉ được xem xét trong y học mà còn trong nông nghiệp.

Trong bài báo này, chúng tôi nhìn lại lịch sử phát hiện ra tác dụng sinh học của hydro và xem xét tác dụng cũng như cơ chế phân tử của nó.

Stress oxy hóa như một nguyên nhân của bệnh lý và vai trò sinh lý của nó

1) Stress oxy hóa như một nguyên nhân của bệnh lý

Ở các sinh vật hiếu khí, các loại oxy phản ứng (ROS) được sản xuất thường xuyên trong cơ thể như một sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa năng lượng bằng cách phosphoryl hóa oxy hóa. Ngoài ra, hút thuốc, ô nhiễm không khí, tiếp xúc với tia cực tím và bức xạ, tập thể dục vất vả và căng thẳng về thể chất hoặc tâm lý sẽ tạo ra ROS dư thừa. Khi ROS được sản xuất quá mức và khả năng chống oxy hóa nội tại bị giảm, quá trình oxy hóa sẽ gây ra các tác động có hại, dẫn đến "stress oxy hóa". Stress oxy hóa cấp tính xảy ra từ nhiều tình huống khác nhau như viêm nhiễm, nhồi máu cơ tim và nhồi máu não, tái tưới máu do thiếu máu cục bộ trong quá trình cấy ghép nội tạng và cầm máu trong phẫu thuật.6,7).. Nhiều tài liệu đã chỉ ra rằng stress oxy hóa mãn tính có liên quan đến nhiều tình trạng bệnh lý và lão hóa, bao gồm sinh ung thư, tiểu đường, xơ cứng động mạch, các bệnh viêm mãn tính và nhiều bệnh thoái hóa thần kinh.số 8)..

2) Quá trình tạo ra các loại oxy phản ứng

Các gốc anion Superoxide (O 2 · - ) được tạo ra như bước đầu tiên của quá trình hình thành ROS . Hầu hết được tạo ra bởi các điện tử bị rò rỉ từ chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể. Ngoài ra, các enzym khác như NADPH oxidase, cytochrome P450, lipoxygenase, cyclooxygenase, và xanthine oxidase cũng tham gia vào quá trình sản xuất ROS trong hệ thống miễn dịch và giải độc.9)..

Bằng tác động của enzym superoxide dismutase (SOD), O 2 · - được chuyển thành hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), và hydrogen peroxide được chuyển hóa để tạo ra nước (H 2 O). Khi có mặt xúc tác của các ion kim loại chuyển tiếp như Fe 2+ và ion Cu + , H 2 O 2 hoặc O 2 · - tạo thành phản ứng mạnh · OH từ H 2 O 2 hoặc O 2 · - bằng phản ứng Fenton hoặc Weiss.Mười).. Khi O 2 · - phản ứng với oxit nitric (· NO), ONOO - , một dạng nitơ phản ứng có hoạt tính cao (RNS), được tạo ra.11).. · Cùng với OH, nó là nguyên nhân chính gây ra quá trình oxy hóa và phá hủy các phân tử sinh học12).. Bức xạ, bao gồm cả các tia vũ trụ, cũng tạo ra OH qua phản ứng với nước.

3) Vai trò sinh lý của H 2 O 2

Như đã đề cập ở trên, người ta thường cho rằng ROS gây ra tổn thương tế bào và chỉ có hại cho cơ thể sống. Tuy nhiên, cân bằng nội môi oxy hóa khử tế bào là sự cân bằng tinh tế giữa sản xuất ROS và hệ thống chống oxy hóa.13).. Một số ROS hiện được biết đến với chức năng như các phân tử truyền tín hiệu điều khiển các hoạt động sinh lý khác nhau.14,15)..

Hơn nữa, stress oxy hóa được tạo ra bởi H 2 O 2 và · NO tạo ra các enzym tham gia vào quá trình chống oxy hóa và đề kháng, đồng thời bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa.16,17).. Ví dụ, khi yếu tố phiên mã NF-E2 liên quan đến yếu tố 2 (Nrf2) chuyển vào hạt nhân, nó là một hệ thống phòng thủ chống lại stress oxy hóa và các chất độc hại khác bao gồm kim loại nặng.18)Các gen liên quan đến được biểu hiện. Ngoài ra, H 2 O 2 là quá trình biệt hóa tế bào19)Và hệ thống miễn dịch20)， Autophagyhai mươi mốt), Sự chết tế bàohai mươi hai)Nó là một yếu tố quan trọng kiểm soát. Vì vậy, điều cực kỳ quan trọng là không phải loại bỏ hoàn toàn H 2 O 2 để duy trì cân bằng nội môi trong tế bào .

4) Tìm kiếm chất chống oxy hóa lý tưởng

Tác hại của quá trình oxy hóa gây ra nhiều bệnh khác nhau, và người ta hy vọng rằng chất chống oxy hóa có thể được sử dụng để điều trị hoặc ngăn ngừa những bệnh này, nhưng tình hình hiện tại là chúng chưa thành công.hai mươi ba).. Những chất được gọi là chất bổ sung chất chống oxy hóa đã được chứng minh là không có tác dụng nhiều trong việc ngăn ngừa ung thư, nhồi máu cơ tim và xơ vữa động mạch, mà ngược lại là làm tăng tỷ lệ tử vong.23–26).. Do đó, điều cực kỳ quan trọng là phải chú ý đến các tác dụng phụ của việc loại bỏ ROS khi phát triển các chất chống oxy hóa hiệu quả để ngăn ngừa các bệnh liên quan đến stress oxy hóa.

Trước tình hình này, phân tử chống oxy hóa lý tưởng là phân tử làm giảm căng thẳng oxy hóa quá mức nhưng không ảnh hưởng đến cân bằng nội môi oxy hóa khử. Nói cách khác, một phân tử chất chống oxy hóa lý tưởng không được làm giảm quá mức các phân tử truyền tín hiệu như H 2 O 2 , nhưng làm giảm hiệu quả các chất oxy hóa mạnh như OH. Xem xét các yếu tố này, các tác giả kết luận rằng phân tử chất chống oxy hóa lý tưởng là hydro dựa trên kết quả thí nghiệm.

Khám phá về hoạt động sinh học của các phân tử hydro

Trong quá trình tìm kiếm phân tử chất chống oxy hóa lý tưởng, người ta đã tiến hành các thí nghiệm sau. Khi tế bào nuôi cấy PC12 tiếp xúc với stress oxy hóa bằng cách sử dụng antimycin A, một chất ức chế chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể, nó cho thấy những thay đổi hình thái bất thường để phản ứng với stress oxy hóa. Do đó, khi hydro được đưa vào môi trường mà không làm thay đổi nồng độ pH, O 2 , CO 2 , hoặc các điều kiện khác, các tế bào không thay đổi hình thái của chúng ngay cả trong cùng một ứng suất oxy hóa. Sau khi loại bỏ hydro khỏi quá trình nuôi cấy, các tế bào bắt đầu phản ứng trở lại với stress oxy hóa. Những phát hiện này chỉ ra rằng hydro tác động trực tiếp lên tế bào mà không ảnh hưởng đến các thành phần của môi trường nuôi cấy. Với những kết quả này thu được trong thí nghiệm đầu tiên, các tác giả đã nghĩ rằng hydro có tiềm năng rất lớn để sử dụng trong thực tế trên lâm sàng, và bắt đầu nghiên cứu về năng lượng hydro vào tháng 1 năm 2005.

Tiếp theo, chúng tôi cố gắng xác định mục tiêu mà hydro hoạt động trong các tế bào được nuôi cấy. Ngay cả khi hydro được hòa tan trong môi trường nuôi cấy, tín hiệu huỳnh quang của thuốc nhuộm huỳnh quang MitoSOX phát hiện O 2 · - và thuốc nhuộm huỳnh quang dichlorofluorescein diacetate (DCF-DA) để phát hiện H 2 O 2 không thay đổi trong tế bào. Ngoài ra, mức NO nội bào gây ra bởi S -nitroso- N -acetyl- D , L- penicillamine (SNAP) được phát hiện bởi diaminofluorescein-2 diacetate (DAF-2 DA), và NO đã được loại bỏ bởi hydro. rằng nó đã không được thực hiện. Ngược lại, khi sử dụng hydro, hydroxyphenylfluorescein (HPF), một chất nhuộm huỳnh quang để phát hiện OH,27)Tín hiệu huỳnh quang giảm (Hình 1). Hơn nữa, người ta đã xác nhận rằng hydro làm giảm OH nội bào bằng phương pháp bẫy spin sử dụng cộng hưởng spin điện tử (ESR).

Hình 1 Ảnh hiển vi huỳnh quang cho thấy sự khử có chọn lọc các loại oxy phản ứng bởi hydro

Ứng suất oxy hóa được áp dụng cho các tế bào PC12 bởi antimycin A, hoặc · NO được tạo ra bởi SNAP, và nội bào · O 2 - , · NO, H 2 O 2 , · OH là thuốc nhuộm huỳnh quang cụ thể MitoSOX, DAF, tương ứng. -2 Phát hiện bởi DA, DCF-DA và HPF.

Phản ứng chọn lọc của hydro với ROSHình 2Như được chỉ ra trong, nó có thể được giải thích bởi thực tế là sức oxy hóa của · OH là rất lớn. Điều này có nghĩa là · OH có tính oxi hóa đủ mạnh và phản ứng với hiđro trơ, nhưng O 2 · - , H 2 O 2 và · NO không đủ mạnh để phản ứng với hiđro. Nói cách khác, tác dụng của hydro nhẹ và không ảnh hưởng đến phản ứng oxy hóa khử chuyển hóa hoặc ROS, có chức năng truyền tín hiệu nội bào.

Hình 2 Quá trình hình thành các loại oxy phản ứng và khả năng oxy hóa tương đối của các loại oxy phản ứng và các loại nitơ phản ứng

 

So sánh với các khí y tế khác

Bây giờ, chúng ta hãy so sánh nó với các khí y tế khác. Hydrogen sulfide (H 2 S), carbon monoxide (CO) và nitric oxide (· NO) là các phân tử cực độc, nhưng chúng đóng vai trò quan trọng như các phân tử truyền tín hiệu.28–30).. Các nghiên cứu gần đây đã tiết lộ rằng protein heme đóng một vai trò quan trọng như mục tiêu cho các phân tử khí này. Mitochondrial cytochrome c oxidase là một enzyme heme đóng vai trò trung tâm trong quá trình hô hấp của ty thể.30).. Tuy nhiên, hydro không phản ứng với heme, vì vậy mục tiêu chính của hydro phải khác với các khí y tế khác.

· NO, H 2 S và CO được sinh tổng hợp tương ứng bằng phản ứng enzym của · NO synthase, cystathionine γ-lyase, cystathionine β-synthase và heme oxygenase (HO-1).30,31).. Ngược lại, như đã đề cập ở trên, không có enzym sản xuất hydro trong tế bào ở động vật có vú.

So với các khí y tế khác, hydro có ưu điểm là hoàn toàn không gây độc tế bào. Nó đã được xác nhận trong cơ thể con người rằng hydro không gây độc tế bào ngay cả ở nồng độ cao.32,33)..

Ngoài ra, khí hydro chỉ dễ cháy ở nhiệt độ cao hơn 527 ° C, và phát nổ bằng phản ứng dây chuyền với các phân tử oxy chỉ ở nồng độ trong phạm vi vụ nổ (4 đến 75%, vol / vol). Như sẽ được mô tả ở phần sau, hít phải 1 đến 4% khí H 2 có hiệu quả cao, vì vậy hydro có thể được sử dụng cho các mục đích lâm sàng mà không cần lo lắng về nổ.

Làm thế nào để hấp thụ các phân tử hydro

1) Hút khí hydro

Hít khí hydro là một cách đơn giản để đưa hydro vào cơ thể. Vì khí hydro hít vào được đưa vào cơ thể trong thời gian ngắn và hoạt động, nó thích hợp để bảo vệ chống lại stress oxy hóa cấp tính. Đặc biệt, truyền dịch trong nhồi máu cơ tim làm tăng huyết áp và là một trở ngại nghiêm trọng trong quá trình điều trị cơ tim, nhưng việc hít phải khí hydro không ảnh hưởng đến huyết áp.2).. Ngoài ra, nó đã được thực nghiệm xác nhận rằng hydro có thể đến khu vực bị ảnh hưởng, nơi mạch máu bị nhồi máu và dòng máu bị ngừng lại do khuếch tán, vì vậy nó khác với các loại thuốc khác ở chỗ nó có thể bảo vệ chống lại tổn thương ROS xảy ra trong quá trình tái tưới máu. một lợi thế

Trong các thí nghiệm trên động vật, hiệu ứng được quan sát thấy ở nồng độ khí hydro khoảng 1 đến 4%, và trong các thử nghiệm lâm sàng, tính an toàn và động lực học của hydro đã được xác nhận sau khi hít phải khí hydro 3 đến 4%.

2) Uống bằng miệng bằng cách uống nước hydro

Thật bất tiện khi hít phải khí hydro hàng ngày phải liên tục ăn hydro trong cuộc sống hàng ngày để ngăn ngừa bệnh tật. Ngược lại, nước hydro trong đó hydro được hòa tan trong nước là an toàn và thiết thực vì nó có thể di động và bạn có thể hấp thụ hydro đơn giản bằng cách uống nó.36,37).. Dưới nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển, H 2 hòa tan trong nước đến 0,8 mM (1,6 mg / L) và không thay đổi độ pH. Nước hydro bão hòa hiệu quả hơn nước hydro pha loãng, nhưng ngay cả nước hydro 80 µM pha loãng 10 lần cũng có hiệu quả trong việc cải thiện chứng béo phì ở chuột.38).. Điều này cho thấy rằng nồng độ hydro thậm chí thấp hơn so với suy nghĩ ban đầu cũng có hiệu quả. Khí hydro đi qua hộp thủy tinh và hộp nhựa trong thời gian ngắn, nhưng hộp nhôm có thể giữ lại khí hydro trong thời gian dài.

3) Tiêm hydro-muối

Hydro có thể được hòa tan trong nước muối sinh lý (nước muối sinh lý hydro) và được tiêm vào tĩnh mạch hoặc trong màng bụng, và bằng phương pháp này, hydro có thể được cung cấp với hiệu suất cao trên động vật thí nghiệm.39).. An toàn đã được xác nhận trong các thử nghiệm lâm sàng40)..

4) Hấp thụ trực tiếp các phân tử hydro bằng cách khuếch tán: thuốc nhỏ mắt, tắm, mỹ phẩm

Nó cũng có thể được đưa vào cơ thể từ bề mặt cơ thể bằng cách sử dụng sự khuếch tán của hydro. Người ta đã xác nhận rằng khi thuốc nhỏ mắt hòa tan hydro được nhỏ trực tiếp lên bề mặt nhãn cầu, nó sẽ thâm nhập vào nhãn cầu mà không cần lưu thông máu bằng cách khuếch tán.41,42).. Nhúng tim cấy ghép trong môi trường bảo quản lạnh trong nước hydro để cung cấp hydro bằng cách khuếch tán có thể làm giảm hiệu quả tổn thương cơ tim do tái tưới máu.43)..

Hydro dễ dàng đi qua da và lan truyền khắp cơ thể theo đường máu. Vì vậy, tắm trong nước nóng trong đó hydro được hòa tan là một trong những cách để đưa hydro vào cơ thể trong cuộc sống hàng ngày. Trên thực tế, muối tắm tạo ra bồn tắm hydro được bán trên thị trường từ một số công ty.

Theo dõi và dược động học của các phân tử hydro

Lý do tại sao hydro có hiệu quả như một chất chống oxy hóa là hydro có đặc tính vật lý là nhanh chóng đi qua màng sinh học và khuếch tán vào tế bào do phân tử nhỏ của nó. Hydro tới nhân tế bào và ty thể trong thời gian ngắn và bảo vệ DNA nhân và ty thể.2).. Ngoài ra, nó vượt qua hàng rào máu não.

Hydro trong máu hoặc các cơ quan có thể được chuyển sang pha khí và được đo bằng phương pháp sắc ký khí. Khi chuột hít phải khí hydro, lượng hydro trong máu động mạch tăng lên tùy thuộc vào nồng độ của khí hydro, và mức hydro trong máu tĩnh mạch thấp hơn trong máu động mạch. Sự khác biệt về nồng độ hydro giữa máu động mạch và tĩnh mạch cho thấy lượng hydro được hấp thụ và tiêu thụ trong mô.2).. Khi những con chuột được cho uống nước hydro bão hòa hydro, hydro được phát hiện trong máu ở mức vài µM.37,44)..

Các điện cực dành riêng cho hydro, hoặc cảm biến hydro, cũng có thể được sử dụng để theo dõi động lực của hydro trong các mô khác nhau. Ví dụ, ở cơ tim chuột, khi một điện cực được đưa vào vị trí nhồi máu và sự khuếch tán hydro vào vùng cơ tim thiếu máu cục bộ sau khi đo tắc động mạch vành, nồng độ H 2 tăng lên do khuếch tán ngay cả sau khi tắc động mạch vành. tăng lên34)(Hình 3). Khi thuốc nhỏ mắt hòa tan hydro được tiêm trực tiếp vào võng mạc của chuột và một điện cực cảm biến hydro hình kim được đưa vào thể thủy tinh qua giác mạc để theo dõi thời gian trôi qua, có thể khẳng định rằng hydro đến thể thủy tinh.41).. Ngoài ra, hydro trong gan có thể được theo dõi bằng cảm biến hydro dạng kim để đo động lực của hydro.38)..

Khi hàm lượng hydro trong hơi thở thở ra sau khi đối tượng người lớn uống nước hydro được đo bằng sắc ký khí, hàm lượng hydro trong hơi thở ra tăng lên nhanh chóng khi uống nước hydro và mức cao nhất đạt được 10 phút sau khi uống. điều đó đã giảm xuống mức cơ bản trong vòng 60 phút. Khoảng 40% lượng hydro tiêu thụ được tiêu thụ trong cơ thể, cho thấy rằng ít nhất một phần hydro ăn vào đã bị bắt giữ bởi các gốc oxy như OH.45)..

 

Còn tiếp, vui lòng xem phần tiếp theo Tác dụng của phân tử hydro và các thử nghiệm lâm sàng tại đây