富氢血液和腹膜透析的六大医学作用

如果有一台医用高纯对吸氢气机,就很容易制作富氢透析液的。

导读:富氢透析液减轻患者血液氧化应激、减轻患者红细胞损伤、改善患者T细胞损伤、改善患者中性粒细胞损伤、改善患者高血压、提升患者血清还原型白蛋白

来源:《氢分子疗法:新兴医学技术的临床探》

氢分子疗法:新兴医学技术的临床探

肾脏是人体重要的器官,它的基本功能是通过生成尿液清除体内代谢产物及某些废物、毒物,同时经重吸收功能保留水分及其他有用物质,以调节水、电解质稳定及维护酸碱平衡,同时还有内分泌功能。肾衰竭是各种慢性肾脏疾病发展到后期引起的肾功能部分或者全部丧失的一种病理状态,是一个不可逆的过程,会引发水、电解质与酸碱平衡失调和全身多系统症状,典型症状为恶心、食欲缺乏、乏力,严重者可出现少尿、无尿、水肿现象。在我国,引起慢性肾衰竭的病因很多,慢性肾小球肾炎是导致慢性肾衰竭的主要因素,糖尿病肾病和高血压肾病在导致慢性肾衰竭的因素排位中分别居于第二位和第三位。肾脏移植是目前治疗肾脏衰竭最好的方法,但由于肾脏来源比较稀缺,很多患者无法进行此种治疗。因此现阶段肾脏衰竭最常见的治疗手段为透析疗法,常用的可分为血液透析和腹膜透析两种。

一、血液透析

血液透析简称血透,是指将患者的血液引到体外,借助血液透析机等设备充当“人工肾”,清除血液中的毒素后再将血输回人体内。血液透析本身可能会因氧化应激、细胞因子刺激而加重动脉粥样硬化和冠状动脉疾病[332];血液透析可能会刺激白细胞的活化和损伤,从而加剧氧化应激和炎症[333,334]。在进行血液透析的晚期肾病患者中发现的活性氧自由基升高可能源自补体、血小板乃至透析膜激活的白细胞[335]。白细胞中过氧化氢和次氯酸可能会氧化蛋白质和低密度脂蛋白、改变细胞膜和细胞外基质的脂质组成[336],从而导致动脉粥样硬化损伤。与次氯酸相比,细胞(如内皮细胞)接触过氧化氢时更容易发生氧化损伤[337]。然而,当与过氧化氢结合时,次氯酸会增加过氧化氢介导的氧化损伤并损害修复过程。通过降低一氧化氮的生物利用度来增加血浆过氧化氢,会损害正常的血小板抑制机制,进而可能导致人体血栓形成紊乱[338]。其他数据也提示,体外循环通过补体旁路途径激活补体并增加血浆过氧化氢[339]。活化的吞噬细胞通过释放过氧化氢和髓过氧化物酶生成次氯酸,血浆蛋白是次氯酸的主要靶标。新鲜的稀释血浆与次氯酸的反应以时间和次氯酸浓度依赖的方式产生了源自蛋白质的氮中心自由基。这些已通过电子磁共振检测到[340]。因此,通过减少血液透析诱导产生的过氧化氢和次氯酸应有助于最大限度地减少白细胞和内皮细胞的氧化损伤。为解决上述问题,我国台湾大学医学院和日本东北大学尝试采用富氢的透析液取代传统的透析液对肾衰竭患者进行治疗,并就此发表了一系列的临床报道。

1.富氢透析液减轻患者血液氧化应激

2003年,我国台湾大学医学院在透析液中加入氢气,使晚期肾病患者血浆中的氧化脂质以及炎症标志物均有降低,且心血管意外发生率得到降低[341]。这项研究招募了37名晚期肾病患者(22男15女、平均年龄为63岁),37名患者均未发生急、慢性感染,没有补充维生素C、维生素E、铁剂或抗炎药。本研究前患者常规血液透析使用标准碳酸氢盐透析计划,每周3次,每次4小时,透析期间的血液流速为每分钟250~300毫升,透析液流速为每分钟500毫升。患者随机分成两组,使用含氢和不含氢的透析液依照常规进行透析,各使用6个月。肾病患者使用常规透析液治疗后:①极低密度脂蛋白和低密度脂蛋白增加,磷脂酰胆碱氢过氧化物显著增加;②在透析过程中血浆中的甲基胍先显著减少,后从组织中反弹性渗出,导致指标变化不明显;③纤维蛋白原氧化产物水平升高,可能反映出病理条件下甚至血液透析过程中氧自由基的产生增加; ④血浆炎症因子IL-1、TNF-c和IL-6的产生都明显增加,引起血液透析相关疾病[342]。肾病患者使用富氢透析液治疗后:①纤维蛋白原氧化产物(磷脂酰胆碱氢过氧化物和甲基胍)的透析清除率增加,蛋白质结合在血液透析期间随血浆pH值升高;②纤维蛋白原氧化产物的水平明显降低;③血浆炎症因子以及C反应蛋白的含量都显著下降。总的来说,氢水具有较高的还原性和直接清除有害自由基的能力。经常规透析治疗后患者的血浆自由基(即过氧化氢和次氯酸)含量升高,而富氢透析液可部分恢复总抗氧化剂状态,并有效减少血浆自由基,部分降低脂质和蛋白质的氧化产物水平。

2.富氢透析液减轻患者红细胞损伤

血液透析时,血液与体外回路非生物材料的相互作用可以激活多形核白细胞产生一定数量的活性氧,从而损害周围的组织细胞和红细胞并引起炎症(343)。氧化应激在透析性贫血的发生和严重程度中起关键作用[344],降低了红细胞的存活率13451损害了促红细胞生成素的作用[346,347],并且由于炎症、感染和机械刺激而增加了对溶血的敏感性[348]。在氧化应激过程中,红细胞易受膜脂质过氧化作用并被破坏[349]氧自由基升高会氧化氧合血红蛋白,产生过氧化氢和高铁血红蛋白,进而导致贫血组织缺乏氧气供应[350]、内皮细胞增殖停滞和凋亡[351]。红细胞膜上存在跨质膜电子传输系统,具有将细胞毒性铁氰化物/高铁血红蛋白还原为功能性亚铁氰化物/氧合血红蛋白的作用[352]静脉内注射维生素C或维生素E可通过保留NADH-铁氰化物还原酶和NADH-高铁血红蛋白还原酶来改善脂质过氧化和溶血作用[343]。

2006年,我国台湾大学医学院招募了98名晚期肾病患者,随机分为4组:25人作为阴性对照组进行常规透析治疗;15人作为阳性对照1组静脉注射维生素C;15人作为阳性对照2组用维生素涂层的透析管道进行透析治疗;43人作为试验组用富氢透析液进行透析[353]。所有患者的治疗时间均为6个月,试验结束后组间疗效对比结果如下:①透析期间3个对照组患者的血液氧自由基(自由基主要来自过氧化氢)活性平均增加15倍,而试验组患者的血液氧自由基活性增加仅为对照组的1/4。这表明氢气可以抑制过氧化氢的活性。②与阴性对照组相比,2个阳性对照组的患者血液中的自由基含量分别减少了83%和49%。③在阴性对照组中,患者透析后血浆维生素C和总抗氧化剂状态显著降低,表明常规透析可引起急性氧化应激和血浆维生素C的急性损失;阳性对照1组和试验组中,患者血浆维生素C和总抗氧化剂状态都显著增加,阳性对照2组无此效果。④在阳性对照1组中发现患者的血清草酸盐浓度有增加趋势,其他3组患者的血清草酸盐浓度均无显著变化。这表明长期静脉输注维生素C可能产生不利的副作用;在所有4个组中,患者血浆维生素E浓度均无显著变化。⑤在进行透析的所有组中,单次透析并不会影响患者的血脂水平。⑥阴性对照组患者血浆和红细胞膜上磷脂酰胆碱氢过氧化物都显著增加,阳性对照组患者的磷脂酰胆碱氢过氧化物水平都明显降低,试验组降低更加显著。⑦透析组中单次透析可抑制患者红细胞中NADH-高铁血红蛋白还原酶和NADH-铁氰化物还原酶的活性, 并提高血浆高铁血红蛋白水平;阳性对照组和试验组可显著保留患者红细胞铁氰化物还原酶和红细胞高铁血红蛋白还原酶的活性,并降低患者因透析提高的高铁血红蛋白水平,提示氢分子可有效预防红细胞的氧化应激。⑧参与研究的患者中有的43例贫血患者,给予相似剂量的促红细胞生成素,对照组没有显示效果,而试验组效果较好。⑨试验组患者血清中对炎症反应至关重要的26种血浆细胞因子都出现下调。总的来说,氢分子可有效缓解透析诱发的氧化应激(如溶血和脂质过氧化),增加血细胞比容,改善促红细胞生成素反应性以及下调促炎性细胞因子。

3.富氢透析液改善患者T细胞损伤

透析治疗引发的氧化应激加剧和促炎性细胞因子释放会导致患者的免疫力下降,具体表现为T细胞寿命缩短[354]、调节性T细胞增多引起淋巴细胞杀伤功能降低[355]、淋巴细胞增殖能力减弱[356],继而引发对疫苗的反应受损[357]、反复感染、恶性肿瘤发生率增加等。与健康受试者相比,慢性肾衰竭患者外周血中辅助性T细胞占T细胞总数的比例增加[358]。

我国台湾大学医学院某研究小组2010年检测了使用富氢透析液治疗12个月的治疗效果,重点关注T细胞凋亡、标志物表达以及细胞内细胞因子比例等指标以评价氢气对T淋巴细胞的保护作用[359]。共入组42名晚期肾病患者,平均年龄为57岁,均不吸烟、无恶性肿瘤、无慢性或急性感染、无日常补充维生素C和维生素E以及铁剂。治疗前、后的外周血淋巴细胞检测结果如下:①治疗前患者外周血T细胞中凋亡和坏死比例明显高于健康人,使用富氢透析液治疗后凋亡和坏死T细胞比例明显降低,第6个月接近健康人水平;②治疗前患者辅助性和杀伤性T细胞计数均低于健康人,使用富氢透析液治疗可轻度增加患者杀伤性T细胞的数量,停止治疗6个月后辅助性和杀伤性T细胞计数趋于下降;③治疗前患者调节性T细胞比例显著高于健康人,增殖期T细胞比例显著低于健康人,使用富氢透析液治疗1年后患者的两种指标均接近健康人;④治疗前患者外周血中细胞因子的缺陷情况与淋巴细胞类似、在研究结束后均可以得到有效逆转。该研究中发现的传统透析患者的免疫缺陷,与日本群马大学医学院的报道相一致[360]。总的来说,使用富氢透析液治疗12个月可增加患者外周血T细胞数量和功能, 并调节Th1/Th2和Tc1/Tc2细胞内细胞因子比例使其接近正常状态。

4.富透析液改善患者中性粒细胞损伤

日本东北大学开发了一种在肾透析液中加氢的水电解技术[361-363],经过电解水一反渗透水一透析液三个流程,其中氢气浓度分别为210毫克/升、163毫克/升和48毫克/升。它对IL-6、C反应蛋白、单核细胞趋化蛋白1、趋化因子配体2以及髓过氧化物酶具有抑制作用,可减少淋巴细胞的氧化损伤,改善人血白蛋白的氧化还原状态。2008年日本东北大学发现透析患者的血浆甲基乙二醛水平升高[364]。甲基乙二醛是产生于细胞代谢过程中的人体内源性化合物,具有很高的反应性和生物毒性[365,366]。2008年日本东北大学证明了甲基乙二醛结合过氧化氢会增强对中性粒细胞的损伤[367],这可能与透析患者微炎症的病理机制有关。

2009年日本东北大学使用富氢透析液治疗方案,观察富氢透析液是否可以减轻对血液中粒细胞的损伤[362]。共人组8名患者,6男2女,平均年龄为65岁。所有患者每周接受3次血液透析治疗,每次4小时(6人)或5小时(2人);所有人先使用常规透析液治疗1个月(作为对照组),然后使用富氢透析液治疗1个月(作为试验组)。两种方案治疗期间均未观察到不良症状。在对照组中发现中性粒细胞的活力降低与甲基乙二醛水平有关,并且在刺激剂存在下,甲基乙二醛的毒性进一步增加。与对照组相比,试验组的基础细胞生存力得到更好的保存。此外,与对照组相比,试验组中甲基乙二醛引起中性粒细胞的损伤有所减轻;试验组的中性粒细胞中通过生理性呼吸爆发产生的超氧阴离子明显高于对照组。这些发现表明,与对照组相比,氢气的应用不会破坏中性粒细胞,而是有益于提高中性粒细胞的生存活力。

5.富氢透析液改善患者高血压

对血液透析患者进行抗高血压治疗的两项分析证明了高血压控制对患者预后的临床意义[368,369]。目前透析患者高血压治疗的策略包括服用抗高血压药、减少干重(细胞外液量)[370]、每日短期透析[371]或夜间透析[372]。

2010年日本东北大学报道了21位同时患有高血压的肾衰竭患者的治疗结果,主要研究血压的变化情况[363]。在治疗期间,透析液中的氢气水平未发现明显变化,透析期间血液中和呼出空气中的氢气量显著增加(平均62毫克/升),表明氢气由透析液输送到人体。在研究过程中未发现不良症状或体征。在透析6个月期间,患者血液检测指标变化情况如下:①部分患者收缩压恢复正常,初次透析后占比19%,6个月为62%;②在研究开始时19人正在服用降压药,在研究过程中1人可以停药,其余仍继续服药直至研究结束;③12名缺铁性贫血患者补充铁剂和红细胞生成刺激剂,治疗过程中4人贫血症状加重,4人减轻,说明整体贫血症状在6个月内未见恶化;④除了血液尿素氮和肌酐水平略有提高(可能归因于某些食欲增加的患者蛋白质摄入量的增加和肌酐的产生)外,肾功能参数均未见明显变化;⑤在血浆氧化和炎性标志物方面, 未观察到8-OHdG的变化(透析患者的铁超负荷可导致血浆中8-0HdG水平升高, 反映出铁对DNA的氧化损伤[373,374] ) , 但发现单核细胞趋化蛋白1[375,376]和N端脑钠肽[377](均与心血管意外发生率呈正相关)、髓过氧化物酶[378](与患者死亡风险正相关)水平均显著下降、能反映出患者炎症过程的抑制和中性粒细胞损伤的激少,表明该系统在炎症增强患者中的可能治疗作用。富氧透析液的抗高血压作用机制可能是由于气的强大抗氧化能力,它抑制了患者体内的氧自由基和过氧亚硝酸盐。氧化应激与炎症之间存在病理相互作用,激活NF-kB,产生趋化因子和细胞因子,从而导致巨噬细胞激活。这增加了活性氧的产生,减少了抗氧化剂的利用并增加了氧化应激[379]。在实验性肾衰竭模型中,氧化应激与高血压之间存在因果关系[380,381], 心血管组织中NADPH氧化酶的上调以及氧化应激导致一氧化氮利用率降低,包括一氧化氮产生减少和伴随一氧化氮灭活增加过氧亚硝酸盐(一种有效的血管收缩剂)的生产。一氧化氮缺乏症会增加交感神经活动,降低血管舒张力并促进动脉壁重塑,导致尿毒症高血压[379]。氢气在透析溶液中传递,并与羟基自由基反应生成水和氢原子,从而进一步抑制自由基活化。因此,本研究结果以及由氧化应激导致高血压发展的潜在机制表明,一氧化氮的生物利用度的变化可能与使用富氢透析液患者高血压的改善有关。

接受血液透析治疗的患者中,氧化应激的增强和炎症对心血管疾病的发生起着至关重要的作用[382]。多种补充治疗方法可以改善这种病理状况,例如大剂量维生素E治疗[383]、无内毒素超纯透析液的应用以及乙酰半胱氨酸的处方[384]。目前仍然缺乏直接抑制炎症和氧化应激的临床可用药物。与透析相关的疲劳在40%~80%的患者中普遍存在[385],疲劳[386]和瘙痒[387]均会降低日常生活能力和生活质量,并且是导致晚期肾病患者死亡的独立风险因素。2017年日本东北大学报道了一份包含262名患者的长达12个月的长期随访结果[388],主要观察高血压情况。试验组140人,使用富氢透析液(浓度为30~80微克/升)治疗;对照组122人,使用常规透析液治疗。试验开始前组间血压无明显差别,60%的受试者有一定程度的疲劳,40%的受试者有一定程度的瘙痒。所有患者每周均治疗3次,每次4~5小时。治疗1年后:①两组之间的血清肌酐和β2-微球蛋白差异有统计学意义。②在透析参数、体重(表明血压降低的主要机制不能归因于体液量的变化)、人血白蛋白和C反应蛋白水平方面,没有发现临床相关意义。③在血红蛋白水平、铁剂量和促红细胞生成剂方面没有发现临床上的显著差异。④由于专科医生随时调节降压药物,因此两组透析前、后收缩压/舒张压差异无统计学意义。⑤与治疗前相比,患者每日服用降血压药物的标准化剂量如下:试验组在第0、第6和第12个月每日服用降血压药物的标准化剂量分别为0.64、57和0.7,对照组在第0、第6和第12个月每日服用降血压药物的标准化剂量分别为.0、1.33和1.50;试验组的降压药物有显著变化(表明氢气对血压升高具有缓解作用,可以减少降压药物的使用剂量),而对照组没有发现变化。⑥试验组内曾出现严重疲劳的患者均自感明显缓解(比例降为20%),而对照组此类患者无明显变化。⑦试验组内患者出现瘙痒的程度和频率均明显减轻(比例接近0%),而对照组此类患者无明显变化。透析患者的疲劳和瘙痒的确切病理生理机制与氧化应激和炎症的增强有关。具体来说,抗高血压药(例如某些钙通道拮抗剂和血管紧张素抑制剂)能够降低患者的血压和氧化应激标志物[389],提高患者血清IL-6水平[390]。在上述日本东北大学2017年的研究中,两组中服用抗高血压药的患者比例无差异,因此可以认为氢气在抑制炎症中起作用,有可能直接或间接导致与炎症过程有关的临床症状改善。

为了进一步验证前期取得的临床结论,日本东北大学于2018年报道了大样本和长期追踪的研究结果[391]。2011年4月至2012年10月共人组了309名患者,148人分配到对照组(使用常规透析液),161人分配到试验组(使用富氢透析液);所有受试者每周均透析3次,每次4~5小时。试验开始前两组患者的肾功能类似(透析后血液尿素氮减少率均为70%),血压及降压药物使用剂量、血液指标和瘙痒程度也无统计学差异。治疗1年后试验组的疲劳等级、降压药物使用剂量均显著低于对照组。在3.3年的观察期内:①两组的主要血液参数未见明显差别;所有患者共发生91起心血管意外,试验组(41起)明显低于对照组(50起)。②试验组的疲劳等级、高血压患者的舒张压、降压药物使用剂量均显著低于对照组,差别比治疗1年后的结果更加显著。血压降低的主要机制可能与血管舒张或血管阻力降低有关:肠系膜动脉构成用于血压调节的主要阻力动脉床,小动脉阻力的增加也会使动脉血压升高,而肠系膜动静脉张力的增加将由静脉容量的降低而引起心脏静脉回流和心脏负荷的增加[392,393]这两种病理过程的结合导致严重的心脏负荷。

2012年澳大利亚莫纳什大学的研究表明,2型趋化因子受体阻滞抑制了血管巨噬细胞浸润并降低了血压[394]。在该课题组2010年的研究中观察到试验组患者的单核细胞趋化蛋白-1减少,有可能推测氢气对患者巨噬细胞的可能作用。富氢透析液是激活驻留性巨噬细胞还是激活外源性巨噬细胞浸润肠系膜血管区域的问题需要解决。

6.富氢透析液提升患者血清还原型白蛋白

日本福岛医科大学于2014年研究人血白蛋白(氧化应激的标志物)的氧化还原状态的变化,以阐明富氢透析液在改善氧化应激方面的潜在益处[395]。2012年11一12月,人组8名患者,3男5女,平均年龄为58岁,平均患病时间为111个月。参与者均不服食维生素C或维生素E等抗氧化剂。治疗过程使用高通量生物相容性膜透析仪(图16),进行标准碳酸氢盐透析治疗,每周3次,每次4小时。将每周第二次透析时的透析液换成富氢透析液,此时为试验组,不换时为对照组;每周第二次透析时,开始后5分钟和结束前5分钟从透析设备的人口和出口获取血液样品用于检测。对照组透析液和血液中的氢气水平始终<1微克/升;试验组透析液的氢气水平为50微克/升左右,血液出口的氢气水平大于入口,表明氢气通过透析膜有效地转移到血液中。

血液透析系统示意图

图16血液透析系统示意图(395)

注:图中箭头所示方向为血液流动方向。

两组透析后血清抗氧化剂的变化情况如下:①两组患者血清总体和还原型谷胱甘肽(一种常见的血浆抗氧化剂)水平均显著下降,表明透析会显著降低血清抗氧化能力;②两组患者血清过氧化氢水平均显著上升,说明在透析器内存在单核细胞和中性粒细胞激活;③两组患者血清总白蛋白(另一种常见的血浆抗氧化剂)水平均显著降低,是透析降低血清抗氧化能力的另一个证据(与该课题组既往报道一致[396,397]),但试验组患者血清还原型白蛋白增加,表明氢气可以部分缓解透析带来的氧化应激升高。总之,在肾脏透析液中添加氢气可减少透析器内的氧化应激,血清抗氧化能力增强的最直接好处是降低心血管疾病的发病率。

二、腹膜透析

腹膜透析也是治疗终末期肾脏病患者的有效肾脏替代治疗方式之一,原理是利用具有良好的弥散、渗透、分泌和吸收功能的腹膜作为生物性半渗透膜,通过弥散和超滤作用,使体内蓄积的代谢产物和过多的电解质随透析液排出体外,俗称“洗肚”。腹膜透析与血液透析各有所长,相对来说腹膜透析更为简单,不需要特殊的设备,在基层医院和家庭中都可以应用。腹膜退化是腹膜透析治疗的最严重并发症之一,会导致超滤失败和包囊性腹膜硬化。

随着腹膜透析持续时间的增加,腹膜退化的风险也会增加[398]。在日本,接受腹膜透析超过8年的患者中有40%以上由于腹膜损伤而被迫停止治疗[399]。腹膜损伤的病理机制主要是甲基乙二醛等羰基化合物的作用,其快速且非选择性的氧化性质[400]]能产生有毒的活性氧自由基并直接损伤腹膜。氧化应激参与腹膜退化的机制包括患者腹膜活检标本中的8-OhdG在细胞质高表达、蛋白激酶C信号放大和纤维连接蛋白表达升高等[401]。Gunal等人在腹膜透析大鼠模型中的研究表明,口服抗氧化剂曲美他嗪可抑制腹膜的形态和腹膜透析功能退化[402)。

日本的福岛医科大学利用氢分子抗氧化的特性在该领域做了较多的工作和研究,成果报道如下:

日本福岛医科大学于2013年研究了富氢透析液对腹膜退化的保护作用[403]。该研究入组了6名男性患者,平均年龄为55岁,既往使用腹膜透析平均时间为39个月,腹膜透析使用的透析液为中性低葡萄糖降解终产物溶液,每天3~4袋。所有受试者先接受2周常规透析液治疗(作为对照组),然后接受2周富氢透析液治疗(作为试验组),对比结果为组间血压、心率均无差别。试验组治疗60分钟时的呼气氢浓度显著高于对照组,试验组治疗后即刻和15分钟的呼气氢气浓度(分别为22.7毫克/升和15.3毫克/升)显著高于治疗前,表明通过腹膜导人氢气可以很快扩散至全身(可能通过腹部淋巴引流募集进入全身循环),具有局部和全身治疗氧化应激的潜力。另外,腹膜导人氢气后,人血白蛋白水平显著提高,可能的机制是氢气直接降低了细胞毒性羟基的水平[5]、调节了特定的金属蛋白或金属蛋白-氢相互作用[404]等。总的来说,富氢腹膜透析液可能在腹膜保护方面具有应用价值,而无任何有害作用

 参考文献:省略

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