分子氢防护辐射损伤的分子机理探索

Since 2007, Ohsawa et al discovered that molecular hydrogen (H2) acts as an antioxidant by selectively reducing hydroxyl radicals and peroxynitrite, there have been increasing reports which support H2 as a therapeutic gas against oxidative stress-related diseases, including ionizing radiation-induced injury. However the theory of antioxidant cannot explain all phenomenon in the biology of H2, as yet people have not found any other mechanism besides the reduction of hydroxyl radicals by H2. This study is designed to investigate the underlying radioprotective mechanism of H2 through several possible ways: Firstly, the potential regular of the reactions between H2 and free radicals, and the information of the electronic structure of the H2 and free radicals; Secondly, the effect of H2 in those enzymes which catalyze the oxidation-reduction reactions; Thirdly, the role of H2 in the gene-expression regulation and the TLR4 signaling transduction. This will be the first well-designed study on the biology of H2, including free radicals, electronic structure, oxidation-reduction reaction, gene expression and the signal transduction, put forward a comprehensive interpretation in the radioprotective mechanism of H2, especially in the researches tested molecular H2 not as an antioxidant. Our country will continue to be leading in the basic research of H2 in radiation protection, and it is not an overstatement to say that hydrogen's impact on therapeutic and preventive medicine could be enormous in the future.

自2007年国际上发现分子氢具有生物活性以来，氢气对放射损伤等多种疾病的防治作用相继被研究发现，呈现出极好的发展前景。但是，对其分子机理的研究却严重滞后，多个环节基本处于认识空白，难以解释它对多种疾病的显著防治作用，成为制约它由实验研究向临床应用转化的突出问题。本项目将选择分子氢发挥辐防护作用可能涉及的一些主要环节，研究它对各类自由基影响的特点和规律，它与自由基活性分子的电子结构信息及相互作用，它对氧化-还原酶活性的影响以及抗氧化作用，它对基因表达以及TLR4信号传导途径的影响，等等。本研究将首次从自由基活性、电子结构信息、氧化-还原酶、基因和蛋白改变、信号通路等多个层次，全方位揭示分子氢辐防护作用的分子机制，尤其要弄清它抗氧化的作用环节和抗氧化以外的其他重要作用机制。以期保持我国在分子氢辐射防护研究领域的领先地位，为促进分子氢向临床应用转化和拓展研究范围提供新理论和实验依据，具有重要科学

分子氢目前已被发现并证实对放射损伤等多种疾病具有显著防治效果，呈现出极好的发展前景。但是，对其分子机理的研究却严重滞后，难以解释它对多种疾病的显著防治作用，成为制约它由实验研究向临床应用转化的突出问题。本课题在国家自然科学基金资助下，根据计划任务书要求，较为系统地进行了分子氢对多种辐射相关自由基的清除作用；研究了分子氢对机体多种重要抗氧化酶的影响；探讨了分子氢对机体重要信号通路的作用；进一步揭示了分子氢防护电离辐射损伤的分子机制。研究发现：1、分子氢对多种自由基无明显清除作用。通过不同的化学体系分别产生不同的自由基，使用电子自旋共振技术检测加入分子氢之后各种自由基含量的变化。结果发现分子氢对超氧阴离子自由基、单线态氧和DPPH自由基无明显清除作用。2、分子氢对机体内多种抗氧化酶的活性物明显影响。分别以机体内重要的抗氧化酶：超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）为研究对象，检测分子氢对它们的影响。研究发现在电离辐射条件下，分子氢能提高人肝细胞（L-02）内三种抗氧化酶的活性。3、富氢溶液对长期低剂量电离辐射所致多系统损伤具有显著防护效果。长期予以口服富氢水可以显著改善受照射小鼠的异常体重增加、异常行为学的变化、造血系统的损伤以及生殖系统的损伤。4、分子氢可以通过激活Nrf2-ARE信号通路发挥辐射防护作用。分子氢能显著提高L-02细胞内Nrf2的表达水平，通过Nrf2-siRNA下调Nrf2之后，分子氢对细胞电离辐射损伤的保护效应部分逆转，同时，细胞内抗氧化酶的水平也未见明显升高。以上结果进一步揭示了分子氢防护电离辐射损伤的机制，为分子氢作为高效低毒、成本低廉的新型辐射防护剂提供了理论基础，进一步证实了分子氢具有重要的理论价值和应用前景。本项目总体执行情况良好，以上相关研究结果已经引用本基金发表SCI论文7篇，获得上海市科技进步一等1项等奖励；受邀在国内外学术做大会报告2次； 圆满完成课题任务。