Водород: новый медицинский газ

Авторы

Д-р. Киндзы Охно – профессор департамента нейрогенетики и биоинформатики Nagoya University Graduate School of Medicine.

Д-р. Микако Ито – профессор департамента нейрогенетики Nagoya University School of Medicine.

Д-р. Масатоши Ичихара – профессор департамента биомедицинских наук College of Life and Health Sciences и Chubu University.

Перевод: Анастасия Сердюк
Ссылка на оригинал “Hydrogen: an emerging medical gas”.

Вступление

Молекулярный водород привлекает значительное внимание исследователей, ученых и врачей всего мира в связи с обнаруженным терапевтическим потенциалом [1].

Одно из первых изданий об использовании водорода в качестве медицинского газа было опубликовано в 1975 году д-р. Доулом и его коллегами из Университета Бэйлор и Техасского университета A&M [2]. Они опубликовали в журнале Science статью о том,  что гипербарическая водородная терапия была эффективна для уменьшения меланомы у мышей.

Однако интерес к водородной терапии начал расти только после 2007 года, когда было продемонстрировано, что водородные ингаляции (при уровнях ниже предела воспламеняемости 4,6%) и употребление воды, обогащенной молекулярным водородом, оказывает терапевтическое воздействие на организм [3]. Эти данные показывают, что водород имеет непосредственное медицинское и клиническое применение [4].

Клинические исследования

В 2007 году команда доктора Охты сообщила в журнале Nature Medicine [3] о том, что ингаляции водородом значительно уменьшают объемы поражения головного мозга при ишемическом инсульте, вызванном окклюзией средней мозговой артерии в модели болезни у крыс с синдромом ишемии-реперфузии. Водород оказался более эффективным, чем эдаравон, препарат одобренный клиническими исследованиями для лечения последствий ишемического инсульта.

Авторы также продемонстрировали, что водород избирательно снижает уровни токсичных гидроксильных радикалов в средах для культивирования клеток, но не реагирует с другими физиологически важными активными формами кислорода.

Существующие исследования влияния водорода на организм предполагают, что водород обладает терапевтическим потенциалом в более чем 170 различных моделях болезней человека и животных [5].

Действие водорода осуществляется посредством:

✅модуляции сигнальной трансдукции;

✅фосфорилирования белка;

✅экспрессии генов [4].

Идея использования газа в терапевтических целях не нова. Например, биологически активные газы как монооксид углерода (CO), сероводород (H2S) и, конечно, оксид азота (NO) изначально были высмеяны скептиками, но позже за это исследование была присуждена Нобелевская премия [6].

Тем не менее, все еще трудно поверить, что H2 может оказывать какое-либо биологическое воздействие на организм, поскольку в отличие от других газов, водород. Он – неактивный, неполярный, летучий нейтральный газ [7].

В то же время, с эволюционной точки зрения не странно, что молекулярный водород может оказывать биологическое воздействие на организм [8]. Помимо своей роли в происхождении Вселенной, водород также участвовал в зарождении жизни и играл активную роль в эволюции эукариот [9].

За миллионы лет эволюции растения и животные развили взаимную связь с бактериями, вырабатывающими водород, что привело к образованию молекулярного водорода в эукариотических системах. Не исключено, что эукариоты могли развить чувствительность к молекулярному водороду за миллионы лет эволюции [10].

Методы введения водорода

Существует несколько методов с помощью которых организм может получить водород:

✅водородные ингаляции – можно дышать водородом [11];

✅пить, обогащенную водородом, воду [12];

✅применять водородный раствор для гемодиализа [13];

✅вводить водородный физиологический раствор с помощью внутривенной инъекции [14];

✅использовать наружно (ванны, душ и крема);

✅принимать таблетки, продуцирующие водород;

✅принимать пребиотики для продуцирующих водород кишечных бактерий [16];

✅другие методы [15].

Фармакокинетика

Уникальные физико-химические свойства водорода – гидрофобность, нейтральность, размер, малая масса и т. д. позволяют ему быстро проникать через биомембраны и достигать клеточных компартментов (митохондрий, ядра и т. д.) где он оказывает терапевтическое воздействие [15].

Хотя различные медицинские клиники в Японии используют внутривенную инъекцию для введения водородного физиологического раствора, наиболее распространенными методами получения водорода являются ингаляции и употребление обогащенной водородом воды.

В статье, опубликованной в Nature’s Scientific Reports [18], сравнили разные методы введения водорода: ингаляцию, инъекцию и употребление водородной воды с разной концентрацией водорода. Основываясь на этом и других исследованиях, можно кратко суммировать фармакокинетику водородных ингаляций и употребления обогащенной водородом воды.

 

Водородные ингаляции

Для ингаляций обычно используется газообразный водород (2-4% во вдыхаемом воздухе), потому что это ниже уровня воспламеняемости. В некоторых исследованиях используется смесь 66,7% водорода и 33,3% кислорода. Этот метод, также эффективен, но смесь легко воспламеняется.

С помощью ингаляции молекулярный водород достигает пикового уровня концентрации в плазме крови примерно через 30 минут. После прекращения ингаляции снижение концентрации до исходного уровня происходит примерно через 60 минут.

 

Употребление водородной воды, обогащенной водородом воды

Концентрация водорода в воде при стандартных условиях для температуры и давления составляет 1,6 ppm (1,6 мг/л). Обычная вода (водопроводная, отфильтрованная, бутилированная и т. д.) содержит менее 0,0000002 ppm, что значительно ниже терапевтической концентрации. Концентрация 1,6 ppm легко достигается многими методами, такими как сатурация газообразного водорода.

Из-за низкой молярной массы, в дозе 1,6 мг/л содержится больше молекул водорода, чем молекул витамина С в 100 мг чистого витамина С (т.е. 1,6 мг H2 имеет 0,8 мМ H2, а 100 мг витамина С имеет 0,57 мМ витамина С).

Период “полураспада”, то есть уменьшения концентрации Н2 в 2 раза, водородной воды меньше, чем у других насыщенных газом напитков (газированной или насыщенной кислородом воды), но терапевтическая концентрация водородной воды может сохраняться в течении достаточно длительного времени.

Концентрация водорода в плазме крови и выдыхаемом воздухе повышается до пиковых уровней в течении 5-15 мин после употребления водородной воды в зависимости от концентрации водорода. Увеличение концентрации водорода в выдыхаемом воздухе является показателем того, что водород проникает через слизистые в кровь, и выводится через легкие. Концентрация водорода в крови и воздухе возвращается к исходному уровню через 45-90 минут в зависимости от принятой дозы.

Антиоксидантный эффект

Доказано, что благотворное влияние водорода на организм обусловлено его антиоксидантными свойствами – избирательной нейтрализацией свободных радикалов [3]. Хотя водород и нейтрализует свободные радикалы, как было показано в различных исследованиях [3, 21, 22],  это объясняет  не все механизмы воздействия водорода на организм [23].

Например, в двойном слепом плацебо-контролируемом исследовании при ревматоидном артрите [24] водород имел остаточный эффект. Водород продолжал уменьшать симптомы болезни в течении четырех недель после прекращения введения [24].

Многие исследования клеток также показывают, что предварительная обработка водородом оказывает положительное влияние, даже когда реагент (токсин, радиация, повреждение и т. д.) воздействует после того, как весь водород вышел из организма [25, 26, 27]. Если бы механизм воздействия водорода был связан только с нейтрализацией свободных радикалов, то эффект от водородных ингаляций был бы более выраженный, чем от употребления водородной воды, но это не всегда так [29, 30].

В действительности, водород селективный. Он является  выборочным антиоксидантом, который нейтрализует реактивные формы кислорода и не нарушает важные биологические сигнальные молекулы. Исследование метаболического индикатора [31] с использованием дейтериевого газа показало, что в физиологических условиях газ дейтерий окисляется, а скорость окисления водорода возрастает с увеличением количества окислительного стресса [32].

 

Путь NRF2

В отличие от обычных антиоксидантов [34], водород обладает способностью снижать окислительный стресс [23] только в условиях, когда клетка испытывает аномально высокие уровни окислительного стресса, которые могут быть вредными для нее.

Одним из механизмов, который использует молекулярный водород для защиты организма от окислительного стресса является активация системы Nrf2-Keap1. Это приводит к выработке различных цитопротекторных белков, таких как глутатион, каталаза, супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза, гем-1-оксигеназа и т. д.[35, 36]. Водород активирует путь Nrf2 только при шоке (интокскации, ране и т. д.) [40], а не действует постоянно, что могло бы быть вредным для организма [42, 43].

 

Модуляция клеток

Помимо нейтрализации гидроксильных радикалов и активации пути Nrf2, водород снижает уровень окислительного стресса посредством модуляции функциональной активности клеток [5] и подавления свободных радикалов [44].

Способность водорода оказывать противовоспалительное и антиаллергическое воздействие объясняется его способностью модулировать клетки. Молекулярный водород подавляет провоспалительные цитокины (например, IL-1, IL-6, IL-8 и т. д.) [46] и ослабляет активацию медиаторов воспаления [5].

Кроме того, водород оказывает благотворное влияние на метаболизм, увеличивая экспрессию генов FGF21 [52], PGC-1a, PPARa [53] и многих других [54]. Водород также позитивно влияет на вторичные мессенджеры или факторы транскрипции, такие как грелин [55], протеинкиназу C [57], гемоцитобласт [58], сиртуин [62] и на многие другие.

Использование водорода в медицине

Интерес к водороду как медицинскому газу растет, так как он имеет непосредственное применение в медицине и может стать эффективной помощью во многих нынешних кризисах в области здравоохранения [65, 66]. Д-р. Диксон и его коллеги из Университета Лома-Линда сообщили, что водород обладает потенциалом лечения 8 из 10 заболеваний с фатальным исходом, которые перечислены центрами по контролю и профилактике заболеваний США [67].

Доктор Бэнкс из штата Вашингтон сообщил, что употребление водородной воды защищает от нейродегенеративных изменений, вызванных черепно-мозговыми травмами в исследовании мышей [68]. Их результаты показывают, что введение водорода уменьшает отек мозга, блокирует патологическую экспрессию тау-белка и помогает поддерживать уровень АТФ.

Многие люди сообщают об отличных эффектах водородной терапии: от обезболивающего и противовоспалительного эффекта до нормализации уровня глюкозы и холестерина. В то же время, другие могут не заметить наблюдаемые улучшения, так как водород – не мощное лекарство и только помогает вернуть клетку обратно в гомеостаз, не вызывая побочных эффектов.

Исследование воздействия водорода на человека

Проведено более 40 исследований воздействия водородной воды на человека. Исследования показывают, что употребление водородной воды полезно при метаболическом синдроме [71], диабете [72] и гиперлипидемии [73, 74].

Плацебо-контролируемое клиническое исследование, которое длилось 1 год, показало, что водородная вода уменьшает симптомы болезни Паркинсона. Другие клинические исследования показывают положительный эффект водорода:

• при ревматоидном артрите [76],
• митохондриальной дисфункции [77],
• для повышения эффективности физических упражнений [78],
• для быстрого восстановления после тренировок [79],
• при заживлении ран [82],
• для снижения окислительного стресса при хроническом гепатите В [83],
• для улучшения кровотока [84],
• при периодонтите [85]
• и при диализе [87].

Также отмечалось улучшение качества жизни пациентов, получающих лучевую терапию при онкологии [88].

Клинические исследования болезней и механизмов воздействия водорода на организм особенно актуальны, поскольку молекулярный водород абсолютно безопасен и не имеет побочных эффектов и это делает его применение в медицине особенно ценным [89].

Безопасность водорода

Водород естественным образом вырабатывается микрофлорой кишечника при переваривании волокон. Исследование, проведенное в Университете Флориды и Институте Форсайт в Бостоне подтвердило, что водород, который вырабатывают бактерии, оказывает терапевтическое воздействие на организм [91]. Восстановление кишечной микробиоты с помощью бактерии E. coli, продуцирующей H2, защищает от индуцированного конканвалином гепатита А.

Другие исследования показывают, что водород, вырабатываемый от введения акарбозы имеет терапевтический эффект на организм [92]. Это объясняет, почему клиническое исследование из журнала Journal of American Medical Association (JAMA) обнаружило значительное снижение сердечно-сосудистых заболеваний у пациентов принимающих акарбозу [93]. Эти исследования демонстрируют терапевтический эффект и безопасность молекулярного водорода.

Водород – естественное вещество для нашего организма, поскольку наш организм сам вырабатывает его в результате нормального обмена веществ [1].

Газообразный водород используется в глубоководных погружениях с 1940-х годов для предотвращения декомпрессионной болезни [95]. Исследования глубоководных погружений показали, что ингаляции водородом имеют терапевтическое воздействие на организм без побочных эффектов.

Сотни исследований воздействия водорода на организм не обнаружили вредных побочных эффектов при введении водорода в терапевтической концентрации.

Будущие направления

Цель института Molecular Hydrogen Institute (MHI) – содействовать научным исследованиям, образованию и повышению осведомленности о водороде как терапевтическом медицинском газе.

Редко можно найти лечение, которое имеет как высокий терапевтический потенциал, так и высокий профиль безопасности; водород, похоже, соответствует этой комбинации [23]. С осознанием того, что водород безопасен и эффективен, возникает понимание на сколько важно продвигать исследования водорода в медицине.