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吸氢治疗癌症靠谱吗,论氢分子维护线粒体功能及其稳定性

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来源:富氢水杯 2019-06-11

有人问:吸氢治疗癌症是不是靠谱,这就要从氢分子对于癌细胞或者对于改善人体内环境有什么作用。

氢分子维护线粒体功能及其稳定性阅读要点:

●按照瓦尔堡效应,癌症的产生是细胞糖无氧酵解增强加上氧消耗量降低造成的。因此,有人认为癌症是“线粒体病”。

●线粒体是机体能量生成的“发电机”,癌细胞的线粒体,无论在其微结构还是代谢功能方面均与癌细胞存在差异。

●活性氧自由基可对线粒体蛋白质、膜和DNA形成氧化损伤,损害线粒体合成ATP的能力,对其代谢功能,包括三羧酸循环、脂肪酸氧化、尿素循环、氨基酸代谢、血红素合成产生不良影响。

●氢分子凭借其体积小、高弥散性的特点,能快速进入线粒体,保护线粒体(和细胞核)免于受急性氧化应激性损害。

关于氢气控癌,学术界一般聚焦于抗氧化和抗炎症作用。生命不仅是肉体的存在,而且依赖于能量和信息。体内生物能量的产生有赖于线粒体。线粒体在癌症发生中起什么作用?氢分子对线粒体有何影响和作用?

吸氢治疗癌症靠谱吗,论氢分子维护线粒体功能及其稳定性

一、瓦尔堡效应

德国生理学家瓦堡( Otto Warburg),在1924年提出一个观点,当线粒体功能受损后,细胞则通过增强无氧酵解来提供能量,葡萄糖代谢至丙酮酸后不再通过线粒体的三羧酸循环进行有氧氧化,而是通过乳酸脱氢酶,转变成乳酸排出细胞(见图1)。他认为癌症的产生是细胞糖无氧酵解增强加上氧消耗量降低造成的。这个观点被称为瓦尔堡效应[1]。对于这个观点,后来虽然有不少争议,但癌症与线粒体有关已被许多事实证实[2]。认识这一点,对于理解氢分子对癌症和健康的影响,有极大意义。

癌症细胞自给自足的表现

图1癌症细胞自给自足的表现。由致癌基因和肿瘤抑制突变引起的糖酵解,加速消耗烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)。丙酮酸还原为乳酸可以补充NAD+的细胞质水平,调节细胞质氧化还原对(NADH/NAD+)的平衡状态,以继续糖酵解。乳酸通过线粒体乳酸转运体(mMCT)、稳定剂CD147、线粒体乳酸脱氩酶(LDH)和细胞色赤氧化酶(COx)组成的线粒体乳酸氧化复合物(mLOC)进入线粒体,氧化成丙酮酸,然后乙酰辅酶a(A-CoA)。丙酮酸也可通过线粒体丙酮酸载体(MPC)进入线粒体,氧化成A-CoA。在糖酵解性癌症中,糖酵解的增加是幔性的,它可能耗尽糖原储存,导致糖异生蛋白水解的增加,以及谷氩酰胺水解增加细胞浆丙酮酸产生乳酸。慢性糖异生蛋白溶解和谷氨酰胺溶解增加可以解释癌症恶病质  引自: San-Millan I and Brooks GA. Carcinogenesis2017,38(2):119-133

二、什么是线粒体?

线粒体是细胞的发电机,位于细胞质内,数量很多,可以打开食物分子内部的化学键以获得能量,结构上由外膜、内膜和膜内空间组成(见图2左)。化学键由称为质子的正电荷和称为电子的负电荷组成,这些电荷紧紧地相互依赖。线粒体将电子从质子上扳走,然后通过“电子传输链”漏出电子,产生电流。这种电能被用来产生三磷酸腺苷(ATP)分子其中每个分子都含有高能磷酸键。ATP就像一个微型化学电池。细胞在需要能量时将ATP磷酸键分开。氧气在ATP装配线末端等待捕获级联电子,然后与它们结合,形成无害的副产物水。因为这个过程需要氧气并且产生高能磷酸盐键,所以它被称为“氧化磷酸化”,又称为“呼吸”(见图2右)。

氧化磷酸化

三、癌细胞的线粒体

与正常细胞相比,癌细胞的线粒体具有以下特点:

(1)每个细胞线粒体数量较少。

(2)常常畸形,内表面不光滑。

(3)关键性呼吸酶活性低。

(4)心磷脂(一种关键的线粒体脂肪)较少,而且变形。

(5)线粒体内的DNA数量少。

(6)泄漏状,电子传输链不协调,能量被消费成热量,而不是ATP。

(7)呼吸率显著低下。

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四、正常细胞和癌细胞能量生成有何差异?

正常细胞和癌细胞最重要的根本区别是它们如何产生能量。正常细胞使用复杂的呼吸过程,有效地将任何类型的营养素(脂肪、碳水化合物或蛋白质)转化为高能量。这个过程需要氧气,将食物完全分解成无害的二氧化碳和水。癌细胞使用称为“发酵”的原始过程,无效地将葡萄糖(主要来自碳水化合物)或氨基酸谷氨酰胺(来自蛋白质)转化为少量能量。这个过程不需要氧气,只能将食物分子部分分解成为有毒的废物乳酸和氨[3,4]。

如果正常细胞暂时出现氧气短缺,有时不得不采取发酵的方式。但是,当周围有足够的氧气时,没有任何细胞会选择使用发酵方式。癌细胞不同,即使周围有大量的氧气,它们仍主要使用发酵方式。这就是前已述及的瓦堡效应,被认为是癌细胞的“代谢特征”(见图3)。之所以发生上述差异,是由于癌细胞的线粒体受损[5,6]。

五、ROS引起钱粒体异常

辐射、致癌化学物质、病毒、慢性炎症等导致线粒体产生ROs,会损害呼吸,促使线粒体出现一种称为逆行反应的过程。在正常情况下,细胞核内的DNA发出命令,并将命令发送到细胞质中的线粒体。然而,如果线粒体受损,呼吸受到威胁,线粒体会向核施加信息,激活发酵基因,于是形成以发酵为主的能量生成过程(见图4)[7]。ROS对周围的分子造成严重破坏,与癌症最密切相关的一些基因(“癌基因”)被激活,肿瘤抑制基因受到抑制或突变。

ROS引起钱粒体异常

图4线粒体产生的ROS可对线粒体蛋白质、膜和DNA形成氧化损伤,损害线粒体合成ATP的能力,对其代谢功能,包括三羧酸循环、脂肪酸氧化、尿素循环、氨基酸代谢、血红素合成产生不良影响。线粒体氧化损伤时,线粒体外膜透化(MOMP),释放膜间隙蛋白例如细胞色素c(cyt c)至胞质,从而激活细胞凋亡机制。此外,线粒体ROS诱导线粒体通透性转换孔(PTP),使得内膜在局部缺血/再灌注损伤等情况下可透过小分子。正是通过以上机制,线粒体氧化損伤引起各种各样的病变。此外,线粒体ROS还可以作为可调节的氧化还原信号,可逆地影响线粒体、细胞浆和细胞核中的一系列功能的活性

六、癌症是“线粒体疾病”

线粒体损伤的结果是细胞核内DNA变得不稳定,细胞失去其独特的形状,细胞骨架及伸展蛋白(SNPH)变得混乱,并开始无法控制地复制,癌症就此形成。因此,有人将癌症称为线粒体疾病(见图5)[8]。减少线粒体损伤,保护线粒体功能,一方面可以抑制癌细胞,另方面可能保证机体有足够的能量供应,改善患者的症状和生活质量。

癌症是“线粒体疾病”

图5伸展蛋白(SNPH)在癌症中的双重功能。在良好的微环境下(左),当营养物质和氧气存在时,线粒体内外膜的高SNPH水平通过氧化磷酸化和ROS减少支持肿瘤细胞增殖,同时阻止线粒体向皮质细胞骨架转运和肿瘤细胞运动。相反,在不利的微环境中,低营养和低氧(右)会降低SNPH水平,导致ATP生成减少,ROS生成增加,并释放对线粒体运输的抑制,从而导致肿瘤细胞增殖减少,但肿瘤细胞的运动性和侵袭性增强。引自: Altieri Dc. Cell Mol Life Sci,2018

七、分子氢如何进入细胞及线体

分子氢是宇宙中最简单、最轻和最丰富的分子,其长度仅为0.74埃。分子小,使得H2可以在浓度梯度驱动下,快速透过细胞膜,转运至细胞质,再进入线粒体。这是一种非选择性的快速转运过程。在大鼠身上所做的实验表明,吸氢几分钟后心肌内氢水平立即升高[9]。除了分子大小,影响分子氢进入线粒体的另一个因素是其在细胞质和线粒体基质之间的浓度梯度。吸入的分子氢首先进入血液循环,因此,循环和细胞之间以及和线粒体之间浓度梯度越大,氢气向线粒体的递送也越快。这就是为什么在治疗疾病时,为了产生快速生物学效应,提供的氢气浓度和量不宜太小[10]。

可能影响线粒体吸收分子氢的另一个因素是其反应性,具有以下特点:

(1)理论上,分子氢可以与许多生物相关元素和化合物(例如活性和过渡金属、非金属,有机化合物)反应,但在室温下或在不存在催化剂的情况下,反应速率通常很低,以至可以忽略不计。

(2)氢分子在室温下不与氧发生反应,也不会干扰氧化还原反应。在羟基自由基(OH)存在下,分子氢的生物学反应性增加,有效地中和OH。

(3)过度消除细胞质中的OH会增加消耗氢分子,并减低其向线粒体的递送速率。

(4)体外输入的分子氢会在肝脏中与糖原一起蓄积,糖原对分子氢的积聚和逐渐释放具有独特的亲和力。由于糖原主要储存在许多细胞类型的细胞质中,碳水化合物(包括糖原)对氢的聚合能力可能对氢向线粒体的递送产生负向影响(见图6)[10]。

影响分子氢进入线粒体的因素

图6影响分子氢进入线粒体的因素。绿色表示促进作用,红色表示阻碍进入

八、分子氢保护线粒体

氢能保护线粒体和细胞核免于遭受急性氧化应激性损害。2017年塞尔维亚 Ostojic等[11]报道,分子氢对线粒体功能的帮助,包括维持线粒体膜电位、增加ATP的产生,以及减少细胞器的肿胀。氢分子通过一系列可能的机制,来维护线粒体生物能量的健全(见图7)。

分子氢保护线粒体

图7气调节线粒体生物能量的途径:(1)促进生长素释放肽释放,一方面通过一系列机制,促进氧化磷酸化,另一方面上调葡萄糖转运蛋白1的活化,促进萄萄糖摄取;(2)上调成纤维细胞生长因子21的表达,促进氧化磷酸化;(3)通过AM激活酶,促进葡萄糖转运蛋白4的活化;(4)促进磷脂酰肌醇-3-羟激酶活性;(5)通过激活肉毒毒素底物1基因,或直接促进糖原合成酶激酶基因,促进葡萄糖转运蛋白4,进而促进葡萄糖代谢 引自[31A: Ostojic SM. Theranostics, 2017, 7(5): 1330-1332.

九、线粒体调节免疫功能

美国Buck等(2016)和 Angajala等(2018)[12,13]对T细胞与线粒体功能的关系作了详细精准的论述。抗肿瘤免疫中,T细胞介导的保护性免疫占有十分重要的地位,在成年生物体中具有无与伦比的速率增殖的独特能力。一个幼稚的T细胞可以在短短几天内克隆扩展成数百万“武装”效应性T细胞。线粒体是代谢活动、抗肿瘤免疫反应和细胞死亡的重要枢纽,可以根据不同需要不断重塑其结构。效应性T细胞与点状裂开线粒体相关,而记忆性T细胞则与融合性线粒体相关,前者与肿瘤细胞一样,瓦堡效应的代谢特征依赖有氧糖酵解提供能量,后者依赖氧化磷酸化过程。一旦抗原被清除,大多数效应T细胞死亡,但长寿记忆性T细胞持续存在,在癌症复发时迅速作出反应。

2014年墨西哥 Bonifaz等[14]对抗原提呈细胞,(树突状细胞和巨噬细胞)与线粒体功能的关系作了详细论述,认为线粒体管控了这两种细胞的功能。树突状细胞是专职抗原提呈细胞,帮助和促进T细胞抗肿瘤免疫,巨噬细胞分为MI和M2型,M1型巨噬细胞在抗肿瘤免疫过程中承担着重要作用,能抑制肿瘤的生长,M2型巨噬细胞与M1型相反。但从健全的线粒体对于控制癌细胞的生长至关重要这个观点看,线粒体对机体维护正常的免疫平衡,应具有重要意义。也正是基于这一观点,氢分子显然可以通过维护线粒体功能,发挥对抗肿瘤免疫的调节作用。

结语

从治疗的角度来看,外源性氢分子应该被认为是一种有价值的生物医学制剂。癌症从某种意义上说,是一种代谢病,不是基因病。进一步研究氢分子与特定基因调节的代谢异常之间的因果关系,无疑将有助于创立癌症的革新性治疗。

徐克成 陈继冰 吕有勇 费素娟

参考文献

[1] San-Millan I and Brooks GA Reexamining cancer metabolism: lactate production for carcinogenesis could be the purpose and explanation of the Warburg Effect. Carcinogenesis, 2017, 38(2): 119-13

[2] GrazioliS and Pugin J. Mitochondrial Damage-Associated Molecular Patterns: From Inflammatory Signaling to Human Diseases. Front Immunol, 2018.9:832

[3]Zong WX, Rabinowitz JD, White E Mitochondria and Cancer. Mol Cell, 2016, 61(5): 667-676

[4] Sabharwal SS and Schumacker PT. Mitochondrial ROS in cancer: initiators, amplifiers or an Achilles heel?Nature reviews. Cancer, 2014, 14(11):709-721

[5] Murphy MP. How mitochondria produce reactive oxygen species. Biochem J, 2009, 417(1): 1-13

[6] Jia D, Park JH, Jung KH, et al. Elucidating the Metabolic Plasticity of Cancer: Mitochondrial Reprogramming and Hybrid Metabolic States. Cells, 2018, 7(3)

[7] Signorile A, Sgaramella G, Bellomo F, et al. Prohibitins: A Critical Role in Mitochondrial Functions and Implication in Diseases. Cells, 2019,8(1)

[8] Altieri DC. Mitochondrial dynamics and metastasis. Cell Mol Life Sci, 2018

[9] Ohsawa I, Ishikawa M, Takahashi K, et al. Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals. Nat Med, 2007, 13(6): 688-694

[10] Ostojic SM. Targeting molecular hydrogen to mitochondria: barriers and gateways. Pharmacol Res, 2015,94:51-53.

[11] Ostojic SM. Does H2 Alter Mitochondrial Bioenergetics via GHS-Rlalpha Activation? Theranostics, 2017,7(5):1330-1332

[12]Angajala A, Lim S, Phillips JB, et al. Diverse Roles of Mitochondria in Immune Responses: Novel Insights Into Immuno-Metabolism Front Immunol, 2018, 9: 1605

[13] Buck MD, O'Sullivan D, Klein Geltink RI, et al. Mitochondrial Dynamics Controls T Cell Fate through Metabolic Programming. Cell, 2016, 166(1): 63-76

[14] Bonifaz L, Cervantes-Silva M, Ontiveros-Dotor E, et al. A Role For Mitochondria In Antigen Processing And Presentation. Immunology, 2014.

标签:氢医学   原理  新闻

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