氢气加维生素E对心脏辐射损伤的保护作用机制
氢气加维生素E对心脏辐射损伤的保护作用机制
氢气和维生素E作为抗氧化剂，对心脏辐射损伤具有保护作用。欧洲学者Jan等的新研究通过动物实验模型，探讨了氢气和维生素E对心脏辐射损伤的保护机制，发现这两种物质均能上调心脏中的connexin-43和PKCε蛋白水平，为心脏辐射损伤的防治提供了新的思路。
研究背景
氧化应激和炎症是危害心血管健康的关键因素，它们可以增加心脏对恶性心律失常的敏感性。氧化还原紊乱和活性氧（ROS）水平升高会改变心肌离子通道和间隙连接connexin通道的功能，并扰乱Ca2+的处理。因此，心脏的电稳定性降低，更容易在结构重塑导致的心律失常基质存在的情况下发展成恶性心律失常。
许多具有抗心律失常特性的心脏保护化合物也是有效的抗氧化和/或抗炎剂。这与有效针对线粒体的抗氧化疗法来对抗心律失常的概念相吻合。因此，确定ROS下游影响心律失常的目标，例如connexin-43 (Cx43)，可能会产生有效的抗心律失常疗法。
实验设计
本研究使用3个月大的雄性Wistar大鼠，随机分为6组：
- 完整大鼠
- 用氢气处理的完整大鼠（吸入室中4%氢气，每天3次，每次30分钟）
- 补充维生素E的完整大鼠（体重30mg/kg）
- 单次接受10Gy剂量照射后的辐射大鼠
- 用氢气治疗的辐射大鼠
- 用维生素E治疗的辐射大鼠
在辐射后9天使用左心室心肌进行分析。
实验结果
组织学检查
如图9.1所示，在辐射后9天，光镜检查未发现左心室心肌细胞明显的结构损伤或多形核白细胞浸润增强，后者有炎症发生。
图9.1实验大鼠左心室代表性组织学图像，经过HE染色。与完整对照大鼠心脏相比，无论是对辐射的反应还是治疗，心肌细胞或细胞外间隙的结构均无明显改变。C - 完整对照组，H - 氢气治疗组，E - 维生素E治疗组，IR - 辐射组，IR H - 辐射加氢气治疗组，IR E - 辐射加维生素E治疗组。比例尺代表100 μm。
毛细血管功能和密度
然而，辐射后的大鼠心脏显示出碱性磷酸酶活性以及动脉毛细管网密度的显著降低，如图9.2所示。用氢气治疗辐射后的大鼠增加了毛细管密度并保持了碱性磷酸酶活性，而维生素E则没有这种效果。
图9.2实验大鼠左心室动脉毛细管中碱性磷酸酶活性的代表性显微图像。与完整对照大鼠心脏相比，辐射后明显降低了活性，而氢气治疗后有增加的趋势。C - 完整对照组，H - 氢气治疗组，E - 维生素E治疗组，IR - 辐射组，IR H - 辐射加氢气治疗组，IR E - 辐射加维生素E治疗组。比例尺代表100 μm。
此外，如图9.3所示，辐射后导致静脉部分毛细管网中二肽基肽酶-4活性显著下降。用氢气或维生素E治疗完整和辐射后的大鼠均不影响二肽基肽酶-4的活性。
图 9.3代表性显微图像展示了实验大鼠左心室静脉毛细管中二肽基肽酶-4的活性。与完整对照大鼠心脏相比，辐射导致酶活性显著降低，而治疗并未对此产生影响。C - 完整对照组，H - 氢气治疗组，E - 维生素E治疗组，IR - 辐射组，IR H - 辐射加氢气治疗组，IR E - 辐射加维生素E治疗组。比例尺代表100 μm。
Cx43表达和磷酸化
图9.4展示了Cx43拓扑的代表性免疫荧光图像。无论实验组如何，Cx43在横纹盘处有明显的极性分布，在心肌细胞的侧面分布较少。然而，辐射和氢气处理似乎增强了Cx43的阳性标记。
图9.4实验大鼠左心室Cx43拓扑结构的代表性免疫荧光图像。注意Cx43在横纹盘（长箭头）的普遍分布，而在心肌细胞的侧面（短箭头）则不那么频繁，这在完整大鼠中是显而易见的。在辐射后的大鼠心脏中，Cx43的免疫标记增强，但在治疗过的大鼠中程度较小。C - 完整对照组，H - 氢气治疗组，E - 维生素E治疗组，I - 辐射组，IH - 辐射加氢气治疗组，IE - 辐射加维生素E治疗组。比例尺代表100 μm。
图9.5展示了实验大鼠左心室组织中总Cx43蛋白及其功能性磷酸化形式的定量西方印迹分析。辐射后9天，Cx43蛋白水平没有显著变化。令人惊讶的是，无论是氢气还是维生素E的治疗都显著提高了辐射和非辐射大鼠心脏中的Cx43蛋白水平。
图9.5实验大鼠左心室总Cx43蛋白（A）及其在丝氨酸368上磷酸化形式（B）的代表性西方印迹。定量评估的柱状图显示，在辐射及完整大鼠心脏的处理后，总Cx43蛋白水平显著增加。C - 完整对照组，H -氢气治疗组，E - 维生素E治疗组，IR - 辐射组，IR H - 辐射加氢气治疗组，IR E - 辐射加维生素E治疗组。
图9.6展示了实验大鼠左心室中PKCε蛋白水平的代表性西方印迹，该酶负责在丝氨酸368上磷酸化Cx43。辐射后9天，PKCε的蛋白水平没有变化，但在用氢气或维生素E处理非辐射大鼠心脏后，其显著增加。
图9.6实验大鼠左心室PKCε的代表性西方印迹。在完整大鼠心脏的处理后，PKCε蛋白水平显著增加。C - 完整对照组，H -氢气治疗组，E - 维生素E治疗组，IR - 辐射组，IR H - 辐射加氢气治疗组，IR E - 辐射加维生素E治疗组。
讨论
这项初步研究调查了在单次10 Gy剂量辐射后9天，使用心脏保护剂如氢气和维生素E治疗是否对辐射后的大鼠心脏产生影响。
显微镜检查并未揭示辐射后大鼠左心室心肌细胞或细胞外空间的明显结构变化。然而，辐射后大鼠动脉毛细管中的碱性磷酸酶活性显著降低。阳性酶毛细管的密度也有所减少。这些发现指出辐射后大鼠心脏的心肌动脉毛细血管化减少。相比之下，氢气的治疗减轻了辐射的有害影响并增强了动脉毛细管网。后者曾在用ω-3脂肪酸治疗的老龄高血压大鼠中报道，或在大鼠对冷适应的反应中报道。另一方面，氢气或维生素E的治疗并未影响辐射后大鼠心脏静脉毛细管网中二肽基肽酶-4活性的降低。该酶参与胶原蛋白的代谢和合成以及内皮毛细血管涂层，并且在血管活性肽的降解中起作用。
Cx43的免疫标记并未显示任何实验组中心肌细胞分布异常。在横纹盘的间隙连接处普遍存在Cx43的免疫阳性，而在心肌细胞的侧面则较少见。这种模式既不受辐射也不受治疗的影响。在早期阶段（9天）检查的辐射后大鼠心脏中，Cx43蛋白水平及其磷酸化状态没有变化。这些发现不同于我们之前的研究报告，其中显示在辐射后6周检查的大鼠心脏中Cx43蛋白表达及其磷酸化增加。这表明单个有害信号可能在适应期间诱导Cx43的上调。
值得注意的是，氢气或维生素E的治疗增强了辐射后以及完整大鼠心脏中的Cx43蛋白水平。这一发现挑战了调查潜在机制，因为抗氧化剂可能会影响心肌Cx43表达。在这方面，氢气以及维生素E显著提高了完整大鼠心脏中的PKCε蛋白水平，并在辐射后大鼠中有适度提高是有趣的事实。Cx43是PKCε磷酸化的下游靶标，与调节Cx43通道功能和细胞保护有关。尽管我们在辐射后6周证明PKCε的上调，但在辐射后9天我们并未检测到任何变化。
总之，这项初步研究的发现激发了进一步研究以阐明氢气和维生素E在Cx43和PKCε上调中的作用机制。
本文原文来自欧洲学者Jan等的新书《氢气在健康疾病中作用》第九章，内容来自主编小组，和第八章都是关于氢气治疗辐射心脏损伤，八章属于综述，本章则是观察探讨了氢气和维生素E对心脏辐射损伤保护作用机制的研究。