Актуальность

Частота встречаемости пациентов хирургического профиля с осложненным течением раневого процесса остается высокой и сопровождается медленным заживлением ран, септическими осложнениями, что приводит к значительному ухудшению общего состояния пациента, в тяжелых случаях может стать причиной смерти [Nicolson et al., 2016; Qiu et al., 2019]. Причинами летальных исходов являются не только инфицирование и гнойные осложнения, но и возникновение септического состояния на фоне общего ослабления иммунитета пациента [Nicolson et al., 2016; Qiu et al., 2019].

В настоящее время существует множество способов лечения сепсиса и раневого процесса [Qiu et al., 2019]. Одним из инновационных методов их лечения на сегодняшний день является применение в хирургии молекулярного водорода (МВ), что прежде всего связано с реализацией клеточных механизмов его воздействия, таких как:

1. противовоспалительный;
2.  антиокислительный;
3. антиапоптический;
4. антишоковый;
5. активации сигнальных путей [Qiu et al., 2019].

Однако до сих пор получено недостаточно данных, которые смогли бы достоверно объяснить его влияние на восстановление клеточного и органического гомеостаза при раневом процессе, течении фаз воспаления и регенерации, регуляцию аутофагии, а также реализацию механизмов воздействия при септических осложнениях, [Qiu et al., 2019]. В связи с этим изучение применения молекулярного водорода в лечении хирургических заболеваний остается актуальной задачей.

Водород (H₂) является самым легким, невоспламеняемым и невзрывоопасным газом, который не имеет запаха и цвета, его физико-химические свойства характеризуются гидрофобностью, способность восстанавливать другие вещества и нейтральностью по отношению к нормальному метаболизму и окислительно-воссстановительным реакциям [Li et al., 2017]. Однако следует отметить, что при патологии Н₂ способствует детоксикации клеток, повышает насыщение клеток внутриклеточной и межклеточной жидкостью, укрепляет иммунную систему, активируя как клеточный, так и гуморальный иммунитет [Li et al., 2017].

Важнейшими особенностями МВ является его способность проникать через барьеры (клеточный, гематоэнцефалический, плацентарный, гематотестикулярный), а затем поступать в органоиды клетки [Xie et al., 2012; Li et al., 2017]. Основные механизмы действия Н₂ преимущественно реализуются в цитоплазме клеток мозга, поджелудочной железы, легких и печени [Xie et al., 2012; Xin et al., 2017]. Активируя метаболические процессы в печени, водород предупреждает возникновение интоксикации и снижает интенсивность окислительного стресса при интоксикации, в том числе и при хирургической патологии [Xie et al., 2012; Xin et al., 2017].

Одним из важных достоинств МВ является его безопасность – он не имеет определенной дозы, которая могла бы привести к гибели организма [Xie et al., 2012].

Описанная особенность связана с его быстрой эвакуацией после поступления из организма человека (например, при пероральном потреблении воды, богатой водородом, удаление большей его части происходит уже в первые 30 минут) и особых физико-химических свойств [Li et al., 2017].

Выделяют следующие способы транспортировки водорода в организм [Li et al., 2017]:

1. Вдыхание

Терапевтическое введение МВ проводят с помощью искусственной вентиляции легких (ИВЛ), назальной канюли и лицевых масок. При вдыхании Н₂ поступает
достаточно быстро, что позволяет использовать его при остром окислительном стрессе, но из-за это трудно контролировать концентрацию и дозировку. Также при таком способе доставки отсутствует влияние на артериальное давление (АД), температуру
тела, показатель кислотности pH и парциальное давление кислорода (pO₂), однако происходит повышение Н₂ в артериальной крови. При использовании Н₂ таким методом происходит снижение когнитивных нарушений, вызванных хирургическими вмешательствами [Xin et al., 2017], уменьшение травмы трансплантата легких [Zhou et al., 2013] и снижение нарушения кожных покровов при повреждении радиацией
[Li et al., 2017].

1. Потребление водородной воды (ВВ)

ВВ является более удобным, безопасным и портативным способом из-за возможности более точно контролировать дозировку и концентрацию, чем при вдыхании, однако некоторая часть все равно теряется в результате испарения с Н₂ в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Н₂ может быть растворен в воде до 0,8 мМ (1,6 мг/л) при комнатной температуре и атмосферном давлении, а также пользовании не требует дополнительных приборов и устройств для доставки, что является явным преимуществом. Эффективность этого метода была доказана при лечении болезни Паркинсона [Fu et al., 2009], депрессивного поведения [Zhang et al., 2016], травм, индуцированных окислительным стрессом и радиацией [Zhang et al., 2016].

1. Инъекционный метод введения растворов солей, насыщенных Н₂

Такой способ является наиболее точным, так как потери водорода минимальны. Экспериментальные данные говорят, что вводить этот раствор можно внутривенно, внутриперитонеально, внутритекально, интравитреально. Лечение с применением инъекций показывает результаты при травме головного мозга, субарахноидальном кровотечении [Ge et al., 2014; Li et al., 2017].

1. Посредством прямой диффузии из растворов, обогащённых Н₂

Исходя из способности водорода попадать в кровоток через кожу, актуально использование ванн, глазных капель.

Теплые ванны помогут свести к минимуму повреждения кожи, ускорить заживление ожогов, вызванных воздействием ультрафиолетовых лучей. А использование уже холодильных аппаратов, оснащенных ваннами, используется для хранения трансплантационных органов, так как предотвращает повреждение в результате реперфузии.

Использование глазных капель снижает повреждение сетчатки глаз. Был предложен раствор, богатый водородом, при ожоге щелочью как мера по предотвращению слепоты [Kubota et al., 2011; Li et al., 2017].

Молекулярный водород обладает широким спектром активности в организме человека:

1) Антиоксидантные свойства МВ обусловлены его влиянием на свободные радикалы, что связывают с работой дыхательной цепи, фагоцитозом, синтезом простагландинов и цитохромом Р450 [Kubota et al., 2011]. Эти процессы способствуют повышению количества активных форм кислорода (АФК), а также реактивных форм азота (РФА), которые при нормальном состоянии организма необходимы для генерации энергии митохондрий, уничтожения бактерий, вирусов, передачи внутриклеточных сигналов, но при этом их количество находится под строгим контролем физиологических процессов [Schulze-Osthoff et al., 1995; Qiu et al., 2019]. Избыточное количество реактивных форм азота (оксид азота /NO/, диоксид азота /NO₂/ и пероксинитритный анион /ONOO-/) и активных форм кислорода (супероксидные анионы /O₂-/, гидроксильные радикалы /OH/ и перекись водорода /H₂O₂/) способствует развитию патологических процессов [Qiu et al., 2019]. Однако водород способен «закалять» наиболее токсичные и реактивные гидроксильные радикалы (продукты реакции Фентона) и азотные формы [Fam-Hai et al., 2008; Qiu et al., 2019]. «Закалка» может реализовываться по 6 основным путям:

• первым способом является нейтрализация токсичного радикала гидроксида водорода (ОН);
• второй – прямое и опосредованное снижение пероксинитритного аниона (ONOO-) и его экспрессии;
• третий механизм действия заключается в экспрессии антиоксидантных генов, а также усилении активности антиоксидантных ферментов (например, путем активации пути Nrf₂, который индуцирует катаболизм супероксида и пероксидов через супероксиддисмутазу (SOD), HO-1, каталазу (CAT) и миелопероксидазу (MPO));
• четвертый – способствует снижению показателей окислительного стресса (8-изо-простагландин F2α малонового диальдегида (MDA);
• пятый – вызывает снижение количества NO с помощью ингибирующего влияния на iNOS (индуцированной синтазы оксида азота) и eNOS (эндотелиальная синтаза оксида азота);
• шестой – подавление активности NADPH оксидазы [Fam-Hai et al., 2008].

Кроме того, МВ участвует в экспрессии микроРНК, которая обеспечивает снижение активности воспалительной фазы раненого процесса в результате регуляции митотического деления клеток грануляционной ткани [Fu et al., 2009; Zhou et al., 2013; Zhang et al., 2016; Xin et al., 2017].

2) Противовоспалительные и антиапоптические свойства МВ обусловлены его способностью к снижению основных провоспалительных цитокинов, таких как IL-1β, IL-6 и HMGB1 [Schulze-Osthoff et al., 1995; Kamata et al., 2005].

Антиапоптические свойства Н₂ также связаны с ингибированием фактора некроза опухоли-альфа (ТНФ) [Kamata et al., 2005]. ТНФ в организме оказывает два противоположных эффекта: активирует либо клеточную пролиферацию, либо гибель клеток [Kamata et al., 2005]. В связи с влиянием молекулярного водорода на фактор некроза опухоли-альфа, наблюдается и его опосредованное действие на каскады реакций, запускаемых этим фактором [Schulze-Osthoff et al., 1995; Kamata et al., 2005; Shao et al., 2016]. В результате чего последующие композиты, которые являются функционально взаимозависимыми группами компонентов сигнала, включая активацию NF-κB, белковую киназу, активируемую митогеном (MAPK), JNK и каскады каспазы, также могут быть изменены водородом [Schulze-Osthoff et al., 1995; Kamata et al., 2005; Shi et al.,2015; Shao et al., 2016; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019]. Анализ этой способности производится с помощью TUNEL/количественной оценки каспаз, интегральных протеаз при апоптозе [Kamata et al., 2005].

Так, NF-κB является главным регулятором воспаления, который активируется под воздействием ТНФ-альфа и IL-1 с использованием вторичного посредника АФК [Schulze-Osthoff et al., 1995], который контролирует передачу сигнала для активирования NF-κB в цитоплазме и транслокации в ядро, но водород способен посредством снижения следующих процессов влиять на количество NF-:

1) снижение активации NF-κB и NF-κB-зависимой транскрипции воспалительных цитокинов [Schulze-Osthoff et al., 1995];

2) уменьшение перемещения NF-κB 65р из цитоплазмы в ядро [Shao et al., 2016; Zhang et al., 2018];

3) повышение содержания IκВ [Shi et al.,2015; Shao et al., 2016; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019].

В качестве дополнительного способа подавления воспаления посредством МВ отмечают его способность к активации IL-10, который является одним из важнейших противовоспалительных цитокинов [Shi et al.,2015; Shao et al., 2016; Zhang et al., 2018]. Данный эффект играет важную роль в течении раневого процесса. Регуляция активности противовоспалительных цитокинов позволяет снижать выраженность воспалительного ответа в ране [Shi et al., 2015; Shao et al., 2016; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019].

Следует отметить, что возможности использования водорода в лечении хирургических больных так же обоснованы значительным влиянием МВ на иммунную систему. Водород обеспечивает восстановление подтипов иммунных клеток, а именно Т-клеток, регуляторных и тучных [Schulze-Osthoff et al., 1995; Kamata et al., 2005; Shi et al., 2015; Shao et al., 2016; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019]. Так, МВ способен восстанавливать потерю лимфоцитов и мононуклерных клеток периферической крови, обеспечивая восстановление дисбаланса Th1/Th2, повышает регулирование CD4⁺CD25⁺Foxp3⁺ T- лимфоцитов, что приводит к увеличению количества ИЛ-10 [Shi et al., 2015; Shao et al., 2016; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019].

Реализация действия молекулярного водорода осуществляется посредством специфической передачи сигнала. Согласно литературным данным, доказано, что большая часть изменённых генов в результате обработки МВ является результатом сигнальных путей [Dole et al., 1975; Shi et al., 2015; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019;]. Выделяют 3 основных пути передачи сигнала:

1. Путь МАРК:

Клеточное напряжение способно активировать данный механизм путем окислительной модификации клеточных структур или инактивацией МАРК-киназ, что может приводить к формированию различных биологических процессов таких как: гибель клетки или ее выживание. Как предполагают, МАРК вызывает апоптоз в результате окислительного стресса, но это не определяет судьбу клетки до конца, в учет берутся еще и киназы, которые имеют важное значение в определение итога. А МВ в этом пути способен снижать активность данного пути, в результате:

• снижения окислительного стресса;
• снижения фосфолирования р38 МАРК [Dole et al., 1975; Shi et al., 2015; Shao et al., 2016; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020].

1. Путь АМРR и РI3K/Акt:

АМРR – клеточный путь, отвечающий за регуляцию роста и модуляции клеточного метаболизма, а также аутофагии и клеточной полярности [Dole et al., 1975; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020]. При активации сигнального пути АМРR и РI3K/Акt МВ предупреждает формирование окислительного стресса, обеспечивает снижение количества свободных радикалов, продуктов перекисного окисления липидов, что приводит к защите митохондрий и травматически поврежденной ткани [Shi et al., 2016; Carramusa et al., 2017; Malec et al., 2017; Ren et al., 2018; Carnio et al., 2019].

РI3K/Акt – является жизненно важным компонентом регулирования клеточного цикла, который обычно чрезмерно активен в стволовых клетках при регенерации [Shi et al., 2016; Carramusa et al., 2017; Malec et al., 2017; Ren et al., 2018; Carnio et al., 2019]. Таким образом, МВ обеспечивает корреляцию пути PI3K/Akt, что приводит к повышению регенеративных способностей мягких тканей при заживлении ран, обеспечивает поддержание мембранного потенциала клеток, нормализуя клеточный метаболизм [Carramusa et al., 2017; Carnio et al., 2019; Dole et al., 2020]. Коррекция кислотно-основного состояния клеточного окружения и pH окружающей среды обеспечивает формирование неблагоприятной среды для существования патогенных микроорганизмов в ране [Shi et al., 2016; Carramusa et al., 2017; Malec et al., 2017; Itoh et al., 2018; Ren et al., 2018; Carnio et al., 2019].

1. Wnt/B-катенин:

Каскад передачи сигнала Wnt обеспечивает обновление стволовых структур [Dole et al., 1975; Carnio et al., 2019; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020]. Молекулярный водород подавляет аномально активированную сигнализацию Wnt/β-катенина, способствуя фосфорилированию и деградации катенина в клеточных культурах, что также может способствовать его противовоспалительным и антигиперпластическим эффектам [Dole et al., 1975; Carramusa et al., 2017; Carnio et al., 2019; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020]. В результате реализации данного пути Н₂ способствует предупреждению формирования келлоидных рубцов, фиброзным изменениям в регенерирующей ткани [Shi et al., 2016; Carramusa et al., 2017; Malec et al., 2017; Itoh et al., 2018; Ren et al., 2018; Carnio et al., 2019].

Влияние молекулярного водорода на септические повреждения органов

Для сепсиса характерно чрезмерное накопление АФК и РФА как результат неспособности организма самостоятельно справляться с усилением образования окисленных форм в результате прямого – реакций Фентона и Хабера-Вайса, косвеного пути – включения активации ферментов (синтазы оксида азота НАДФН-оксидазы), а также повышения токсических процессов [Zhang et al., 2018]. Все выше перечисленное приводит к несостоятельности антиоксидантной системы организма и развитию окислительного стресса [Zhang et al., 2018]. Являясь природным антиоксидантом, молекулярный водород способен подавлять активность окислительного стресса, вызванного септическим повреждением, с помощью различных механизмов [Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019]. Отмечают способность водорода к снижению количества активных форм кислорода, индуцируемую липополисахарадами, путем усиления активности антиоксидантных ферментов, подавления активность прооксидантов, а также выработкой ТНФ-β [Shi et al., 2015; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019]. В перечень возможностей МВ входит его способность к увеличению экспрессии HO-1, опосредованию Nrf2 и уменьшению повреждения эндотелиальных клеток, вызванного сепсисом. Он ингибирует активацию сигнальных путей МАПК и NF- κB, тем самым снижая уровень МДА [Dole et al., 1975; Shi et al., 2015; Zhang et al., 2018; Carnio et al., 2019; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020]. Кроме того, водород способен снижать активность фермента оксилазы НАДФ, который катализирует производство свободных радикалов путем переноса НАДФ в кислород [Zhang et al., 2018].

Сепсис связан напрямую с системным воспалительным ответом, опосредованным сосудистыми эндотелиальными и врожденными иммунными клетками (моноциты, макрофаги, нейтрофилы), которые приводят, в свою очередь, к высвобождению провоспалительных цитокинов и хемофакторов, таких как ФНО, ИЛ-1, ИЛ-6 [Dole et al., 1975; Shi et al., 2015; Zhang et al., 2018; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020]. Однако при системном инфицировании организма усиление их длительности действия и выработки приводит к активации воспалительного процесса, что, в свою очередь, приводит к повышению летальности, что связано с «утечкой» капилляров, повреждением тканей и органов, апоптозом, генерализацией закиси азота [Dole et al., 1975; Carramusa et al., 2017; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020]. Литературные данные подтверждают, что количество провоспалительных цитокинов имеет прямую корреляцию с течением сепсиса, т. е. чем выше значение, тем хуже прогноз [Dole et al., 1975; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020].

Противовоспалительное действие молекулярного водорода при септических состояниях заключается в том, что водород способствует снижению выработки и поступлению ранних и поздних провоспалительных цитокинов благодаря подавлению NF-kB пути, основных групп хемокинов MIP1 и MIP2 (воспалительный белок макрофаг-1, 2); понижает агрегацию и инфильтрацию нейтрофилов и макрофагов, повреждение сосудов эндотелия, вызванного воспалительной клеточной адгезией, путем уменьшения производства молекул сцепления LPS [Zhang et al., 2018]. Таким образом, водород не только повышает защитные силы организма, но и снижает процент летальных исходов.

Апоптоз, вызванный сепсисом, усугубляет повреждение тканей и дисфункцию органов, апоптическое повреждение иммунных клеток приводит к усугублениютечения сепсиca [Zhou et al., 2013]. Путем активации молекулярным водородом внешнего и внутренних путей происходит ингибирование процессов апоптоза, что способствует снижению развития септической патологии [Shi et al., 2016; Zhang et al., 2018]. Для разных органов при септическом процессе выделяют свои эффективные концентрации и способы доставки: сердце, легкие, глаза – HRS 10 мл/кг, т. п. при > 0,6 ммоль/л, мозг – вдыхание газовой смеси с 2 % содержанием Н₂ [Qiu et al., 2019].

Антишоковый эффект Н₂ является важным моментом при лечении пациентов с развившимися септическими состояниями. Одной из основных молекулярных причин септического шока является накопление большого количества NO. Несмотря на то, что МВ не способен напрямую устранить оксид азота, опосредованное влияние водорода, через каскад ферментативных реакций способствует снижению его содержания [Shi et al., 2016; Itoh et al., 2018; Ren et al., 2018; Wang et al., 2018; Saramago et al., 2019]. Н₂ ингибирует экспрессию iNOS и eNOS, которые являются основными ферментами синтеза NO [Shi et al., 2016; Ren et al., 2018]. Также молекулярный водород снижает количество пероксинитрита (ONOO-), который является продуктом продуктов окисления оксида азота под действием НАДФН-оксидазы с супероксидом (·O₂-), путем нейтрализации последнего [Shi et al., 2016; Carramusa et al., 2017; Malec et al., 2017;
Itoh et al., 2018; Ren et al., 2018; Carnio et al., 2019].

Одной из особенностей влияния МВ на организм при сесписе является активация аутофагии. Аутофагия представляет собой одну из наиболее важных функций эукариотических клеток, которая обеспечивает возможность к инскапулированию субстратов в двумембранно-связанные везикулы – аутофагосомы, которая, сливаясь с лизосомой, приводит к уничтожению содержания последней [Shi et al., 2016; Carramusa et al., 2017; Malec et al., 2017; Itoh et al., 2018; Ren et al., 2018; Carnio et al., 2019; Saramago et al., 2019]. Благодаря этой функции клетки способны удалять поврежденные органеллы, аномальные белки, обеспечивая тем самым процесс поддержания гомеостаза клетки [Carramusa et al., 2017; Malec et al., 2017; Carnio et al., 2019; Dole et al., 2020].

Экспериментальные исследования доказывают, что МВ способен выполнять защитную функцию, модулируя аутофагию при сепсисе [Shao et al., 2016].

Молекулярный водород как аутофагический регулятор способен оказывать двойное действие на процесс регуляции: подавляя активность, снижая работу NF-κB и p38 MAPK, усиливая HO-1 и уменьшая подавление mTOR, образовавшиеся как результат реактивных форм кислорода, или наоборот, активируя аутофагию [Zhang et al., 2018].

Влияние молекулярного водорода на раневой процесс. Основным моментом в замедлении заживления ран является окислительный стресс, в следствие которого поднимается уровень АФК и РФА [Xie et al., 2012; Shao et al., 2016; Li et al., 2017; Xin et al., 2017; Zhang et al., 2018]. В свою очередь, как было сказано ранее, молекулярный водород способен проникать через мембраны клеток и оказывать влияние на пролиферацию антиоксидантов, которые способны корректировать уровень АФК для нормального функционирования клеток и способствовать заживлению раны, также реализуется прямой механизм действия водорода на ROS через нейтрализацию OH и ONOO- [Dole et al., 1975; Malec et al., 2017; Zhang et al., 2018; Carnio et al.,2019; Carramusa et al., 2019; Tao et al., 2019; Dole et al., 2020].

Повреждение целостности кожных покровов приводит к обсеменённости микроорганизмами. При повышении количества микроорганизмов в ране происходит закономерное увеличение продукции цитокинов воспаления (IL-1, ТНФ), а также выделяются хемокины [Tao et al., 2019]. На данном этапе водород способствует снижению воспаления как на прямую (т. е. снижение ТНФ), так и опосредовано (через снижение NF-κB и NF-κB-зависимую транскрипцию воспалительных цитокинов) [Shi et al., 2016]. Если же рана долгое время является местом для входа микроорганизмов (хроническая стадия воспаления), то это приводит к:

1) повышению активности металлопротеиназ (ММР);

2) увеличению продукции иммунных клеток АФК (регуляция со стороны окислительного стресса) [Tao et al., 2019].

Кроме того, МВ участвует в экспрессии микроРНК, которая обеспечивает снижение активности воспаления в различных фазах раневого процесса в результате снижения экспрессии miR-9 и miR-216, которые способствуют усилению гибели клеток [Itoh et al., 2018; Ren et al., 2018; Saramago et al., 2019]. Так, основной эффект заключается именно в снижении количества провоспалительных компонентов и молекул, связанных с иммунной системой [Itoh et al., 2018; Ren et al., 2018; Saramago et al., 2019].

Основные способы использования молекулярного водорода при лечении раневого процесса включают внутривенные инъекции соляного раствора, наполненного водородом, а также местное применение воды, богатой водородом [Wang et al., 2018]. Но существенными минусами данных способов доставки стали сложность в использовании, а также необходимость в медицинском контроле для проведения данной манипуляции [Wang et al., 2018; Wu et al., 2018]. Одним из инновационных способов доставки молекулярного водорода в рану, имеющих большие перспективы среди других способов, стали пластыри, генерирующие водород [Zhang et al., 2016].

Заключение

Таким образом, использование молекулярного водорода в медицине в целом и в хирургии в частности имеет огромные возможности и перспективы развития. В настоящие время изучение физико-химических эффектов и лечебных свойств Н₂ вызывает бурный интерес исследователей. Понимание механизмов реализации лечебного действия молекулярного водорода позволяет применять его в лечении ран мягких тканей, предупреждать инфицирование ран и септические состояния. Учитывая последние достижения в изучении водорода, можно утверждать целесообразность его внедрения в медицинскую практику. Применение МВ практически лишено побочных эффектов, оно имеет значительный потенциал действия и оказывает положительные эффекты. В связи с этим необходимость расширения спектра применения молекулярного водорода в клинической практике является актуальной задачей современной медицины.