Mit Wasserstoff angereichertes Wasser entfernt feine Partikel aus Lunge und Blut, indem es die phagozytische Aktivität erhöht

Abstrakt

Einführung

Luftverschmutzung ist mit Problemen für die menschliche Gesundheit sowie mit dem Verlust der Lebensqualität verbunden [ 1 - 3 ] . Luftschadstoffe lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Gase (z. B. O 3 , NO 2 , SO 2 , CO usw.) und Partikel (PM) mit unterschiedlichen Korngrößen und chemischer Zusammensetzung. Diese Schadstoffe wurden bereits in geringen Konzentrationen mit gesundheitsschädlichen Auswirkungen in Verbindung gebracht, insbesondere mit PM, die am meisten für Gesundheitsprobleme im Zusammenhang mit den Atemwegen verantwortlich sind [ 4 - 5 ].. Die rasche Industrialisierung der Erde hat zu Wüstenbildung und Umweltverschmutzung geführt und damit die Exposition von Menschen und Wildtieren gegenüber vielen feinen Partikeln wie industriellen Partikeln und Sanden erhöht. Die Feinpartikelexposition ist eine der Hauptbelastungen für Krankheiten, die auf 20 Hauptrisikofaktoren zurückzuführen ist, und insbesondere in ostasiatischen Ländern wie China und Korea [ 6 ] . Die durch PM verursachten schädlichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hängen sowohl von der Konzentration in der eingeatmeten Luft als auch von der Granulometrie und der chemischen Zusammensetzung ab.

Das PM wird nach seinem aerodynamischen Durchmesser klassifiziert (variiert von wenigen Nanometern bis 100 mm). Neben unangenehmen Sedimentpartikeln (SP) werden die gesundheitsschädlichen inhalierbaren PM in feine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 mm (PM10) und ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 mm (PM2,5) unterteilt [ 5 , 7 ] . Die schädlichen Wirkungen von PM2.5 treten sowohl kurzfristig durch direkte Einwirkung auf die Atemwege als auch langfristig auf und führen zu systemischen Nebenwirkungen, da die Partikel die Alveolen erreichen, in den Blutkreislauf gelangen und diese beeinflussen können andere Organe neben der Lunge [ 8 ]. Daher stellt PM2.5 ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar, selbst wenn es in relativ geringen Konzentrationen in der Atmosphäre vorhanden ist. dh selbst wenn seine atmosphärische Konzentration unter dem von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und den wichtigsten Umweltaufsichtsbehörden der Welt festgelegten Höchstmaß an Toleranz liegt [ 5 , 8 ] .

Studien zeigen den Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und Inzidenz von Atemwegserkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, neurologischen Erkrankungen und verschiedenen Krebsarten [ 5 , 7 , 9 ] . Die Assoziation mit Atemwegserkrankungen ist stärker und direkter, und die am stärksten gefährdeten Gruppen sind Kinder, ältere Menschen und Personen mit bereits bestehenden Atemwegserkrankungen, insbesondere Asthma, chronischer Bronchitis und obstruktiver Lungenerkrankung [ 2 - 3 , 10 - 12 ].. Die PM-Exposition löst eine Vielzahl von maladaptiven Signalwegen in Lunge, Blutgefäßen, Leber und Gehirn aus, die mit Stress des endoplasmatischen Retikulums (ER), oxidativem Stress und Entzündungsreaktionen verbunden sind [ 13 - 15 ] . Oxidativer Stress entsteht durch das starke zelluläre Oxidationspotential überschüssiger reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) oder freier Radikale [ 16 - 17 ] . Das ROS, das durch verschiedene physiologische und pathologische Aktivitäten erzeugt wird, wird in eine hochtoxische Hydroxylgruppe (· OH) umgewandelt oder durch oxidierende bzw. antioxidative Enzyme entgiftet. Eine hohe Konzentration von · OH wird über erzeugtFenton-Reaktion vermittelt durch Übergangsmetallionen wie Fe 2+ und Cu 2+ . Da kein Entgiftungssystem für · OH bekannt ist, ist das Abfangen von · OH ein kritischer antioxidativer Prozess [ 18 - 19 ] .

Es wurde vermutet, dass molekularer Wasserstoff (Dihydrogen, H 2 ) als therapeutisches Antioxidans wirkt, indem er zytotoxische Sauerstoffradikale selektiv reduziert [ 18 ] . In der Tat wurde berichtet, dass Wasserstoffwasser verschiedene Krankheiten und Gewebeverletzungen durch antioxidative und entzündungshemmende Aktivitäten wie Lungenentzündung und Asthma [ 20 - 24 ] , Hirninfarkt (Schlaganfall) [ 18 ] , Alzheimer-Krankheit [ 25 ] und Parkinson verbessert Krankheit [ 26 ] , rheumatoide Arthritis (RA) [ 27 ] und Diabetes[ 28 ] . Zusätzlich zu den gewebeschützenden Wirkungen schwächte Wasserstoffwasser die durch Partikel verursachte Entzündung des Gehirns ab [ 15 ] . Diese vielfältigen vorteilhaften Wirkungen von Wasserstoffwasser führten dazu, dass wir seine Wirksamkeit auf die Feinpartikelbelastung in Lunge und Blut sowie die zugrunde liegenden Mechanismen untersuchten.

Materialen und Methoden

Ergebnisse

Die intratracheale Exposition mit CNP (4 mg) verringerte das Körpergewicht der Ratten für 2-3 Tage, was auf die Auswirkung und Belastung der Lungenpneumokoniose hinweist ( 1 ). Insbesondere die tägliche Fütterung von PW und HW (10 oder 30 ml / kg) erleichterte die Wiederherstellung des Körpergewichts in gewissem Maße. Im Gegensatz zur Abnahme der Körpergewichte nahmen die absoluten und relativen Lungengewichte nach CNP-Inhalation zu ( Tabelle 1 ). Die Behandlung mit HW schwächte jedoch die CNP-induzierte Zunahme des Lungengewichts signifikant ab, wobei HW PW überlegen war.

Abb.1

Zeitverlauf der mittleren Körpergewichte von Ratten, denen gereinigtes Wasser (PW) oder mit Wasserstoff angereichertes Wasser (HW) verabreicht wurde.

In groben Befunden verursachte die intratracheale Instillation von CNP eine schwere Pneumokoniose, was zu einer Gesamtakkumulation der ultrafeinen Partikel in der Lunge führte ( Abb. 2 ). In mikroskopischen Beobachtungen wurde eine starke Anreicherung von CNP in den Atemwegen und im Parenchymgewebe sowie die daraus resultierenden Gewebeverletzungen bestätigt ( Abb. 3 ). Interessanterweise wurden die Anreicherung von Kohlenstoffpartikeln sowie entzündliche Läsionen durch dosisabhängige Zufuhr von HW deutlich eliminiert, obwohl die Wirkung von PW vernachlässigbar war ( Abb. 4 ).

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Abb.2

Bruttobefund der Lungen von Ratten, denen 6 Wochen nach der Instillation von Kohlenstoffnanopartikeln (CNP) gereinigtes Wasser (PW) oder mit Wasserstoff angereichertes Wasser (HW) verabreicht wurde.

Abb. 3

Mikroskopische Befunde der Lunge von Ratten, denen 6 Wochen nach der Instillation von Kohlenstoffnanopartikeln (CNP) gereinigtes Wasser (PW) oder mit Wasserstoff angereichertes Wasser (HW) verabreicht wurde.

Abb.4

Ergebnisse der Akkumulation von Kohlenstoffnanopartikeln (A) und Lungenläsionen (B) der Lunge von Ratten, denen 6 Wochen nach der Instillation von Kohlenstoffnanopartikeln (CNP) gereinigtes Wasser (PW) oder mit Wasserstoff angereichertes Wasser (HW) verabreicht wurde.

CNP-induzierte Pneumokoniose verursachte systemische hämatologische Veränderungen ( Tabelle 2 ). Die CNP-Exposition verringerte die weißen Blutkörperchen (WBC), Monozyten und Blutplättchen signifikant, erhöhte jedoch die Eosinophilen deutlich, was auf eine allergische Reaktion trotz allgemeiner Immunsuppression hinweist. Bemerkenswerterweise schwächten PW und HW den durch CNP induzierten Anstieg der Eosinophilen bemerkenswert ab und stellten die Anzahl der Blutplättchen in gewissem Maße wieder her, obwohl HW PW bei der Regulierung der Eosinophil-Reaktion überlegen war.

Intravenös injiziertes CMP wurde bei normalen Mäusen langsam aus dem Blut eliminiert ( Fig. 5A ). Die Eliminationsgeschwindigkeit wurde durch Vorbehandlung mit PW leicht erhöht, wodurch der Phagozytoseindex bei einer hohen Dosis (30 ml / kg) verdoppelt wurde ( Fig. 5B ). Bemerkenswerterweise war HW PW überlegen und erhöhte die Phagozytenindizes bei 10 und 30 ml / kg auf das 3,5- und 6,7-fache, was impliziert, dass HW die Phagozytenaktivität von Blutmakrophagen erhöhte.

Abb.5

Entfernung von Kohlenstoffmikropartikeln (CMP) aus dem Blut von Mäusen, denen 10 Minuten nach der Kohlenstoff-CMP-Injektion gereinigtes Wasser (PW) oder mit Wasserstoff angereichertes Wasser (HW) verabreicht wurde.

Die TBARS-Konzentration im Lungengewebe stieg unter Fenton-reaktionsvermittelten · OH-Erzeugungsbedingungen stark an ( Abb. 6 ). Eine solche Lipidperoxidation wurde durch konzentrationsabhängige Behandlung mit HW signifikant verringert, jedoch nicht durch PW, was auf die antioxidative Kapazität von HW hinweist.

Abb.6

Antioxidative Aktivität von gereinigtem Wasser (PW) oder mit Wasserstoff angereichertem Wasser (HW) gegen Lipidperoxidation durch Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 ) plus Eisenperchlorat [Fe (ClO 4 ) 2 ].

Diskussion

Es ist bekannt, dass die Arten der Pneumokoniose von den Arten der verursachenden Partikel abhängen, wie z. B. Umweltstäube wie gelber Sand, Kohlen und Kohlenstoffe (Pneumokoniose der Kohlenarbeiter), Asbest (Asbestose, malignes Mesotheliom und Lungenkrebs), Kieselsäure (Silikose) ), Eisen (Siderose) usw. [ 29 - 30 ] . Diese Partikel agglomerieren in Lungenalveolarzellen. Die Pneumokoniose von Kohlenarbeitern ist eine chronische berufliche und restriktive Lungenerkrankung, die durch das Einatmen von Kohlenstoffpartikeln in die Alveolen verursacht wird. Mikroorganismen sowie PM einschließlich Kohlenstoffpartikeln in den Atemwegen werden durch Alveolarmakrophagen entfernt [ 31 ], währenddessen proinflammatorische Zytokine und ROS aus den aktivierten Makrophagen freigesetzt werden [ 32 - 33 ] . Eine starke Belastung durch PM zerstört jedoch Makrophagen, und entzündliche Zytokine und ROS können möglicherweise eine Verletzung des Lungengewebes auslösen [ 31 , 33 ] .

Wir beobachteten eine ernsthafte Anreicherung von CNP in den Atemwegen und im Parenchym sowie Lungenläsionen nach intratrachealer Instillation der Partikel. Die Pneumokoniose wurde jedoch durch eine Langzeitfütterung von HW bemerkenswert abgeschwächt, nicht jedoch durch PW. Bemerkenswerterweise wurde das CNP durch HW deutlich entfernt, was auf eine erhöhte phagozytische Aktivität von Alveolarmakrophagen hinweist. Eine solche erleichterte Clearance von CNP aus der Lunge durch HW wurde auch durch die Blutclearance von CMP bestätigt: dh eine Vorbehandlung mit HW erhöhte den phagozytischen Index von Blutmakrophagen im Vergleich zu einer vernachlässigbaren Wirkung von PW stark. Jüngste Studien legen nahe, dass in der Leber lebende Makrophagen oder Kupffer-Zellen Schlüsselzellen bei der hepatischen Sequestrierung von Nanopartikeln sind [] . Die Autoren zeigten, dass der Phänotyp menschlicher Makrophagen die Aufnahme harter Nanopartikel moduliert, wobei menschliche Makrophagen mit „regulatorischem“ M2-Phänotyp anstelle von „entzündlichen“ M1-Phänotypen bevorzugt Goldnanopartikel mit einer klaren Hierarchie unter den Subtypen (M2c> M2> M2a>) aufnahmen M2b> M1). Zusätzliche Studien sind erforderlich, um die Mechanismen und die Makrophagen-Phänotyp-Spezifität für die Wirksamkeit von HW bei der CNP- und CMP-Clearance zu erklären.

Es wird angenommen, dass CNP Lungenläsionen über direkte Verletzungen sowie indirekte Entzündungen induzierte, die durch Zytokine und ROS von aktivierten Alveolarmakrophagen vermittelt wurden [ 31 - 33 ] . Es ist von Interesse zu bemerken, dass trotz der erhöhten phagozytischen Aktivität in Lunge und Blut nach HW-Fütterung die durch CNP-Instillation induzierte Lungenverletzung durch HW abgeschwächt wurde, was auf sein starkes antioxidatives Potential zurückzuführen sein kann, was durch die supprimierende Aktivität bestätigt wird zur Fenton-reaktionsvermittelten Lipidperoxidation. Eine solche antioxidative Aktivität von HW wird durch frühere Berichte gestützt, die seine unterdrückende Wirksamkeit bei durch Paraquat und Bestrahlung verursachten Lungenverletzungen belegen [ 22 - 23 ].. Darüber hinaus zeigte HW entzündungshemmende Aktivitäten, die die durch Zigarettenrauch induzierte Schleimproduktion der Atemwege abschwächten [ 21 ] und die proinflammatorischen und entzündungshemmenden Zytokine in Lipopolysaccharid-stimulierten RAW 264.7-Makrophagen regulierten [ 34 ] . Interessanterweise inhibierte HW nicht mehrere Punkte der Kaskade radikalischer Reaktionen außer der Endstufe, die die · OH-Gruppe produzierte [ 18 ] . Daher wird vorgeschlagen, dass HW nicht nur das CNP durch Aktivierung von Alveolarmakrophagen eliminiert, sondern auch Lungenverletzungen durch direktes antioxidatives Potential abschwächt, das den durch aktivierte Makrophagen vermittelten entzündlichen Stress auf doppelte Weise maskiert.

Wie zuvor erwähnt, reduzierte HW die Belastung der CNP-Akkumulation in der Lunge und erleichterte dadurch die Wiederherstellung des Körpergewichts und des Lungengewichts der CNP-belasteten Tiere. Es wird auch angenommen, dass die Elimination von CNP aus der Lunge durch HW weitere langfristige Entzündungen und Gewebeverletzungen blockieren sollte. Eine solche verbesserte Clearance von PM aus Lunge und Blut könnte mit den hämatologischen Veränderungen zusammenhängen. Tatsächlich verringerte die CNP-Exposition die wichtigsten defensiven Entzündungszellen (WBC, Monozyten und Blutplättchen), erhöhte jedoch die Eosinophilen, was auf eine allgemeine Immunfunktionsstörung und eine sensibilisierte allergische Reaktion hinweist. Insbesondere die intrapulmonale Infusion von CNP bei gesunden Männern erhöhte die Anzahl der WBC, insbesondere der Neutrophilen, 6 Stunden später signifikant [] . In unserer Langzeitstudie (6 Wochen) war ein leichter Anstieg des Neutrophilenverhältnisses zu verzeichnen. Die nachteiligen Wirkungen von PM auf das Wirtsabwehrsystem wurden teilweise, insbesondere auf die Reaktion von Eosinophilen, durch Behandlung mit HW wiederhergestellt. Eine solche antiallergische Aktivität von HW wurde bei Asthma-, Neurodermitis- und RA-Tieren bestätigt [ 24 , 27 , 35 - 36 ] .

Zusammengenommen eliminierte HW nicht nur effektiv sowohl die ultrafeinen als auch die feinen Partikel aus Lunge und Blut, indem es die phagozytische Aktivität erhöhte, sondern schwächte auch die Verletzungen des Lungengewebes durch Hemmung der Lipidperoxidation ab. Solche vielfältigen Aktivitäten von HW auf die PM-Elimination und den Gewebeschutz wurden in 7 zusammengefasst , was auf eine verstärkte Phagozytose und Elimination aus den Atemwegen (①) und im Blut (②) und eine Entzündungshemmung über das antioxidative Potential (③) hinweist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine langfristige Einnahme von HW für die Verringerung der körperlichen Belastung durch PM von Vorteil sein könnte.

Abb.7

Schematische Zusammenfassung der Feinstaub-eliminierenden und gewebeschützenden Wirksamkeit von mit Wasserstoff angereichertem Wasser

Verweise