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일본의과대학 대학원 의학연구과 노인과학계 전공 세포생물학분야 오타 시게오교수..
2007년 Nature Medicine에 게재된 논문
Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals
* 링크 : http://www.nature.com/nm/journal/v13/n6/full/nm1577.html
* summary
Acute oxidative stress induced by ischemia-reperfusion or inflammation causes serious damage to tissues, and persistent oxidative stress is accepted as one of the causes of many common diseases including cancer. We show here that hydrogen (H2) has potential as an antioxidant in preventive and therapeutic applications. We induced acute oxidative stress in cultured cells by three independent methods. H2 selectively reduced the hydroxyl radical, the most cytotoxic of reactive oxygen species (ROS), and effectively protected cells; however, H2 did not react with other ROS, which possess physiological roles. We used an acute rat model in which oxidative stress damage was induced in the brain by focal ischemia and reperfusion. The inhalation of H2 gas markedly suppressed brain injury by buffering the effects of oxidative stress. Thus H2 can be used as an effective antioxidant therapy; owing to its ability to rapidly diffuse across membranes, it can reach and react with cytotoxic ROS and thus protect against oxidative damage.
2011년 Current Pharmaceutical Design에 게재된 논문
Recent progress toward hydrogen medicine: potential of molecular hydrogen for preventive and therapeutic
applications.
* full text : http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3257754/
* abstract
Persistent oxidative stress is one of the major causes of most lifestyle-related diseases, cancer and the aging process. Acute oxidative stress directly causes serious damage to tissues. Despite the clinical importance of oxidative damage, antioxidants have been of limited therapeutic success. We have proposed that molecular hydrogen (H2) has potential as a “novel” antioxidant in preventive and therapeutic applications [Ohsawa et al., Nat Med. 2007: 13; 688-94]. H2 has a number of advantages as a potential antioxidant: H2 rapidly diffuses into tissues and cells, and it is mild enough neither to disturb metabolic redox reactions nor to affect reactive oxygen species (ROS) that function in cell signaling, thereby, there should be little adverse effects of consuming H2. There are several methods to ingest or consume H2, including inhaling hydrogen gas, drinking H2-dissolved water (hydrogen water), taking a hydrogen bath, injecting H2-dissolved saline (hydrogen saline), dropping hydrogen saline onto the eye, and increasing the production of intestinal H2 by bacteria. Since the publication of the first H2 paper in Nature Medicine in 2007, the biological effects of H2 have been confirmed by the publication of more than 38 diseases, physiological states and clinical tests in leading biological/medical journals, and several groups have started clinical examinations. Moreover, H2 shows not only effects against oxidative stress, but also various anti-inflammatory and anti-allergic effects. H2 regulates various gene expressions and protein-phosphorylations, though the molecular mechanisms underlying the marked effects of very small amounts of H2 remain elusive.
2016년 1월 Nature의 open online 과학잡지 Scientific Reports에 게재된 논문
분자상 수소가 유전자발현을 제어하는 메커니즘 관련..
Molecular hydrogen regulates gene expression by modifying the free radical chain reaction-dependent generation of oxidized phospholipid mediators
* full text : http://www.nature.com/articles/srep18971
* abstract
We previously showed that H2 acts as a novel antioxidant to protect cells against oxidative stress. Subsequently, numerous studies have indicated the potential applications of H2 in therapeutic and preventive medicine. Moreover, H2 regulates various signal transduction pathways and the expression of many genes. However, the primary targets of H2 in the signal transduction pathways are unknown. Here, we attempted to determine how H2 regulates gene expression. In a pure chemical system, H2 gas (approximately 1%, v/v) suppressed the autoxidation of linoleic acid that proceeds by a free radical chain reaction, and pure 1-palmitoyl-2-arachidonyl-sn-glycero-3-phosphocholine (PAPC), one of the major phospholipids, was autoxidized in the presence or absence of H2. H2 modified the chemical production of the autoxidized phospholipid species in the cell-free system. Exposure of cultured cells to the H2-dependently autoxidized phospholipid species reduced Ca2+ signal transduction and mediated the expression of various genes as revealed by comprehensive microarray analysis. In the cultured cells, H2 suppressed free radical chain reaction-dependent peroxidation and recovered the increased cellular Ca2+, resulting in the regulation of Ca2+-dependent gene expression. Thus, H2 might regulate gene expression via the Ca2+ signal transduction pathway by modifying the free radical-dependent generation of oxidized phospholipid mediators.
*해당 논문에 대한 오타교수의 홈페이지 글 번역문...
분자상 수소(H2)는 프리 래디칼 연쇄 반응에 개입하여 산화 지방질 메디에이타를 개변하는 것을 통해서 유전자 발현을 제어한다.
배경
본래, 분자상 수소(H₂이하, 「수소」라고 한다)는, 불활성 가스로 인식되고 있어서, 포유류 세포에서는 아무런 기능이 없다고 믿어 왔습니다. 2007년에 일본대학의과대학원 오오타 시게오 교수 그룹은, 수소는 산화력이 강한 나쁜 활성산소만을 선택적으로 소거해, 산화 스트레스로부터 세포를 보호해, 허혈재관류장해로부터 조직을 보호한다고 Nature Medicine(2007; 13: 688-694)에 논문을 발표했습니다.
그 후, 수소에는 항산화 작용에 국한되지 않고, 염증 억제 효과, 알레르기 억제 효과, 세포사 억제 효과, 에너지 대사 촉진 효과가 있는 것이 밝혀졌습니다. 수소는 그러한 효과를 나타내기 위해서, 세포내 정보전달 기구를 변화시켜, 유전자 발현 제어를 하는 일도 밝혀졌습니다.
수소는 그러한 다채로운 기능을 갖고있기 때문에, 동물실험의 질환 치료에서 매우 효과적으로 치료,개선하는 것이 밝혀졌으며, 현재는 사람을 대상으로 한 임상시험이 활발하게 시행되고 있습니다.
현재까지, 동물 실험에서는 350편정도의 실험보고논문과, 사람을 대상으로 한 임상시험의 논문이 20편정도 보고되어 수소의 효과는 의심할 여지가 없는 것으로 판단되고 있습니다. 또, 최근에는 동물 뿐만 아니라, 식물에의 효과도 밝혀져 농업혁명에도 공헌할 것 같습니다.
수소는, 수소 가스를 흡인하거나, 수소를 용해시킨 물(수소수)을 마시거나, 수소를 포함한 링거액을 주사하는 등, 용도에 따른 섭취가 가능합니다.
그러나, 수소는 기본적으로는 촉매가 없으면 반응을 나타내지 않는 분자이며, 어떻게 세포내 정보전달 기구를 제어하는지, 유전자 발현을 제어하는지는, 완전히 미지의 과제였습니다. 또, 수소가스의 흡인에 대해서는, 1.3%정도의 낮은 농도로 효과를 발휘하여, 수소수에 포함되는 적은 양의 수소로 효과를 발휘하는 것도 수수께끼였습니다.
2005년에 수소의 연구를 시작했습니다만, 수소의 효과는 산화력이 강한 악성 활성산소를 소거하는 것만으로는 설명되지 못했기 때문에 오랜시간동안 고민거리였습니다. 본 논문에서는, 수소가 프리래디칼 연쇄 반응에 개입하여, 산화지질 메디에이타를 개변하는 것으로 유전자 발현을 제어하는 것을 밝혀, 수소가 다채로운 기능을 발휘하는 메커니즘인 것이 해명되었다고 생각하고 있습니다.
결과
(1) 수소가 기능을 발휘하는 부위(部位)
수소가 산화력이 강한 히드록실 래디칼을 소거하는 경우에서도, 수용액중에서는 매우 늦은 것이 보고되고 있습니다. 거기서, 수소의 효과를 발휘하는 장소는, 지질속에서가 아닐까 추론하여, 지질과 수용액에의 수소의 용해도(溶解度)를 조사하여, 수소는 상대적으로 지질에 용해하는 것을 알 수 있었습니다. 게다가 불포화 지방산을 포함한 지질에서는 상대적으로 분리되기 어려운 것으로 나타났습니다.
(2) 수소의 다가 불포화 지방산(多価不飽和脂肪酸)의 프리 래디칼 연쇄 반응에의 개입
거기서, 다가 불포화 지방산에의 수소의 반응에 주목했습니다. 무엇보다도 작은 다가 불포화 지방산인 리놀산은 공기 산화에 의해서 과산화물을 만들어냅니다. 이 프로세스는, 프리래디칼 연쇄 반응에 의하는 것으로 알려져 있습니다.
수소가 1% 정도 존재하는 것만으로, 리놀산의 과산화 반응은 체온 레벨에서도 촉매없이 저하했습니다.
(3) 수소의 인지질의 프리래디칼 연쇄 반응에의 개입과 지질 메디에이타의 개변(改変)
생체막(生体膜)에서 많이 포함되는 다가 지방산(価脂肪酸)을 포함한 인지질에는 1-파르미트이르2-아라키드노이르 sn-그리세로3-호스파치지르코린(PAPC)이 있습니다. PAPC는 공기 산화(프리래디칼 연쇄 반응)에 의해서, 지질 메디에이타를 만들어 내는 것이 보고되고 있습니다. 거기서, 수소 존재하에서, PAPC를 공기 산화시켜, 산화시킨 PAPC를 배양 세포에 추가하여, 세포내의 칼슘의 상승을 측정했습니다. 그러자 산화 PAPC에서는, 칼슘의 세포내 상승을 볼 수 있었습니다만, 수소 1.3%이상의 존재하에서 산화한 PAPC에서는 칼슘의 세포내 상승이 억제되었습니다.
칼슘의 상승을 항진 하는 지질 메디에이타가 수소에 의해서 저하되었는지, 칼슘의 상승을 억제하는 지질 메디에이타가 수소에 의해서 증가했는지는 명확하지는 않습니다. 그러나, 수소가 1.3%이상 존재하는 것만으로, 메디에이타에 어떠한 변화를 가져온 것은 확실합니다.
질량분석기를 사용하여 망라적(網羅的)으로 해석한 결과로는, 칼슘의 상승을 촉진하는 메디에이타는 수소에 의해서 증가하지 않았기 때문에, 칼슘의 상승을 억제하는 새로운 메디에이타가 수소 존재하에서 생성한 것이라고 추측됩니다. 현재, 이 신규 메디에이타의 해석을 진행시키고 있습니다.
(4) 산화 PAPC에 의한 유전자 발현 제어
공기 산화한 PAPC와 수소 존재하에서 공기 산화한 PAPC를 배양 세포에 추가하는 것에 의해서, 변화하는 유전자 발현 변화를 모든 유전자에 대해 망라적(網羅的)으로 해석했습니다. 즉, 산화 PAPC에 의해서 발현이 상승해, 수소 존재하에서 산화한 PAPC에 의해서 발현이 하강한 유전자를 86 유전자 선택하면, 세포내 정보전달에 관여하는 유전자가 다수 포함되어 있었습니다. 그 중에서도, 칼슘에 의해서 활성화 하는 NFAT와 CREB라고 하는 전사인자(転写因子)에 의해서 발현 제어되는 유전자가 포함되어 있었습니다.
칼슘은, Calcineurin(탈인산화 효소)와 calmodulin-dependent kinase(인산화 효소)를 통해서 활성화 하여, NFAT와 CREB를 활성화 시키기 때문에, 수소에 의해서 NFAT와 CREB의 활성이 저하하는 것은 합리적입니다. 또, 실제로 산화 PAPC에 의해서, NFAT가 활성화 해, 수소 존재하의 산화 PAPC로는 NFAT의 활성이 억제되는 것을 확인했습니다.
그 중에서도, TNF나 IL-8등의 염증성 사이트 카인, 염증에 관여하는 PTGS2(COXII)가 수소에 의해서 저하했으므로, 수소에 의해서 염증을 억제하는 메커니즘을 이해할 수 있습니다.
또, 혈관 축소에 관여하는 엔도셀린이 수소에 의해서 저하하는 사실로 수소의 혈관 확장 효과도 설명할 수 있습니다.
수소는 불활성 가스 분자이므로, 촉매가 없으면 반응성을 나타내지 않습니다만, 프리래디칼 연쇄 반응이 진행되고 있는 불포화 지방산을 포함한 지질의 과산화 반응에 개입하여, 산화 지질 메디에이타를 바꾸어 유전자 발현을 제어한다고 생각할 수 있습니다.
(5) 배양 세포에 있어서의 수소의 효과
배양 세포에 있어서 같은 효과를 나타내기 위해서, 사람의 배양 세포(THP-1)를 사용하여, 수소의 효과를 조사했습니다. 인위적으로 프리래디칼 연쇄 반응을 일으키기 위해서 AAPH 더해 프리 래디칼 연쇄 반응을 발생시켰습니다. 수소가 1.3%이상 존재할 경우에, 프리래디칼 연쇄 반응은 억제되었습니다.
또, AAPH 존재하에서는, 칼슘의 세포내로 상승해서 수소의 존재하에서 억제되었습니다. 동시에 NFAT의 활성도 수소에 의해서 억제되었습니다. 또, NFAT에 의해 전사(転写)되는 유전자의 발현도 AAPH에 의해서 상승하고 수소에 의해서 하강했습니다.
이러한 결과는, 상기(上記)의 공기 산화에 의해 PAPC를 프리래디칼 연쇄 반응으로 산화시킨 결과와 일치하고 있었습니다.
(6) 수소에 의한 유전자 제어 기구(遺伝子制御機構)
이상의 결과로부터, 기본적인 개념으로서 이하의 메커니즘을 제창했습니다.
(a) 수소가 존재하지 않을 때(어떠한 병의 용태시)
세포내에서 어떠한 이상이 생기면 활성산소가 발생하여, 지질 프리래디칼 연쇄 반응이 생긴다. 거기에 따라서, 지질 메디에이타가 생기고, G-단백공역리셉터 등에 결합하여, 칼슘 채널이 열린다. 칼슘의 상승에 의해서, 카리시뉴린을 활화하고, 탈인산화 된 NFAT가 핵으로 이행(移行)해서, 염증성 인자 등 유전자를 전사(転写)하고, 염증을 계속 일으킨다.
(b) 수소가 존재할 때(어떠한 병의 용태시)
수소가 존재하면, 세포내에서 어떠한 이상이 생겨 발생한 활성산소에 의한 지질 프리래디칼 연쇄 반응을 변화시킨다. 어떠한 메디에이타가 G-단백공역리셉터 등에 결합해, 반대로 칼슘 채널이 여는 것을 억제한다. 그 때문에, 염증성 인자 등 유전자의 전사를 정지하고, 과잉인 염증을 진정시킨다.
(c) 산화 스트레스가 없을 때, 또는 없어졌을 때
활성산소가 발단이 되는 지질 프리래디칼 연쇄 반응이 없기 때문에, 수소의 효과는 발휘하지 않는다. 병적 상태로부터 정상으로 되었을 때도, 똑같이 수소의 효과는 없기 때문에, 과도의 수소의 효과는 생기지 않는다.
향후의 기대
수소가 1.3%라고 하는 지극히 저농도의 수소 가스의 흡인에 의해서 효과를 발휘하는 메커니즘이 해명되었습니다. 1.3%의 수소 가스 농도는 폭발 한계 이하이므로, 안전하게 사용 가능합니다. 수소를 의약품 또는 수소발생 장치를 의료 기구로서 인가를 얻기 위해서는, 분자 기구의 해명이 필수이므로, 메커니즘의 해명은 매우 중요한 의미를 가집니다. 또, 수소수를 마셨을 경우에는, 수소 가스의 1.3%흡인 이상의 체내의 수소 농도가 되므로, 수소수를 마셨을 때의 효과도 설명할 수 있습니다.
또, 본 연구에서는, 수소는 여러가지 유전자 발현의 제어를 합니다만, 특히 명확하게 된 것은, NFAT라고 하는 전사 인자의 활성 저하입니다. NFAT의 활성을 저하시키는 의약품에 사이크로스포린 A등이 있습니다만, 이것들은 면역 억제제로서 사용되고 있습니다. 수소는 면역 억제제와 비슷한 효과를 나타내는 메커니즘이 수수께끼로서 남아 있었으므로, 향후에는 수소를 면역 억제제의 일부로서 사용할 수 있을 가능성도 생겼습니다. 또, NFAT는, 암, 알츠하이머 병, 파킨슨병, 고혈압, 골다공증, 심근 비대와의 관계가 주목받고 있는 전사 인자이므로, NFAT를 통해서 수소의 다채로운 효과를 설명하는 것이 가능하고, 수소의 응용면도 커진다고 기대됩니다.
또 하나, 중요한 점은, 프리 래디칼 연쇄 반응이 생기고 있을 때만, 수소가 작용하는 것입니다. 프리 래디칼 연재 반응이 생기고 있는 것은, 어떠한 병의 용태가 있을 때로, 프리 래디칼 연쇄 반응이 생기고 있을 때만, 수소가 작용하는 것은, 나쁜 부위에 나쁠 때만 효과를 발휘하는 것을 시사하고 있습니다. 종래의 의약품은, 과잉의 효과를 발휘해 버리기 때문에 부작용이 생기는 것입니다만, 수소의 경우는 정상적으로 되면(프리 래디칼 연쇄 반응이 없어지면) 효과를 발휘하지 않기 때문에, 부작용이 없는 의약품의 개발에 새로운 개념을 제시했다고 할 수 있습니다.
[용어의 해설]
분자상 수소 : 화학식은 H₂. 이른바 수소 가스로, 1 기압에서는 물에 1.6 ppm(0.8 mM) 용해된다. 분자상 수소를 용해시킨 물은, H₂인 채로 녹아 있어서 이온화 하지 않는다. 이것을, 수소수라고 한다.
지질(脂質) 프리 래디칼 연쇄 반응: 프리 래디칼이 세포막안의 지질로부터 전자를 빼앗아, 프리 래디칼의 연쇄 반응의 메커니즘에 의해서 진행한다. 다가 불포화 지방산(多価不飽和脂肪酸)은 특히 반응성의 높은 수소를 가지는 메틸렌기에 끼워진 복수(複数)의 이중 결합(二重結合)을 가지고 있기 때문에, 지질 과산화 반응(脂質過酸化反応)은, 통상, 다가 불포화 지방산에 의해서 생긴다.
지질(脂質) 메디에이타 : 지질(脂質)메디에이타는 생물 활성(생리 작용)을 갖는 지질(脂質)이다. 특히 세포외로 방출되어 다른 세포의 세포막 수용체에 결합하는 것에 의해서 작용하는 분자를 가리키는 것이 많다. 프로스태그런진, 로이코트리엔, 혈소판 활성화 인자(PAF), 내인성 칸나비노이드, 리조호스파치진산, 스핀고신1-인산등이 그 예이다.
망라적 유전자 발현 해석(網羅的遺伝子発現解析) : DNA 마이크로 어레이는 DNA 팁이라고도 부르고, 세포내의 유전자 발현량을 측정하기 위해서, 다수의 DNA 단편을 플라스틱이나 유리등의 기판상에 고밀도로 배치해, 다수의 유전자량을 한 번에 계측한다. 이것에 검사대상 물체를 반응시키면, 검사대상 물체의 DNA 배열과 상호 보완적인 염기배열의 부분에서만 검사대상 물체의 DNA사슬이 결합한다. 결합 위치를 형광에 의해서 검출해, 최초의 배치로부터 검사대상 물체에 포함되는 DNA 배열을 알 수가 있다. 유전자 발현을 조사할 때는, mRNA를 cDNA로 변환한다.
NFAT: (Nuclear factor of activated T-cells) 전사인자(転写因子)의 하나로, 칼슘에 의존해 카르시뉴린에 의해서, 탈인산화 된다. 탈인산화 된 NFAT는, 핵으로 옮겨져 전사 인자로서 기능한다. 염증성 사이트 카인등의 유전자를 전사 한다. 최근에는, 매우 암, 알츠하이머, 고혈압, 심장확대, 골다공증과의 관련으로 주목받고 있다.
칼시뉴린: 칼시뉴린(Calcineurin:CN)은 세포내 시그널 전달에 관여하는 프로테인호스파타제의 일종으로, 일부의 면역 억제제의 표적인 것이 밝혀지고 있다. 이것을 계기로 면역계로 중요한 역할을 완수하는 것이 알려졌다.
AAPH: 2,2´-Azobis(2-methylpropionamidine) Dihydrochloride. 자연개렬(自然開裂)에 의해서, 지질 알코키실래디칼을 발생해, 지질 프리래디칼 연쇄 반응을 개시한다.
※위글은 http://suisosui.blog.me/220596815990에서 가져 온 글입니다.
수소의 선택적 항산화작용..
수소용존량 등을 따져 제대로 된 수소수를 골라 환자분들께 제공...
첫댓글 감사합니다