ミトコンドリアと水素の働き 人にも犬猫にも
ブログにいらして頂きありがとうございます。体の中で24時間水素イオンを作るサプリメントです。Vol.24 No.1, 20227教育講演水素の臨床応用をめざして鈴木 昌東京歯科大学市川総合病院 救急科Key words: フリーラジカル，活性酸素，酸化ストレス，炎症，アポトーシス応表 1 臨床応用のための要件要 旨分子状水素の臨床応用には，有効性，機序，有害事象の有無，体内動態，投与経路と投与量の確立を要する。各種実験モデルは様々な病態に劇的効果を発揮する。機序にKeep1－Nrf2 経路の関与が着目される。また，ミトコンドリアで酸化ストレスを惹起し，抗酸化作用が導かれるとも考えられる。現状で人体に対し無害と考えられている。COVID-19 の呼吸不全の進行に効果を示す可能性があり，早期のIL-6 減少と酸素化能の改善の傾向がみられている。はじめに分子状水素（H2）は，自然界に存在し，炭素を含まないエネルギー源として注目される。米国航空宇宙局（NASA）は液化水素を燃料として使用する研究を続け，人に対する影響を調査している。熱傷や凍傷，あるいは窒息の危険を挙げるが，LD50 は設定できず，発がん性等を含めた危険性はないとする（NASA, NSS1740.16）。そもそも人を含めた高等動物は，Hydrogenase を有さないがため，水素を活用できない。このため不活性ガスと認識されている。また，潜函病予防に水素を含んだ混合ガスが用いられてきたが，健康上の問題が生じたとの報告はない1)。生体内で水素が活性酸素種除去の効果を発揮することは本邦で確認された2)。以来，脳梗塞や心筋梗塞，心停止後症候群をはじめとした様々な病態に劇的効果を示すことが，次々と報告された2-8)。今日では美容から集中治療に至るまで，様々な応用可能性が考えられている。しかし，その機序の解明はいまだ途上である。あたかも「夢の特効薬」のような宣伝や商業活動も見かけるが，臨床試験によって確実な有効性が確立された病態は，現状では存在しないことに留意が必要である。本稿では，分子状水素の医学的展開について，その現状を紹介する。殊に，臨床応用を考慮する場合には，その効果，有害事象，投与方法が確立していなければならないことを踏まえた（表 1）概説をする。また，われわれを苦しめてきたCOVID-19 に対する可能性についての考察を試みる。分子状水素の効果分子状水素は，その物理化学的性質から活性酸素種に対する弱い還元作用があると知られていた。しかし，生体内で分子状水素を利用する機構が存在しないことから，分子状水素は生理的機能を有するとは考えられてこなかった。ところが，2007 年に生体内における活性酸素種除去の効果が本邦で確認された。大澤らは分子状水素の弱い還元作用に着目した。生体に対して強力な酸化ストレスを有するいわゆる「悪玉」効果がある効果発現の機序がわかっている有害事象の有無がわかってい毒性の有無がわかっている体内動態がわかっている投与経路が確立されている投与量が確立されているMedical Gases, 24 (1):87-12活性酸素種であるヒドロキシラジカル（・OH）とペルオキシナイトライト（ONOO-）とが水素投与によって選択的に消去されることが明らかなった。その上で，これらが多量に発生する脳の虚血再灌流モデルを用いて，分子状水素ガス吸入が脳梗塞領域を縮小させることを明らかにした2)。これが契機になり，動物モデルで様々な病態に劇的効果を有することが確認されるに至っている。心筋梗塞のモデルでも同様の効果が確認され3)，次に心停止後症候群に劇的効果を示している4,5)。冠血流の途絶している心筋領域においても分子状水素の到達は観察され，吸入された分子状水素が臓器内に拡散していることが示された3)。すなわち，脳梗塞や心筋梗塞のように血流途絶した領域にも分子状水素は到達し，血液脳関門や細胞膜，ミトコンドリア膜をも透過する優れた拡散性が，病変部位への速やかな到達を可能にし，効果を発揮すると考えられるに至っている。その後，分子状水素の効果は虚血再灌流障害，メタボリック症候群，炎症，あるいは癌など，200 近い疾病モデルにおいて示され，一部は人への応用が試みられている8)。人に投与した報告のうち，脳梗塞や心筋梗塞，心停止後症候群では有効性のある可能性が示されている9-11)。われわれは現在，心停止後症候群に特定臨床研究・先進医療B（HYBRID II Trial，jRCTs031180352）として二重盲検無作為化比較試験を進め，この結果を解析する準備段階にある12)。このような致死的疾患の他にも，角膜に対する効果なども示されている13)。人への応用のためには，投与方法の確立と安全性の担保とが必要になる。確実な治験をもって治療法が確立されるということを考えれば，分子状水素の臨床応用は，いまだ道半ばである。効果発現機序なぜ分子状水素が様々な病態に対して有効なのか，精力的な検討が続いている。すなわち，現状は現象論から，「水素は効く」と言われているにすぎない。多様な病態に効果を有するとするその機序について，最近の検討は，水素が多数の遺伝子発現に変化を及ぼしていることを示しており，その約半数がシグナル伝達に関与していることを明らかにしている14-17)。すなわち，分子状水素は単一の分子に影響を及ぼして効果を発現するというより，複雑なシグナル伝達経路のネットワークに効果を及ぼしていると考えられるようになってきた。不対電子を持つ原子や分子であるフリーラジカルは，生体内で主に呼吸鎖，貪食，プロスタグランジン合成，P-450 系で発生する。また，ミトコンドリアではATP 生成の副産物として発生する。これらはシグナル伝達や感染防御のように生体反応において不可欠だが，酸化ストレスとして有害な作用をも有しており，様々な病態に関係している。従来，様々な抗酸化物質が，様々な病態に試されてきたものの，細胞内シグナル伝達を損なわず，適度な抗酸化作用を有する候補物質は皆無であった。前述の2007 年に大澤らが示した研究成果は，分子状水素がその候補たりうることを紹介した画期的なものであった2)。当初，フリーラジカル除去が水素の主たる効果と考えられてきたが，近年はKeep1-Nrf2 系が着目されており，効果発現の有力な機序としてコンセンサスを得つつある18)。細胞は酸化ストレス・親電子性物質にさらされると，グルタチオン合成酵素やヘムオキシゲナーゼ1（HO-1）などの酸化ストレス応答遺伝子を発現誘導し，生体防御に努める。この酸化ストレスによる遺伝子発現機構に関して，転写レベルの発現調節にNrf2 による遺伝子発現の活性化がある。一方，非酸化ストレス下では，Nrf2 はKeap1 と名づけられた因子によって細胞質に留められ，核移行が阻害されることで遺伝子発現が抑制されている。このようにKeep1-Nrf2 系は，活性酸素種を減らすことによって炎症を軽減すると考えられてきた。近年， Keep1-Nrf2 系はインターロイキン6（IL-6）やインターロイキン1 β（IL-1 β）の遺伝子発現を阻害することで炎症を抑制することを示している19)。このようにレドックス感受性転写因子であるNrf2 は，抗酸化物質による傷害や炎症の抑制に寄与する。分子状水素は，このNrf2 の活性化によって抗炎症作用を有すると考えられている。すなわち，分子状水素が酸化ストレス下で活性化されるNrf2 経路を増強し，虚血再灌流や肺障害モデル，敗血症における脳損傷などに効果を有し，HO-1，スーパーオキシドディスムターゼ（SOD）あるいはカタラーゼを含む下流のエフェクターを活性化するのである。これらの効果はNrf2 ノックアウトマウスでは観察されなくなる。さらに最近になって大澤らは，LPS 誘導敗血症モデルで，LPS 投与後の分子状水素投与は効果的ではなく，LPS 投与前の分子状水素投与によって生存率が向上することを示した20)。すなわち，分子状水素の前投与がHO-1 誘導を促し，保護的効果を発揮したことを示した。また，培養神経芽細胞を用いて，分子状水素がミトコンドリアにおける活性酸素種の蓄積を起こし，弱い酸化ストレスを惹起してNrf2 系の抗炎症作用をもたらすことも示した。これによって，分子状水素はミトコンドリアに対してホルミシス効果を発揮すると考えられるようになった（図 1）。Vol.24 No.1, 20229分子状水素の安全性と有害事象水素は燃料としてロケットや自動車などに活用され脱炭素社会に向けてますます重要となろう。このため，多くの市民は水素に燃焼や爆発といった危険なイメージを抱いている。しかし，水素の燃焼温度は500℃を超え，ガソリンよりも高い温度である。また，酸素の存在下であっても，4% 以下の水素は燃焼しない。したがって，水素ガスを用いた臨床応用を考慮する場合には，必然的に4% 以下の濃度の水素を用いることで安全性が担保されることになる。既述の通り，水素は人体に作用しないとされてきた。すなわち，有害な分子とは認識されていない。事実，NASA は各種報告をまとめ，人体に無害であること，発がん性がないこと，LD50 は明らかにできないことを報告している（NASA, NSS1740.16）。また，深海潜水時に約50% の水素が使用されているが，毒性の報告はなされていないことは既述のとおりである1）。われわれが行った臨床試験のPilot study でも重篤な有害事象を観察していない9,11）。よって，医療を行う環境において，4% 以下の水素ガスを使用することは，懸念しうる安全上の課題が現状では見当たらない。臨床あるいは動物実験で水素ガスを使用したとして，水素分子は空気よりも軽く容易に拡散して，ガラスをも透過する。都市ガス等のように室内に貯留する心配は皆無である。よって，室内に充満して高濃度になり，4％を超えるという心配は，通常環境では危惧する必要がない。体内動態分子状水素は実際には人体内に微量に存在する。以前から，空腹時の呼気中水素は消化管発酵反応の指標と考えられ，消化管細菌叢の異常増殖を示唆するとされ，消化管疾患診断への応用が試みられてきた。これは消化管由来（口腔内，胃，小腸，大腸）とされる。消化管内細菌叢によって水素ガスは1 日に12L 産生されるとも言われる。また，大腸内視鏡前処置を行うと，呼気中水素濃度が低下すると言われる。また，胃では胃酸による化学反応によっても水素ガスが発生している。動物にトリチウムガスを吸わせると，トリチウム水として排出されることは古くから知られ，それは主に腸管内で起こることがわかっている。つまり，分子状水素は体内，特に消化管内で産生あるいは酸化されて体内に取り込まれていると考えられる21-23)。これまで動物実験あるいは臨床試験で低濃度水素ガス吸入が行われているが，吸入した水素はどのように体内に分布していくかが最近になって明らかになった。分子状水素ガスを単回吸入させると，肺から血液中に瞬時に吸収されて動脈に流れ，その後，動脈血中の水素濃度は減少し，遅れて門脈や静脈で水素濃度が上昇する。静脈系で水素濃度が上昇しても，頸動脈ではその血中濃度が維持されないので，血中水素は肺で排出されていると考えられる24,25)。飽和水素水の飲用や腸管細菌叢が産生した水素は主に門脈系に流れるものの，肺で排出されるであろうことが想像される。事実，アセトアミノフェンによる肝障害モデルでは，水素水の腹腔内投与が肝障害予防に有用とされるが26)，ガス吸入では効果がなさそうである（未発表データ）。このように，水素の現状での主な投与方法であるガス吸入と飽和水素水飲用とでは，効果発現部位が異なる可能性が考えられる。投与経路と投与量現状で人体に直接的に投与を行う主な方法は，前述の通り飽和水素水飲用とガス吸入とである。水素水はその溶存している水素の濃度についての信頼が揺らいでいるが，市販はされている。あるいはスポーツジムなどでは水素水を提供していることが多い。ただし，何に対してどの程度の量を飲用すべきか明らかでない。したがって，飲用は極めて現実的で容易な投与方法だが，慎重な検討を要すると言える。一方，ガス吸入は，これも前述のとおり，燃焼への危険を考慮して，図 1 水素の作用機序水素分子そのものが生体内で発生する侵襲によって惹起された活性酸素種の消去に働くことが考えられてきた。加えて，ミトコンドリアに軽度の酸化ストレスを与え，それによって Nrf2/HO-1 経路が誘導され，過剰な炎症を抑制する可能性も指摘されている。あるいはそれ以外の何らかの機序によって生体侵襲に伴う過剰な炎症反応を抑制し，臓器障害の軽減に寄与していることが考えられている。Medical Gases, 24 (1):104% までの濃度で使用することが原則と考えられる。心筋梗塞や出血性ショックモデルなどで示されているとおり，動物実験では，およそ2% 前後で最も効果が発揮されている。1% 以下や3% 以上では，2% よりその効果がやや劣ると考えられており，他の薬剤などとは異なって，濃度依存性の効果を発揮するわけではないと考えられている2,4,27)。投与タイミングについては，急性期病態では，臓器等の障害を防ぐために，より早期の投与とするのがコンセンサスである。ホルミシス効果があることを考えれば，可及的速やかに行うのが現実的であろう。ただし，それをいつまで続けるのが良いのかについては，検討がなされておらず，今後の課題であろう。COVID-19 に対して人の肺炎に対する分子状水素の投与経験は乏しい。これまで行われてきた敗血症モデルや肺障害モデルの実験結果を踏まえれば，肺炎に対して付加的な効果を期待できる。また，細菌性肺炎における自験例では，水素ガス投与によって炎症性サイトカイン濃度の劇的な低下が観察されている28)。2020 年以来，われわれの生活を一変させ，いまだに猛威をふるうSARS-CoV-2 による感染症は，今もなお，重症化した患者の救命に大きな困難が立ちはだかる。罹患した場合には，一定程度の割合で重症呼吸不全を来している。また，他の新興感染症に対しての備えも当然必要である。現状で，分子状水素に抗ウイルス作用は期待しえないが，分子状水素が炎症性サイトカインを抑制し，呼吸不全増悪を抑制する可能性はありえる。水素吸入に特殊な機器や技術は不要で，4% 水素＋96% 窒素の混合ガスボンベと病院に備えられている酸素とを使用すれば簡便に行うことができる。あるいは安全性が担保されるなら，水を電気分解する水素ガス発生装置利用はさらなる簡便性を持つ。水素は無味無臭かつ無刺激で，患者に苦痛はない。診療所や在宅治療でもすぐに応用できる。肺炎が重症化しなければ，集中治療のような膨大な医療資源消費を回避し，早期回復が見込める。さらに，抗ウイルス薬等との併用が可能で，付加的効果を期待できる。前述のとおり，早期の投与によって分子状水素の医学的効用が高いとすれば，重症化する前に投与を行うのが最も合理的である。したがって，COVID-19 に分子状水素を利用するならば，軽症や中等症患者への投与が最も効果的と考えられる。中華人民共和国では，標準診療と水素ガス吸入（66% 水素＋33% 酸素）の比較試験を行っている。この検討では，自覚症状としての呼吸困難のスケールが改善し，安静時酸素飽和度の改善がみられたとする。ここでは空気と比較して気道を通過するエアが，水素添加酸素で抵抗が少なくなるので吸気努力を減少させたとしている29）。本邦のとある救命救急センターでは，2000 年4 月の段階で，治療法のないCOVID-19 患者に対して，副作用の心配がなく，少しでも有効な治療が救命に役立てられないか，との考えから通常治療に水素ガス（大陽日酸株式会社のご厚意）を付加することを倫理審査委員会の許可のもとで行った。中等症に対する水素吸入によって，早期のCRP・IL- ６の低下，それに伴うP/F 比改善が観察されている（図 2；未発表データ）。IL-6 はCOVID-19 の重症度を反映するとされ，水素がIL-6抑制に関与しているならば，重症化を防ぐ有用な手段となることが期待できる。おわりに本稿では分子状水素の医療応用への可能性を概説した。分子状水素は救急集中治療や移植医療，あるいは癌治療をはじめとした様々な領域に効果を有する可能性が高い。臨床試験や治験においては，その鍵を握るのは臨床医であり，臨床医がこの治療法の登場を強く期待することが，成否を握ると言っても過言ではない。臨床試験の知見の集積を行って，臨床応用される日が早期に到来することが望まれる。図 2 人の肺炎に対する水素吸入a）肺炎による心停止後症候群に投与した経験。16 時間の吸入により IL-6 と TNF- αの減少が観察された（文献 28)）b）COVID-19 に対する臨床経験で 4 日間の 1％水素加酸素投与により P/F 比の改善と IL- ６の現状が観察された（未発表データ）。7-12Vol.24 No.1, 202211COI著者は大陽日酸株式会社から奨学寄附金を受領している。文 献1) Fontanari P, Badier M, Guillot C, et al: Changes in maximalperformance of inspiratory and skeletal muscles during andafter the 7.1-mpa hydra 10 record human dive. 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