水素はＮＯ・から発生するペルオキシナイトライトを減少させて 酸化ストレスから軟骨細胞を守り、間接的に遺伝子発現を変える | Molecular hydrogen protects chondrocytes from oxidative stress and indirectly alters gene expressions through reducing peroxynitrite derived from nitric oxide.
Med Gas Res. 2011 Aug 4;1(1):18. doi: 10.1186/2045-9912-1-18.
Molecular hydrogen protects chondrocytes from oxidative stress and indirectly alters gene expressions through reducing peroxynitrite derived from nitric oxide.
Hanaoka T, Kamimura N, Yokota T, Takai S, Ohta S.
Source
Department of Orthopedic Surgery, Nippon Medical School, 1-1-5 Sendagi, Bunkyou-ku, Tokyo, 113-8602, Japan. ohta@nms.ac.jp.
Abstract
BACKGROUND:
Molecular hydrogen (H2) functions as an extensive protector against oxidative stress, inflammation and allergic reaction in various biological models and clinical tests; however, its essential mechanisms remain unknown. H2 directly reacts with the strong reactive nitrogen species peroxynitrite (ONOO-) as well as hydroxyl radicals (•OH), but not with nitric oxide radical (NO•). We hypothesized that one of the H2 functions is caused by reducing cellular ONOO-, which is generated by the rapid reaction of NO• with superoxides (•O2-). To verify this hypothesis, we examined whether H2 could restore cytotoxicity and transcriptional alterations induced by ONOO- derived from NO• in chondrocytes.
METHODS:
We treated cultured chondrocytes from porcine hindlimb cartilage or from rat meniscus fibrecartilage with a donor of NO•, S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP) in the presence or absence of H2. Chondrocyte viability was determined using a LIVE/DEAD Viability/Cytotoxicity Kit. Gene expressions of the matrix proteins of cartilage and the matrix metalloproteinases were analyzed by reverse transcriptase-coupled real-time PCR method.
RESULTS:
SNAP treatment increased the levels of nitrated proteins. H2 decreased the levels of the nitrated proteins, and suppressed chondrocyte death. It is known that the matrix proteins of cartilage (including aggrecan and type II collagen) and matrix metalloproteinases (such as MMP3 and MMP13) are down- and up-regulated by ONOO-, respectively. H2 restoratively increased the gene expressions of aggrecan and type II collagen in the presence of H2. Conversely, the gene expressions of MMP3 and MMP13 were restoratively down-regulated with H2. Thus, H2 acted to restore transcriptional alterations induced by ONOO-.
CONCLUSIONS:
These results imply that one of the functions of H2 exhibits cytoprotective effects and transcriptional alterations through reducing ONOO-. Moreover, novel pharmacological strategies aimed at selective removal of ONOO- may represent a powerful method for preventive and therapeutic use of H2 for joint diseases.
Med Gas Res. 2011 Aug 4;1(1):18. doi: 10.1186/2045-9912-1-18.
水素はＮＯ・から発生するペルオキシナイトライトを減少させて
酸化ストレスから軟骨細胞を守り、間接的に遺伝子発現を変える
日本医科大学 整形外科学教室
＜要旨＞
背景
水素分子は、さまざまな動物モデルや臨床試験にて、酸化ストレスや炎症、アレルギー反応からからだを守る働きがあることが知られていますが、そのメカニズムは不明のままです。
水素はヒドロキシラジカル（・ＯＨ）と同様、反応性が高くからだに有害な窒素酸化物であるペルオキシナイトレイト（ＯＮＯＯ－）と直接反応しますが、一酸化窒素（ＮＯ・）とは反応しません。
そして、私たちはＮＯ・とスーパーオキシド（・Ｏ２－）の反応によって発生する細胞中のＯＮＯＯ－を減少させることが、水素の作用メカニズムの一つなのではないかとの仮説を立てました。この仮説を検証するため、私たちは軟骨細胞においてＮＯ・から発生したＯＮＯＯ－が惹起する細胞毒性や転写の変化を水素分子が修復できるかどうかをテストしました。
方法
私たちは水素存在下あるいは水素非存在下において、軟骨細胞（豚の後脚軟骨由来、もしくはラットのメニスカス繊維軟骨由来を使用）を一酸化窒素の発生源であるＳ－ニトロソＮ－アセチルペニシラミン（ＳＮＡＰ）とともに培養しました。軟骨細胞の生死についてはLIVE/DEAD Viability/Cytotoxicityキットを使い判定しました。また、逆転写ポリメラーゼ連鎖反応と組み合わせたリアルタイムＰＣＲ法で軟骨マトリックスたんぱくやマトリックスメタロプロテナーゼ（分解酵素）の遺伝子発現を分析しました。
結果
ＳＮＡＰとともに培養することにより、ニトロ化たんぱく質が増えました。水素分子はニトロ化たんぱく質を減らし、軟骨細胞死を抑制しました。
軟骨のマトリックスたんぱく（アグリカンやⅡ型コラーゲンを含む）やマトリックスメタロプロテナーゼ（ＭＭＰ３やＭＭＰ１３など）はパーオキシナイトレイトによってアップレギュレーションやダウンレギュレーションが起こることが知られています。水素存在下で水素がアグリカンやⅡ型コラーゲンの遺伝子発現を増やすことが確認されました。一方で分解酵素であるＭＭＰ３やＭＭＰ１３の遺伝子発現は水素存在下では減ります。このように、水素はＯＮＯＯ－による遺伝子発現の変化を抑えることができるのです。
結論
以上の結果から、水素が選択的にＯＮＯＯ－を減少させて酸化ストレスを減らし、遺伝子発現変化を抑える結果、軟骨保護を示すことが示唆されました。このことから、関節の保護や治療に水素の使用が有用であると考えられます。
＜一言＞
活性窒素酸化物の一種であるペルオキシナイトライトが遺伝子発現を変化させることによって、関節成分の産生を減らすとともに分解を促進することで関節を壊してしまいます。水素はその害を防ぐという報告です。内臓だけではなく、関節にも作用する可能性があるということがわかりました。
