Hydrogen-rich saline attenuates ischemia-reperfusion injury in skeletal muscle. | 高濃度水素生理食塩水は骨格筋の虚血再灌流障害を抑える

J Surg Res. 2014 Dec 15. pii: S0022-4804(14)01129-9. doi: 10.1016/j.jss.2014.12.016.

Hydrogen-rich saline attenuates ischemia-reperfusion injury in skeletal muscle.

Department of Orthopaedics, The Second Xiangya Hospital of Central South University

Abstract

BACKGROUND:

To investigate the potential beneficial effect of hydrogen-rich saline (HRS) in ischemia-reperfusion (IR) injury of skeletal muscle.

METHODS:

Three experimental groups were established in male Sprague-Dawley rats: (1) sham group, (2) IR with normal saline group, (3) and IR with HRS group. A rat model of skeletal muscle IR injury was induced by 3-h tourniquet occlusion on its left hind limb and 4-h reperfusion. Normal saline and HRS (1.0 mL/100 g) were administered intraperitoneally at 10 min before reperfusion, respectively. Muscle and serum samples were analyzed for detecting the levels of myeloperoxidase (MPO), superoxide dismutase (SOD), malondialdehyde (MDA), and hydroxyl radical (•OH). Muscle samples were assessed by wet/dry rate, hematoxylin and eosin histologic assessment, Bcl2, Bax, cytochrome C, LC3B, terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP-biotin nick end labeling, and electron microscopy.

RESULTS:

The wet/dry ratio increased significantly in the IR group (P < 0.01 compared with that in the sham group) and decreased significantly in IR with HRS groups (4.12 ± 0.14 versus 4.12 ± 0.14, P < 0.01 compared with that in the IR group). Muscle tissues and serum of the IR group had significantly increased levels of MPO, MDA, •OH content, and decreased SOD activities compared with the sham group (P < 0.01). The activity of SOD in the IR with HRS group was greatly elevated compared with that in the IR group (295.028 ± 9.288 versus 249.190 ± 5.450 in muscle tissues; 91.627 ± 2.604 versus 73.4045 ± 6.487 in serum; P < 0.01), whereas the levels of MPO, MDA, and •OH content were clearly reduced (MPO: 0.5649 ± 0.0724 versus 1.0984 ± 0.0824 in muscle tissues; 0.7257 ± 0.1232 versus 1.3147 ± 0.0531 in serum. MDA: 4.457 ± 0.650 versus 7.107 ± 0.597 in muscle tissues; 2.531 ± 0.434 versus 4.626 ± 0.237 in serum. •OH: 16.451 ± 0.806 versus 19.871 ± 0.594 in muscle tissues; 500.212 ± 7.387 versus 621.352 ± 7.591 in serum, P < 0.01). The integrated optical density of positive amethyst staining increased significantly in the IR group (P < 0.01 compared with that in the sham group) and decreased significantly in IR with HRS group (928.79 ± 234.537 versus 3005.972 ± 83.567, P < 0.01 compared with that in the IR group). Muscle tissues of the IR group had significantly increased levels of Bax, cytochrome C, LC3B content, and decreased Bcl2 activities compared with those in the sham group (P < 0.01). The activity of Bcl2 in the IR with HRS group was greatly elevated compared with that in the IR group (0.2635 ± 0.0704 versus 0.1242 ± 0.0662; P < 0.01), whereas the levels of Bax, cytochrome C, and LC3B content were clearly reduced (Bax: 0.3103 ± 0.0506 versus 0.5122 ± 0.0148; cytochrome C: 0.4194 ± 0.1116 versus 0.8127 ± 0.0166; LC3B: 0.5884 ± 0.0604 versus 1.3758 ± 0.0319; respectively, P < 0.01).

CONCLUSIONS:

HRS seems to be effective in attenuating IR injury in skeletal muscle via its antioxidant, anti-apoptosis, and anti-autophagy effect.

J Surg Res. 2014 Dec 15. pii: S0022-4804(14)01129-9. doi: 10.1016/j.jss.2014.12.016.

高濃度水素生理食塩水は
骨格筋の虚血再灌流障害を抑える

中南大学第二湘雅医院　整形外科

＜要旨＞

背景

骨格筋の虚血再灌流（IR）障害に対する高濃度水素生理食塩水（HRS）の効果を調べるため

方法

雄SDラットを以下の3群に分けました〔１）シャム群、２）IR＋生理食塩水処置群、３）IR＋HRS処置群〕。また、骨格筋IR障害モデルラットは3時間にわたる左後脚の止血帯による結紮を行った後、4時間の再灌流を起こすことで作成しました。なお、生理食塩水とHRS（各1.0mL/100gBW）はそれぞれ、再灌流の10分前に腹腔内投与を行いました。

それら実験で得られた筋肉と血清のサンプルは、ミエロペルオキシダーゼ（MPO）、スーパーオキシドディスムターゼ（SOD）、マロンジアルデヒド（MDA）、ヒドロキシラジカル（・OH）の測定・分析を行いました。

さらにそれらサンプルの筋肉乾燥／湿重量比をはじめとして、HE染色やBcl2、Bax、シトクロムC、LC3B、TUNEL法、電子顕微鏡での評価を行いました。

結果

乾湿重量比はIR群において有意に増加（P<0.01,vsシャム群）しましたが、IR＋HRS処置群では有意に減少（P<0.01,vsIR群）しました。またIR群において、筋組織や血清中のMPOやMDA、・OH量が有意に増加し、SOD活性が低下しました（P<0.01,vsシャム群）。なおIR＋HRS処置群では、筋肉や血清中のSOD活性がIR群と比較して、大幅に上昇（P<0.01）する一方で、筋肉や血清中のMPOやMDA、・OH量は明らかに減少（P<0.01）しました。

また、IR群においてTUNEL法（アポトーシスによるDNAの断片化を意味する）の積分OD値が有意に上昇（P<0.01,vsシャム群）していましたが、IR＋HRS処置群では有意に低下（P<0.01,vsIR群）していました。

さらにIR群において筋線維中のBax、シトクロムC、LC3B量が有意に上昇し、Bcl2活性が減少していました（P<0.01,vsシャム群）が、IR＋HRS処置群ではBcl2活性が大幅に上昇（P<0.01,vsIR群）するとともに、Bax、チトクロムC、LC3B量が著明に減少（P<0.01,vsIR群）していました。

結論

高濃度水素生理食塩水は、その抗酸化作用や抗アポトーシス作用、抗オートファジー作用を通じて、骨格筋の虚血再灌流障害を緩和するのに役立つと考えられます。

＜一言＞

骨格筋の虚血再灌流障害とは何ぞや？という話ですが、血流が一時途絶えて再開すると、発生した活性酸素の悪影響で筋肉が萎縮してしまうのだそうです。そこで筋肉の虚血再灌流障害にも水素は効果があるかどうかを調べたのがこの研究です。いろいろな臓器の虚血再灌流障害に対する水素の報告はあっても、骨格筋についての報告は初めてだと思います。

お決まりの方法で調べたところ、水素を投与すると虚血再灌流障害で起こるはずの酸化ストレスがあまり上がっていない、アポトーシス（細胞のプログラム死）もあまり起きていない、さらにオートファジーもそんなに起きていないという結果です。オートファジーとは細胞内のお掃除であると簡単にとらえてもらっていいのですが、オートファジーがあまり起きていない＝掃除するものがない＝細胞が壊れていないということがいえます。

以上のことから水素を投与すると、骨格筋の虚血再灌流障害がおきにくかった…といえます。