I ricercatori del Tianjin Medical University General Hospital-China e della Weifang Medical University-China stanno esplorando l’uso della terapia con idrogeno come possibile trattamento adiuvante per COVID-19.
Recentemente, uno studio condotto dall’Accademico Dr Zhong Nanshan in Cina sul trattamento dei pazienti con COVID-19 per inalazione di un gas misto composto da idrogeno e ossigeno ha attirato una diffusa attenzione internazionale e l’idrogenoterapia è stata inclusa anche in un nuovo piano di trattamento per il COVID-19 in Cina.
I risultati dello studio descrivono principalmente il meccanismo di insorgenza del COVID-19, riassumono gli effetti terapeutici e i meccanismi sottostanti dell’idrogeno sulla malattia critica e analizzano la fattibilità e i potenziali bersagli terapeutici dell’idrogeno per il trattamento del COVID-19.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista peer reviewed: Frontiers in Medicine.
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmed.2021.671215/full
Applicazione clinica e caratteristiche dell’idrogeno
L’idrogeno, il gas a densità più bassa conosciuto al mondo, ha la massa molecolare più piccola e un certo grado di riducibilità. La ricerca biologica sull’idrogeno è iniziata nel 1975 utilizzando una miscela al 97,5% di idrogeno e al 2,5% di ossigeno per trattare il carcinoma a cellule squamose della pelle di topo indotto dalle radiazioni UV (14).
Nel 2001 gli studiosi francesi hanno utilizzato l’idrogeno ad alta pressione (otto pressione atmosferica standard) per curare le malattie parassitarie del fegato, dimostrando per la prima volta che l’idrogeno ha effetti antinfiammatori e proponendo che la reazione diretta dell’idrogeno con il radicale idrossile (•OH ) è la base molecolare per il suo trattamento del danno infiammatorio (15).
Fino al 2007, gli studiosi giapponesi hanno riferito che l’inalazione di gas idrogeno al 2% negli animali potrebbe eliminare efficacemente i radicali liberi tossici e migliorare significativamente il danno da ischemia-riperfusione cerebrale (16), che ha attirato ampia attenzione internazionale. L’idrogeno ha iniziato a diventare un hotspot di ricerca nel campo biomedico. È stato scoperto che l’idrogeno ha effetti terapeutici su varie malattie come tumori, sepsi, lesioni d’organo e lesioni da ischemia-riperfusione (17-19, 59).
Esistono molti modi per utilizzare l’idrogeno come l’inalazione di idrogeno, bere acqua ricca di idrogeno (HRW), l’iniezione di HRW, fare il bagno con HRW e colliri contenenti H2 disciolto. Inizialmente, l’elemento idrogeno utilizzato negli studi clinici era principalmente in forma non gassosa.
Studi clinici hanno dimostrato che bere HRW è sicuro e ben tollerato e che HRW contenente 0,8 o 5 mM di H2 disciolto migliora i sintomi clinici nei pazienti con malattia di Parkinson (20-22). HRW contenente 7 ppm di H2 (3,5 mg di H2 in 500 ml di acqua) potrebbe proteggere l’endotelio vascolare dai ROS (23).
Gli adulti sani bevono 4 settimane di HRW a 1,5 L a settimana, il che può ridurre la morte cellulare e l’infiammazione regolando la segnalazione del recettore Toll-like-fattore nucleare-kappa B (TLR-NF-κB) e migliorando la capacità antiossidante del corpo. Quando misurata utilizzando l’analizzatore di H2 disciolto, la concentrazione di idrogeno di HRW era 0,753 ± 0,012 mg/l (24).
Un’iniezione di soluzione salina ricca di idrogeno contenente 1 ppm di H2 può ridurre in modo sicuro ed efficace la fase attiva dell’artrite reumatoide (25). L’uso frequente di compresse ricche di idrogeno può trattare efficacemente le lesioni dei tessuti molli negli atleti professionisti di sesso maschile (26). Le capsule orali ricche di idrogeno costituite da una miscela di minerali generatori di idrogeno (46 mg di calcio e 40 mg di magnesio) possono migliorare l’insulino-resistenza nei pazienti obesi e H2 può essere prodotto nell’intestino dalle seguenti reazioni: Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2 fornendo 6 ppm di H2 al giorno (27).
L’idrogeno può essere rapidamente assorbito e utilizzato; quindi, è più adatto per i pazienti di emergenza perché la somministrazione orale nei pazienti di emergenza limita sempre il liquido. Pertanto, l’inalazione di gas idrogeno è l’opzione migliore per la combinazione di sicurezza e fattibilità.
Negli ultimi anni, gli studi clinici hanno anche confermato gli effetti terapeutici dell’inalazione di gas idrogeno. I pazienti con cancro del colon-retto allo stadio terminale trattati contemporaneamente con il 68% di idrogeno e il 32% di ossigeno hanno mostrato un aumento del rapporto tra morte cellulare programmata-1 (PD-1)-/cellule T CD8+ nel sangue periferico, significativamente più lungo senza progressione sopravvivenza e prognosi migliore (60).
Inoltre, la concentrazione del 3% di inalazione di idrogeno per il trattamento dei pazienti con infarto cerebrale acuto ha rilevato che le indicazioni vitali dei pazienti non erano significativamente diverse da quelle del gruppo di controllo, la saturazione di ossigeno era più elevata e il grado e la portata di le lesioni cerebrali erano più piccole, il che potrebbe ottenere gli effetti terapeutici dopo la finestra terapeutica clinica ottimale (28).
Inoltre, diversi studi clinici hanno confermato che l’inalazione di idrogeno ha un’implicazione positiva sulla riduzione degli eventi avversi nella progressione e nel trattamento della sindrome da arresto cartografico dopo infarto miocardico acuto e carcinoma polmonare non a piccole cellule, nonché sul rimodellamento ventricolare ( 29-32). Per quanto riguarda le malattie virali, non ci sono prove che l’idrogeno possa agire direttamente sul virus, che necessita di ulteriori ricerche.
Attualmente, il trattamento con il COVID-19 consiste nell’inalazione di una miscela di idrogeno e ossigeno (66% idrogeno; 33% ossigeno) a 6 L/min tramite cannula nasale utilizzando il generatore di idrogeno/ossigeno (modello AMS-H- 03, Shanghai Asclepius Meditec Co., Ltd., Cina).
L’inalazione di H2-O2 per 7,7 h sulla base dello standard di cura ha migliorato significativamente la gravità della malattia al giorno 2, tra cui scala della dispnea, sofferenza toracica, dolore toracico, scala della tosse e saturazione di ossigeno a riposo, rispetto al gruppo di controllo del pazienti che hanno ricevuto cure standard quotidiane con ossigenoterapia.
Ciò può essere correlato alla riduzione della resistenza all’inalazione da parte della miscela idrogeno/ossigeno (66). Tuttavia, lo studio presentava ancora alcune limitazioni, vale a dire che non vi era un’allocazione casuale dei pazienti, che potrebbe causare errori di selezione a causa della situazione di emergenza e, inoltre, non sono stati condotti ulteriori studi sul meccanismo sottostante.
L’inalazione di idrogeno riduce la resistenza all’inalazione anche nei pazienti con stenosi tracheale acuta grave (33). Inoltre, è stato condotto uno studio multicentrico, randomizzato, in doppio cieco e controllato a gruppi paralleli che mostrava che l’inalazione di una miscela di idrogeno/ossigeno può migliorare significativamente l’esacerbazione acuta dei sintomi della malattia polmonare ostruttiva cronica, tra cui dispnea, tosse ed espettorazione, rispetto con ossigeno, con profilo di sicurezza e tollerabilità accettabile (34).
Potenziali bersagli dell’idrogeno per il trattamento dei
neutrofili Covid-19
Si ritiene che i neutrofili, in quanto prima parte di difesa dell’immunità innata, svolgano un ruolo protettivo sull’infezione batterica o fungina. Uccidono i batteri oi funghi attraverso la fagocitosi e le trappole extracellulari dei neutrofili (NET) (35). Tuttavia, il loro ruolo nell’infezione virale non è chiaro. Un’autopsia dei pazienti morti di COVID-19, i neutrofili si sono infiltrati nei capillari polmonari e nelle cavità alveolari.
Il tessuto polmonare mostrava capillarite acuta con deposito di fibrina e mucosite con infiltrazione di neutrofili, che era associata alla patogenesi della lesione polmonare (36, 64). L’analisi del sequenziamento del trascrittoma delle cellule infettate da SARS-CoV-2 ha mostrato che le cellule infette esprimevano le chemochine dei neutrofili. L’analisi del sequenziamento del trascrittoma delle cellule del liquido di lavaggio broncoalveolare dei pazienti ha anche rivelato l’upregulation dei geni dei neutrofili e delle chemochine come il recettore del TNF (TNFR), IL-8, CXCR1 e CXCR2 (37).
Poiché i neutrofili non sono le principali cellule infiammatorie nell’infezione virale, il loro aspetto aggrava senza dubbio il danno infiammatorio nel tessuto polmonare. Nei pazienti con COVID-19, la neutrofilia tendeva a predire una prognosi sfavorevole (63) e un aumento del rapporto neutrofili-linfociti era un fattore di rischio indipendente per la malattia grave (38). Tomar et al. hanno scoperto che l’aumento della mortalità nei pazienti con diabete e malattie cardiovascolari era anche associato alla neutrofilia (39).
Si è riscontrato che l’inalazione di gas idrogeno può ridurre l’infiltrazione dei neutrofili nel tessuto polmonare, in modo da alleviare il danno infiammatorio al tessuto polmonare negli stati patologici. Xie et al. topi trattati con sepsi grave per inalazione di gas idrogeno e hanno scoperto che dopo l’inalazione di gas idrogeno, il danno strutturale polmonare causato dall’infiltrazione di cellule infiammatorie era significativamente migliorato e l’infiltrazione dei neutrofili nell’interstizio polmonare e nello spazio alveolare era ridotta, migliorando così il tasso di sopravvivenza del topi settici gravi modellati con legatura e perforazione cecale (CLP; (58)).
Nel modello di ratto dello shock emorragico e della rianimazione, è stato riscontrato che l’attività della mieloperossidasi del tessuto polmonare (MPO) era inferiore nel gruppo di inalazione di idrogeno al 2% rispetto al gruppo di controllo e i livelli di citochina di inizio dell’infiammazione, TNF-α, e anche IL-1β sono stati ridotti. In breve, l’inalazione di gas idrogeno al 2% dopo lo shock emorragico e la rianimazione ha ridotto l’attività dell’MPO e ha soppresso i mediatori pro-infiammatori riducendo l’infiltrazione delle cellule infiammatorie nel tessuto polmonare, riducendo così al minimo il grado di danno polmonare (40). Pertanto, abbiamo ipotizzato che i neutrofili potrebbero essere un bersaglio per la terapia con idrogeno COVID-19.
Macrofagi
I macrofagi fagocitano le cellule danneggiate e i patogeni nell’infiammazione all’interno del corpo rilasciando le chemochine, i leucotrieni e le prostaglandine che aumentano la permeabilità vascolare e attirano più cellule infiammatorie (41). Presentano gli antigeni per attivare le risposte immunitarie adattative.
Abbiamo eseguito il sequenziamento dell’RNA a singola cellula delle cellule immunitarie dal liquido di lavaggio broncoalveolare dei pazienti con grave COVID-19 e abbiamo scoperto che erano arricchite nei macrofagi derivati da monociti proinfiammatori (42). Pertanto, l’inibizione dell’eccessiva attivazione dei macrofagi può essere un modo efficace per attenuare il danno infiammatorio. Chen HG et al. macrofagi RAW264.7 in cocoltura in un mezzo ricco di idrogeno con 1 μg/ml di lipopolisaccaride (LPS) per ottenere un modello cellulare di sepsi.
I risultati hanno mostrato che il trattamento con idrogeno ha aumentato l’attività dell’eme ossigenasi-1 (HO-1) nei macrofagi rispetto al gruppo di controllo e ha ridotto i livelli di fattori pro-infiammatori [TNF-α, IL-1β e gruppo ad alta mobilità box 1 (HMGB1)] stimolato da LPS in maniera concentrazione-dipendente, aumentando i livelli del fattore antinfiammatorio IL-10 e diminuendo i livelli di infiammazione cellulare (43).
Wang et al. hanno scoperto che LPS ha indotto un aumento dell’adesione delle cellule endoteliali della vena ombelicale umana (HUVEC) ai monociti, un aumento della molecola di adesione delle cellule vascolari-1 (VCAM-1) e del rilascio di E-selectina e una diminuzione dell’espressione della caderina endoteliale vascolare (VE-caderina). Tuttavia, la cocoltura fluida ricca di idrogeno può ridurre il rilascio delle molecole di adesione e i cambiamenti nella permeabilità endoteliale causati dall’LPS e prevenire l’ulteriore sviluppo delle risposte infiammatorie (44).
L’idrogeno riduce l’assorbimento dei monociti da parte delle molecole di adesione endoteliale sotto risposta infiammatoria, impedendo così ai monociti trasportati dal sangue di passare attraverso l’endotelio vascolare e di attivarsi nei macrofagi, con conseguente danno infiammatorio eccessivo. Nel modello di asma indotto da ovalbumina di topi, l’inalazione di idrogeno potrebbe invertire il difetto fagocitico dei macrofagi nei topi asmatici attraverso la via del fattore 2 (Nrf2) correlato al fattore 2 eritroide nucleare e ridurre significativamente l’iperreattività delle vie aeree indotta dall’ovoalbumina e inibire l’infiammazione e proliferazione delle cellule caliciformi (45). Si può notare che l’idrogeno può stabilizzare la funzione dei macrofagi ed evitare danni all’organismo causati da un’eccessiva attivazione e da difetti fagocitari.
citochine
Le citochine svolgono un ruolo importante nella regolazione delle cellule infiammatorie legandosi ai recettori specifici sulle cellule bersaglio. I mediatori chimici rilasciati dalle cellule infiammatorie possono causare vasodilatazione, aumento della permeabilità e essudazione leucocitaria e svolgono un ruolo importante nell’inizio e nella progressione dell’infiammazione.
Gli studi attuali suggeriscono che il COVID-19 ha un processo fisiopatologico simile alla sepsi, cioè la patogenesi immunitaria e la disfunzione microcircolatoria causata dalla tempesta di citochine infiammatorie sistemiche (46). Wilson et al. ha scoperto che nel siero dei pazienti con grave COVID-19 o sepsi, i livelli di cinque citochine correlate alla “tempesta di citochine” erano i seguenti: IL-1β, IL-1RA, IL-6, IL-8 e TNF -α e non ci sono state differenze significative (47).
L’effetto protettivo dell’idrogeno sul danno d’organo nella sepsi è stato dimostrato in una varietà di modelli animali. Xie et al. hanno scoperto che l’inalazione di idrogeno al 2% ha effetti terapeutici sul danno polmonare acuto (ALI) causato da un modello di risposta infiammatoria sistemica indotta dall’iniezione intraperitoneale di zymosan. L’idrogeno può ridurre i livelli del fattore infiammatorio precoce TNF-α e del fattore infiammatorio tardivo HMGB1 nel siero e nel tessuto polmonare, alleviare il danno al tessuto polmonare e migliorare il tasso di sopravvivenza dei topi (62).
Il meccanismo principale è che l’idrogeno inibisce l’espressione di HMGB1 e allevia il danno tissutale sovraregolando la via HO-1 mediata da Nrf2 (48, 61). Wang et al. hanno scoperto che i livelli di proteina 1 chemiotattica dei monociti (MCP-1), IL-4 e IL-6 nel sangue periferico sono diminuiti significativamente dopo l’inalazione di gas idrogeno al 2,4% tramite un catetere nasale per 45 minuti nei pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva malattia. L’idrogeno riduce l’infiammazione delle vie aeree riducendo i livelli di citochine (65). Secondo gli studi di cui sopra, l’uso del gas idrogeno può ridurre la tempesta distruttiva di citochine e le lesioni polmonari causate da SARS-CoV-2 nella fase iniziale del COVID-19, stimolare il drenaggio dell’espettorato e, infine, ridurre l’incidenza di malattie gravi ( 49).
Specie reattive dell’ossigeno
Le specie reattive dell’ossigeno sono un termine collettivo che descrive le sostanze chimiche formate dalla riduzione incompleta dell’ossigeno, derivate dall’ossigeno molecolare e formate dalle reazioni redox o dall’eccitazione elettronica, comprese le specie di radicali non liberi e radicali liberi (almeno un elettrone libero). (50) come anione superossido (O-2), perossido di idrogeno (H2O2) e •OH (51).
L’elevata formazione di diversi ROS porta a un danno molecolare indicato come “distress ossidativo”. I ROS in eccesso possono distruggere direttamente o indirettamente DNA e proteine e indurre mutazioni genetiche, che sono considerate correlate allo sviluppo di molte malattie. Nonostante i loro effetti citotossici, •OH e H2O2 svolgono importanti ruoli fisiologici alle basse concentrazioni: funzionano come molecole di segnalazione regolatorie; partecipare a molte cascate di trasduzione del segnale; e regolano i processi biologici come l’apoptosi, la proliferazione cellulare e il differenziamento (16). Simile alle altre malattie infettive, durante il processo COVID-19 vengono rilasciate grandi quantità di ROS (13). L’idrogeno è un gas riduttivo con effetti antiossidanti selettivi negli organismi viventi.
Ohsawa et al. ha scoperto per la prima volta che l’H2 ha un effetto scavenging molto forte su •OH, un effetto scavenging molto più piccolo sull’ossido nitrico (NO•) e un effetto scavenging trascurabile su altre specie reattive dell’ossigeno come il radicale anione superossido (O2•) (16), il che significa che l’idrogeno può solo eliminare i ROS dannosi mantenendo altri ROS fisiologici che svolgono un ruolo importante nella trasduzione del segnale cellulare. Dong et al. hanno scoperto che in un modello di sepsi murina indotta da CLP, l’inalazione di idrogeno al 2% potrebbe alleviare il danno tissutale polmonare causato dai ROS e aumentare l’indice di ossigenazione migliorando la funzione mitocondriale (52).
Tuttavia, Hancock et al. trovato che la reazione diretta dell’idrogeno con i radicali liberi non è molto attiva (53). Pertanto, ipotizziamo che l’effetto antiossidante dell’idrogeno in diverse malattie o disturbi non sia esattamente lo stesso. Di conseguenza, l’idrogeno può agire rimuovendo direttamente i ROS tossici e quindi migliorando indirettamente l’attività antiossidante del corpo.
Inoltre, i ROS sono anche una molecola di segnalazione iniziale che avvia la risposta infiammatoria e i suoi effetti di amplificazione a cascata. I ROS e la risposta infiammatoria possono procedere in modo ciclico, in cui i ROS promuovono la risposta infiammatoria e l’infiammazione produce più ROS. Questo è uno dei meccanismi di danno tissutale parenchimale nel paziente (54). Pertanto, l’idrogeno può esercitare i suoi effetti antinfiammatori e antiossidanti nel COVID-19.
Prospettiva
Recentemente, ci sono altre recensioni che analizzano la possibilità dell’idrogeno come trattamento adiuvante del COVID-19. Russel et al. hanno concluso che l’idrogeno agisce su una varietà di vie per esercitare i suoi effetti antinfiammatori e antiossidanti nel trattamento delle malattie polmonari infiammatorie croniche. Pertanto, può alleviare i gravi sintomi polmonari del COVID-19 (54). Russel et al. hanno scoperto che tutti i domini della vita hanno un bisogno biologico intrinseco di idrogeno dal punto di vista dell’evoluzione biologica e l’idrogeno svolge un ruolo terapeutico in una varietà di malattie respiratorie compreso il COVID-19 (11).
Inoltre, è stato anche segnalato che il COVID-19 induce una malattia simile a Kawasaki, che si verifica nei bambini e porta a danni alle arterie coronarie. Chen et al. considerato che l’idrogeno può migliorare la funzione dei macrofagi e ridurre il danno da ischemia-riperfusione miocardica attraverso il suo effetto antinfiammatorio, che può essere un bersaglio terapeutico per il suo trattamento di malattie simili a Kawasaki causate dal COVID-19 (55). Il COVID-19 potrebbe essere servito come sepsi indotta da virus.
La ragione principale per i pazienti con disturbi respiratori COVID-19 è che SARS-CoV-2 attacca le cellule endoteliali dei capillari polmonari e innesca una risposta immunitaria. Un massiccio accumulo di essudato cellulare e muco causa ostruzione delle vie aeree e i pazienti manifestano dispnea. L’idrogeno può inibire il danno tissutale da parte delle cellule infiammatorie e dei fattori infiammatori in tutte le fasi della risposta infiammatoria (Figura 1). Poiché l’idrogeno può svolgere un potenziale effetto antivirale come l’idrogeno solforato, resta ancora da studiare (56).
Tuttavia, come nuova molecola di gas medico, l’idrogeno può presentare i seguenti vantaggi nel trattamento dei pazienti con COVID-19: (1) L’idrogeno può entrare direttamente nel tessuto polmonare attraverso le attività respiratorie. Se inalato in combinazione con l’ossigeno, l’ossigeno può essere portato nello spazio bronchiale più profondo, riducendo la resistenza delle vie aeree, aumentando la dispersione di ossigeno e migliorando la funzione respiratoria del paziente; (2) L’idrogeno ha un effetto antiossidante selettivo che neutralizza i radicali idrossilici senza alterare l’ossigeno reattivo funzionale. Se miscelato con ossigeno, è possibile ridurre il potenziale danno causato dalle alte concentrazioni di ossigeno; (3)
Dopo che l’idrogeno è entrato nel tessuto polmonare, esercita effetti antinfiammatori nelle molteplici fasi della risposta infiammatoria, alleviando il danno alle vie aeree causato dall’eccessiva attivazione delle cellule infiammatorie e dal massiccio rilascio di fattori infiammatori; (4) L’idrogeno può essere ottenuto per elettrolisi dell’acqua e le materie prime della reazione sono economiche e le risorse sono estese. La sicurezza dell’inalazione di idrogeno è stata dimostrata nella medicina subacquea (67) e anche il trattamento dei pazienti con COVID-19 ha iniziato a mostrare i risultati. Occorre inoltre considerare un altro fattore: il potenziale dell’idrogeno ad alta concentrazione di provocare un’esplosione innescata dall’elettricità statica (57).
Spero che in futuro ci saranno più valutazioni cliniche sulla sicurezza dell’idrogeno, che getteranno le basi per l’applicazione clinica dell’idrogeno. Inoltre, sono stati registrati alcuni studi clinici sull’inalazione di idrogeno o HRW orale per i pazienti con COVID-19 nel registro degli studi clinici dell’OMS2 (Tabella 1). Come terapia aggiuntiva, il meccanismo dell’idrogeno che allevia i sintomi dei pazienti con COVID-19 deve essere ulteriormente chiarito. Allo stesso tempo, l’idrogeno presenta potenziali problemi di sicurezza per il trattamento a lungo termine di malattie che necessitano di ulteriori esplorazioni.
