在化學(xué)元素表中,零族是一類比較特殊的物質(zhì),這些物質(zhì)大部分是化學(xué)性質(zhì)非常不活潑的單原子氣體,人類在發(fā)現(xiàn)這些元素時(shí)有許多傳奇故事。在地球上,人類首先發(fā)現(xiàn)的稀有氣體是氬?,F(xiàn)在初步研究提示,懶惰氣體氬氣可能具有十分重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。這里給大家進(jìn)行簡單介紹,以引起相關(guān)同行的關(guān)注。更多信息點(diǎn)擊:,或者撥打我們的熱線電話:400-6277-838
一、懶惰氣體氬氣的發(fā)現(xiàn)
英國著名化學(xué)家卡文迪許在1785年發(fā)現(xiàn)了氫,他試圖把空氣中的氮?dú)夂脱鯕馔耆コ?。他先在空氣中通入過量的氧氣,用放電法使空氣中的氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)生成一氧化氮,然后用堿溶液吸收一氧化氮,剩余的氧再用紅熱的銅除去。但即使把所有的氮?dú)夂脱鯕舛汲チ?,仍然存在著少量的殘余氣體??ㄎ牡显S報(bào)道了他的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但在當(dāng)時(shí)沒有引起其他化學(xué)家的注意,他本人也沒有再進(jìn)一步研究。其實(shí),在這“殘余氣體”內(nèi)就隱藏著另外一族的化學(xué)元素。如此一來,發(fā)現(xiàn)新元素的機(jī)會(huì)就這樣從他身邊溜走了。
一個(gè)世紀(jì)后,英國物理學(xué)家瑞禮男爵三世在研究大氣中各種氣體的密度時(shí),發(fā)現(xiàn)從空氣中除去氧氣以后,所得到“氮?dú)?rdquo;的密度是1.2 572 g/L,然而從氮化物中制得氮的密度是1.2 507 g/L。雖然兩者之間的差異只顯現(xiàn)在第三位小數(shù)上,但已經(jīng)超過了當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)誤差范圍。瑞禮無法給予合理的解釋,便把這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)公布于世,征求解答。后來,英國化學(xué)家瑞姆賽爵士繼續(xù)這項(xiàng)研究,經(jīng)過瑞禮和瑞姆賽反復(fù)精確的實(shí)驗(yàn),最后都得到一種空氣的殘余氣體,這種氣體的體積約占原空氣體積的1%,而且比氮?dú)馍灾兀?jīng)過光譜分析后才斷定這種氣體是一種新元素。在1894年,瑞禮和瑞姆賽宣布了這一元素的發(fā)現(xiàn),并且把它定名為argon,古希臘文有“懶惰”的意思,中文的譯名是“氬”。這也就是在科學(xué)界中廣被傳說的“第三位小數(shù)的勝利”。
二、高壓氬具有麻醉作用
氬的原子序數(shù)為18,零度條件下,密度為1.784 g/L,比氮的密度1.251 g/L稍高。在27度條件下,氬的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.0178W/mK,氮的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.0260 W/mK。關(guān)于氬的生物學(xué)效應(yīng),最早見于二十世紀(jì)30年代的潛水醫(yī)學(xué)研究,該研究的目的是為探索一些空氣中的氣體成分是否適用于潛水呼吸。在經(jīng)過大膽的親自參與的試驗(yàn)后,潛水醫(yī)學(xué)研究者發(fā)現(xiàn)氬的麻醉作用高于氮?dú)?。不過高壓下兩者在呼吸阻力和心理學(xué)效應(yīng)無明顯區(qū)別。根據(jù)righting reflex(ED50)評(píng)估氬的麻醉作用,小鼠為15.2 atm,但Sprague–Dawley雄性大鼠為27.0 atm(+/-2.6 atm)。顯然在常壓下,氬氣沒有任何麻醉作用。
三、氬氣的器官保護(hù)作用
關(guān)于氬氣的器官保護(hù)作用,研究最多的是神經(jīng)保護(hù)作用。俄羅斯研究者在國際上率先描述了氬氣的神經(jīng)保護(hù)作用。他們?cè)u(píng)價(jià)了氬氣對(duì)低氧混合氣呼吸引起的低氧損傷。Soldatov等發(fā)現(xiàn),通過增加氬氣的濃度(25 to 77%),可以顯著提高低氧情況下動(dòng)物存活率??梢愿纳迫祟愒诘脱跚闆r下復(fù)雜操作和智力技能。Yarin等發(fā)現(xiàn)氬氧混合氣體(21% O2/5% CO2/74% argon)暴露48小時(shí)可以顯著減輕順鉑和慶大霉素誘導(dǎo)的新生大鼠耳蝸聽毛細(xì)胞損傷。
許多年以后,Ma(馬大青)等證明,75%的氬氣處理24小時(shí)可以顯著保護(hù)90分鐘缺氧聯(lián)合低糖誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞損傷。其保護(hù)效應(yīng)和另一個(gè)更著名的具有生物活性的惰性氣體
氙氣的效應(yīng)(馬大青是國際上研究
氙氣的效應(yīng)最多的學(xué)者)。同時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)氖和氪存在類似效應(yīng)。而氦的效應(yīng)反而是損傷效應(yīng)。
在相對(duì)復(fù)雜的離體模型中,Loetscher等發(fā)現(xiàn)氬氣對(duì)氧糖剝奪和腦創(chuàng)傷(這個(gè)模型怎么作)腦片培養(yǎng)的海馬損傷具有顯著的保護(hù)作用。通過比較25, 50 和74%等不同的氬氣濃度,結(jié)果發(fā)現(xiàn),50%的氬氣濃度可產(chǎn)生最理想的保護(hù)效果。在損傷后3小時(shí),氬氣仍可以表現(xiàn)出保護(hù)效應(yīng)。這提示氬氣具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。上述發(fā)現(xiàn)都是在離體條件下發(fā)現(xiàn)的。
Ryang等使用在體模型,驗(yàn)證了氬氣的神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)。最初拴線法造成局部缺血2小時(shí)再灌注MCAO大鼠模型,誘導(dǎo)缺血1小時(shí)后,動(dòng)物分別通過面罩呼吸50% argon/50% O2或50% N2/50% O2 for 1小時(shí)。再灌注24小時(shí)后,和對(duì)照組相比,氬氣治療組動(dòng)物腦梗死體積顯著減小,同時(shí)動(dòng)物的一般狀況明顯改善。David等采用紋狀體注射NMDA或MCAO模型,結(jié)果發(fā)現(xiàn)50%,氬氣治療可以顯著減少NMDA注射和MCAO誘導(dǎo)的腦損傷。如果在損傷后氬氣治療,雖然皮層仍可以產(chǎn)生保護(hù)作用,但對(duì)皮層下?lián)p傷具有促進(jìn)作用,對(duì)神經(jīng)功能缺陷無明顯影響。和大多數(shù)神經(jīng)保護(hù)作用類似,在MCAO模型,缺血過程50%的氬氣的治療作用超過缺血后治療效果。
在心臟停止引起的神經(jīng)損傷模型中,Brucken等發(fā)現(xiàn)大鼠7分鐘心室纖顫復(fù)蘇后可引起明顯的神經(jīng)功能異常。復(fù)蘇后呼吸70% argon 1 h,7天后神經(jīng)功能異常明顯緩解。同時(shí)新皮層和海馬CA 3/4神經(jīng)細(xì)胞壞死數(shù)量明顯減少。Argon的神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)在新生兒腦缺血缺氧模型中也被研究過,Zhuang等發(fā)現(xiàn),70%的Argon、氦和氙,分別在缺氧后治療2小時(shí),均可以明顯改善中度(90分鐘)新生兒缺血缺氧腦病。Argon提高海馬細(xì)胞存活的作用比氦和氙更明顯。只有Argon和氙可以減少嚴(yán)重新生兒缺血缺氧腦?。?20min)的腦梗死體積。結(jié)果提示,Argon和氙的神經(jīng)保護(hù)作用強(qiáng)于氦。這是最早關(guān)于Argon、氦和氙這些氣體效應(yīng)的在體效應(yīng)的直接比較。
盡管對(duì)Argon的有利效應(yīng)有比較明確的認(rèn)識(shí),但目前對(duì)其作用機(jī)制仍了解很少。在高壓條件下,有人推測Argon可以通過激活GABA受體上benzodiazepine結(jié)合位點(diǎn),促進(jìn)GABA受體效應(yīng)。而在體 和離體證據(jù)表明,GABA受體激活具有神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)。采用計(jì)算機(jī)模擬方法,Seto等發(fā)現(xiàn)Argon可以通過范德華力和人血清白蛋白安氟醚結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合。David等認(rèn)為,Argon具有類似氧氣的效應(yīng),可能是其神經(jīng)保護(hù)作用的原因。Argon和氧氣的協(xié)同效應(yīng)也可以解釋對(duì)NMDA誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞死亡的保護(hù)作用。可以通過調(diào)節(jié)NMDA受體上的氧化還原調(diào)節(jié)模式,抑制NMDA受體活性,減少谷氨酸誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞死亡。Argon提高細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞存活蛋白表達(dá),對(duì)抗細(xì)胞凋亡,可能也是神經(jīng)保護(hù)的重要原因。
也有大量證據(jù)表明,惰性氣體可以和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子相互作用,如一種普遍存在的MAPK家族蛋白成員,關(guān)鍵的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)分子ERK 1/2,根據(jù)不同的刺激類型,ERK 1/2可以介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞增殖和分化。Fahlenkamp等發(fā)現(xiàn),Argon可通過MEK促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)ERK 1/2活性。
腎臟保護(hù)作用和心臟保護(hù)作用也已經(jīng)有一定研究,但相對(duì)神經(jīng)保護(hù)作用,內(nèi)容比較少。
四、氬氣的臨床應(yīng)用前景
惰性氣體最大的優(yōu)勢(shì)是對(duì)人和動(dòng)物沒有毒性作用,這是繼續(xù)深入研究這些氣體效應(yīng)的最重要?jiǎng)恿?,雖然數(shù)量較少,但初步的證據(jù)顯示這些惰性氣體的器官保護(hù)作用是非常有意思的。雖然目前對(duì)
氙氣的生物學(xué)效應(yīng)研究比較多,而且甚至可以作為惰性氣體生物學(xué)效應(yīng)的典范,許多重要的分子機(jī)制可能更容易從氙氣的研究中獲得。但從實(shí)用角度考慮,麻醉作用更小,價(jià)格更便宜的氬氣可能具有更強(qiáng)的臨床應(yīng)用潛力和價(jià)值。當(dāng)然,臨床應(yīng)用前仍需要開展更廣泛的在體、離體和各類動(dòng)物模型的深入細(xì)致的研究。而且具體的細(xì)胞分子機(jī)制仍需要深入探討。
惰性氣體在生物學(xué)領(lǐng)域顯示出非常突出的作用,這顯得非常奇怪,從化學(xué)活性上考慮,這些惰性氣體絕對(duì)不可能作為重要底物參與生物化學(xué)反應(yīng)。但從生物學(xué)效應(yīng)上看,作用是非常明顯的,這給那些將生命現(xiàn)象簡單地等價(jià)于物理化學(xué)過程的簡單還原論提出了強(qiáng)大的反證。
關(guān)于這些氣體作用的方法,當(dāng)然作為一種非競爭性氣體分子,影響一些重要分子發(fā)揮功能,例如干擾其他小分子和受體結(jié)合的速度等,也有可能干擾一些離子和氣體通道,也有可能影響一些生物大分子的空間結(jié)構(gòu)的改變。這些都是猜測,連假說都不算。但可能就是這樣的作用方式。