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結論

水素分子はエネルギー代謝経路の異常を是正し、アレルギー性炎症を抑制する可能性を持つ。

研究の背景と目的

近年、水素分子の治療効果が広く認識されるようになってきたが、その作用メカニズムは十分に解明されていない。一方、免疫炎症反応においてエネルギー代謝リプログラミング（代謝経路のシフト）が重要な役割を果たすことが注目されているが、アレルギー性炎症と代謝経路シフトとの関連性は不明確である。本研究では、喘息をモデルとして、アレルギー性炎症とエネルギー代謝経路シフトとの関連性、および水素のエネルギー代謝調節を介した抗炎症作用のメカニズムを解明することを目的とした。

研究方法

• 対象者：喘息患者7名と健常者7名
  • 属性：年齢、性別、BMI、喫煙歴に有意差なし
  • 喘息患者は血中好酸球数増加、FEV1およびFEV1/FVC比の低下を示した
• 動物実験：卵白アルブミン(OVA)感作・曝露によるアレルギー性気道炎症マウスモデル
• 介入方法：
  • マウスに水素水（6ml/kg/日、腹腔内投与）を7日間投与
  • 水素水の濃度：0.3〜0.4 ppm
• 評価方法：
  • 解糖系酵素（HK、PFK）活性測定
  • ミトコンドリア酸化的リン酸化（OXPHOS）複合体I、III活性測定
  • 乳酸産生量、ATP産生量測定
  • 転写因子（HIF-1α、PGC-1α）の発現・活性評価
  • サーチュイン（SIRT1、3、5、6）の発現評価
  • 気道炎症、気道過敏性の評価

研究結果

• 喘息患者の単球では、健常者と比較して：
  • 乳酸産生量の増加と解糖系酵素（HK、PFK）活性の亢進
  • ATP産生量の減少とミトコンドリアOXPHOS複合体I、III活性の低下
  • クエン酸合成酵素（CS）活性の低下
• OVA感作・曝露マウスの肺でも同様の変化がみられ、エネルギー代謝が酸化的リン酸化から解糖系へシフトしていることを確認
• 水素水投与によりOVA感作・曝露マウスでは：
  • 乳酸産生量の減少と解糖系酵素活性の低下
  • ATP産生量の増加とミトコンドリアOXPHOS複合体活性の回復
  • 解糖系調節因子HIF-1αの活性化抑制
  • ミトコンドリア生合成調節因子PGC-1αの発現回復
  • サーチュイン（SIRT1、3、5、6）の発現回復
  • NAD産生とNAMPT発現の回復
  • 気道炎症と気道過敏性の改善
  • BALF炎症細胞数（特に好酸球）の減少
  • BALF IL-4、IL-5、IgE濃度の低下
  • 酸化ストレスの軽減（ROS産生抑制、抗酸化酵素活性回復）
• 考察：水素分子は、アレルギー性炎症時に見られる細胞のエネルギー代謝異常（解糖系への過度な依存とミトコンドリア機能低下）を是正することで、抗炎症効果を発揮する可能性が示唆された。この作用には、炎症や低酸素状態に応答して解糖系を促進する低酸素誘導因子（HIF-1α）の経路が関与していると考えられる。

Appendix（用語解説）

• 水素分子：最小の分子であり、細胞内に速やかに拡散して強力な抗酸化作用を示す。最近では抗炎症作用など多彩な生理活性が注目されている。
• 酸化的リン酸化（OXPHOS）：ミトコンドリアで行われるエネルギー産生過程。酸素を使用してATPを効率的に生成する。
• 解糖系：グルコースを分解してATPを産生する経路。通常は酸素不足時に亢進するが、がん細胞や活性化免疫細胞では酸素が十分にある条件下でも解糖系が優位になる現象（好気的解糖）が起こる。
• エネルギー代謝経路スイッチ：細胞がエネルギー産生を酸化的リン酸化から解糖系へと切り替える現象。がん細胞や活性化免疫細胞において観察される。
• HIF-1α（低酸素誘導因子1α）：低酸素状態で活性化する転写因子で、解糖系酵素の発現を促進する。
• PGC-1α（PPARγコアクチベーター1α）：ミトコンドリア生合成と酸化的リン酸化に関わる遺伝子の発現を調節する因子。
• サーチュイン：NAD依存性の脱アセチル化酵素ファミリーで、エネルギー代謝や炎症反応など多様な生理機能を調節する。
• NAMPT（ニコチンアミドホスホリボシルトランスフェラーゼ）：NAD生合成の律速酵素でサーチュインの活性に重要。
• 単球 (Monocytes): 白血球の一種で、体内に侵入した異物や死んだ細胞を処理する免疫細胞。炎症反応に関与する。

論文情報

タイトル

Hydrogen Attenuates Allergic Inflammation by Reversing Energy Metabolic Pathway Switch（水素がエネルギー代謝経路の切り替えを逆転させることでアレルギー性炎症を軽減する）

引用元

Niu, Y., Nie, Q., Dong, L., Zhang, J., Liu, S. F., Song, W., Wang, X., Wu, G., & Song, D. (2020). Hydrogen Attenuates Allergic Inflammation by Reversing Energy Metabolic Pathway Switch. Scientific reports, 10(1), 1962. https://doi.org/10.1038/s41598-020-58999-0

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