Vďaka jedinečným fyzikálnym a chemickým vlastnostiam sa vodík stáva stredobodom mnohých výskumov. O molekulárnom vodíku a jeho potenciálnych pozitívnych účinkoch na ľudský organizmus sme sa rozprávali s profesorom Jánom Slezákom z Ústavu pre výskum srdca Centra experimentálnej medicíny SAV, v. v. i., v Bratislave.
Čo je molekulárny vodík (H2) a aké sú jeho vlastnosti?
Molekulárny vodík je najmenšia molekula s kovalentným polomerom 31 pm, čo je menej ako polovica veľkosti molekuly plynného kyslíka, a zároveň je to najľahšia známa molekula (2,015 9 g/mol). Najľahšie prechádza cez membrány buniek a ľahko sa dostane na miesta, kde sa tvoria toxické hydroxylové a nitrozylové radikály, ktoré deštruujú bunky a ich organely. Keďže H2 je elektricky neutrálny a má nízku polarizáciu, je relatívne nerozpustný vo vode. Pri štandardnej teplote a tlaku okolia je vodíkom možné nasýtiť vodu až do koncentrácie 0,8 mM (1,6 mg/l alebo 1,6 ppm). Je však tri- až päťkrát rozpustnejší v lipidoch. Na rozdiel od iných látok je celkom netoxický aj pri vysokých koncentráciách, a preto je veľmi bezpečný.
Reaktivita H2 je taká mierna, že nereaguje s fyziologickými hladinami reaktívnych foriem kyslíka (ROS), ktoré sa podieľajú na bunkovej signalizácii. To je veľká výhoda, pretože ROS hrajú aktívnu úlohu v bunkových funkciách a medzibunkovej komunikácii. Žiadne toxické účinky vodíka neboli pozorované dokonca ani pri 98,87 % H2 a 1,13 % O2 pri tlaku 19,1 atm.
Čo sú reaktívne formy kyslíka a oxidačný stres?
Reaktívne formy kyslíka sú vedľajšími produktmi redukcie kyslíka, ku ktorej dochádza počas normálneho bunkového metabolizmu. Nerovnováha (dyshomeostáza) medzi ROS a antioxidačným systémom organizmu môže spôsobiť oxidačný stres, ktorý sa považuje za spoločného menovateľa rôznych patologických stavov vrátane kardiovaskulárnych ochorení, starnutia a poklesu kognitívnych funkcií. Produkcia voľných radikálov, ku ktorej dochádza čiastočnou redukciou kyslíka, môže rýchlo premôcť endogénny antioxidačný systém bunky. To spôsobuje poškodenie lipidov, proteínov, DNA a RNA a celkovú degeneráciu buniek, ktoré je možné zmierniť rôznymi antioxidantmi. Ich použitie sa však v humánnej medicíne nestretlo s očakávaným efektom.
Aké účinky má H2 na ľudské telo?
Molekulárny vodík (H2) poskytuje vďaka svojim jedinečným fyzikálnym a chemickým vlastnostiam množstvo výhod na zmiernenie oxidačného stresu. Na rozdiel od konvenčných antioxidantov a protizápalových látok je H2 malá molekula, ktorá ľahko difunduje po celom tele, tkanivách, orgánoch a bunkách. Fyzikálno-chemické vlastnosti a biomedicínske štúdie pôsobenia H2 naznačujú, že má veľký potenciál pri zmierňovaní účinkov nadmerného množstva ROS a zápalu a môže selektívne redukovať ·OH radikály.
Novšie výsledky štúdií preukázali, že molekulárny vodík má terapeutický potenciál vo viac ako 170 rôznych modeloch chorôb pri zvieratách a u ľudí. Je účinný pri zvyšovaní odolnosti a zmierňovaní negatívnych vplyvov akútneho a chronického stresu. H2 tiež znižuje oxidačný stres reguláciou génovej expresie a funguje ako protizápalové a antiapoptotické činidlo.
Prof. MUDr. Ján Slezák, DrSc., FIACS, Dr. h. c., je pracovník Ústavu pre výskum srdca Centra experimentálnej medicíny SAV, v. v. i. Po štúdiu na Lekárskej fakulte Univerzity Komenského v Bratislave pôsobil dlhé roky v Slovenskej akadémii vied, ale aj v zahraničí. Vo svojej vedeckej práci sa venoval normálnej a patologickej fyziológii a experimentálnej kardiológii, predovšetkým príčinám zlyhávania a poškodenia srdca. V súčasnosti sa špecializuje na výskum molekulárneho vodíka a jeho využitie v prevencii a liečbe civilizačných ochorení. Je členom mnohých učených spoločností a akadémií vied po celom svete, členom redakčných rád a editorom svetových odborných vedeckých časopisov, nositeľom významných domácich a zahraničných ocenení. Je zakladateľom Európskej akadémie pre výskum molekulárneho vodíka v biomedicíne a od roku 2021 aj jej riaditeľom. Pôsobí ako poradca v Inštitúte pre molekulárny vodík v USA.
Prítomnosť bazálnych hladín vodíka v ľudskom tele môže naznačovať, že má aj fyziologickú úlohu. Zvieratá a tiež ľudia si vyvinuli vzájomný vzťah s baktériami produkujúcimi vodík, ktorý využívajú vo svoj prospech. Okrem vplyvu vodíka na génovú expresiu môže vodík meniť expresiu rôznych proteínov bez zmeny expresie mRNA. Zistilo sa, že vodík mení hladinu proteínov mnohých dôležitých biomolekúl.
Plynný vodík sa prirodzene nachádza v našej krvi a dychu v dôsledku normálnej fermentácie nestráviteľných sacharidov črevnými baktériami. Tento baktériami produkovaný plynný vodík sa tiež ukázal ako terapeuticky aktívny. Vodík nemá nijaký vplyv na fyziológiu, teplotu, krvný tlak, pH alebo pO2.
Akými spôsobmi ho môžeme do tela dodávať a ako dlho v ňom zostane?
Existuje niekoľko spôsobov podávania molekulárneho vodíka vrátane inhalácie plynného H2, podávania roztoku bohatého na H2 sondou či intravenóznou injekciou, formou dialyzačného roztoku na hemodialýzu, použitím hyperbarickej H2 komory, kúpaním vo vode bohatej na H2, zvýšením produkcie H2 črevnými baktériami, topickou aplikáciou aj jednoduchým pitím vody obohatenej o vodík (HRW). HRW možno pripraviť prebublávaním plynného H2 do vody pod tlakom, elektrolýzou vody (2H2O → 2H2 + O2) a tiež reakciou s kovovým horčíkom (Mg + 2H2O → H2 + Mg(OH)2) alebo niektorými inými kovmi.
Komerčne sú dostupné rôzne produkty od nápojov pripravených na pitie v hliníkových vreckách či dózach a elektrolytických zariadeniach až po tablety produkujúce H2 a inhalačné prístroje. Inhalácia H2 alebo podávanie HRW zvyšuje koncentráciu H2 v arteriálnej a venóznej krvi úmerne podanej dávke. Požitie vodíka obomi spôsobmi dosahuje maximálnu koncentráciu v krvi za 5 až 15 minút a vracia sa na východiskové hladiny 45 až 100 minút po podaní v závislosti od podanej dávky.
Aký je mechanizmus fungovania dodaného vodíka v tele?
Pochopenie úlohy ROS a zápalu je rozhodujúce pre pochopenie potenciálneho využitia vodíka, či už ako preventívneho alebo terapeutického prostriedku. Vodík hrá významnú úlohu aj v teórii starnutia navrhnutej v 50. rokoch 20. storočia. Zo súčasných poznatkov molekulárnych štúdií vodíka vyplýva, že vodík je možné využiť pri prevencii a liečbe kardiovaskulárnych chorôb spojených s oxidačným stresom. V skratke sa dá pôsobenie vodíka charakterizovať tak, že pri oxidačnom strese vzniknuté agresívne radikály reagujú ihneď s prítomným vodíkom priamo na mieste ich vzniku, čím sa zabráni ich cytotoxickým prejavom.
Bunková biologická dostupnosť molekulárneho vodíka môže byť vďaka jeho vlastnostiam veľmi vysoká. Jeho malá veľkosť aj hmotnosť, neutrálny náboj a nepolárna povaha spolu s vysokou rýchlosťou difúzie mu umožňujú ľahko prenikať cez bunkové biomembrány a difundovať do mitochondrií a jadra. Molekulárny vodík môžeme považovať pre jeho relatívnu inertnosť za selektívny scavenger (pohlcovač, zberač, pozn. red.) najagresívnejších radikálov (ONOO- a ·OH) pri neovplyvňovaní ich signalizačnej funkcie ostatných ROS.
Aké sú možnosti jeho využitia v medicíne?
V súčasnosti existuje viac ako 2 000 prác, v ktorých sa opakovane hovorí o možnosti medicínskych aplikácií H2. Viac ako 100 klinických štúdií na ľuďoch ukazuje na translačný potenciál použitia H2 zo zvierat na ľudí pri širokom spektre chorôb. Experimentálne sa využíva pri mnohých modeloch chorôb a vo viacerých klinických štúdiách s optimistickými výsledkami. Molekulárny vodík sa javí ako dôležitý biologický regulačný faktor pôsobiaci selektívne na najagresívnejšie hydroxylové a nitrozylové radikály.
Pozitívny účinok molekulárneho vodíka sme sledovali napríklad v predklinickom experimente transplantácie srdca. V tomto experimente použitie H2 významne zlepšilo markery poškodenia srdca a celého organizmu oxidačným stresom, čo dokazuje, že jeho použitie v klinickej praxi by mohlo významne pomôcť zlepšiť funkciu srdca po jeho transplantovaní a predĺžiť čas skladovania srdca pri transporte, aj zlepšiť a skrátiť pooperačný priebeh u pacientov.
Antioxidačné, protizápalové a antiapoptotické účinky molekulárneho vodíka sú významné pri poskytovaní cytoprotekcie aj pri rádioterapii a chemoterapii. Aplikácia molekulárneho vodíka významne znížila hladiny markerov oxidačného stresu a zápalu.
Oxidačný stres hrá zrejme príčinnú úlohu v patogenéze väčšiny ochorení. V roku 2017 bola inhalácia plynného vodíka schválená japonskou vládou ako pokrokový liek na liečbu syndrómu po zástave srdca, ktorý sa teraz klinicky používa vo veľkej multicentrickej štúdii so sľubnými predbežnými výsledkami.
Za rozhovor ďakuje redakcia Quarku
Foto Pixabay
