Introduzione
La prevalenza della sindrome metabolica è considerata un’epidemia crescente nei paesi di tutto il mondo, ed è caratterizzata da varie condizioni mediche tra cui obesità viscerale, iperglicemia, insulino-resistenza, ipertensione e dislipidemia.1 Le conseguenze di questa condizione aumentano il rischio di malattie cardiovascolari e neurologiche e un aumento della mortalità. La sua fisiopatologia è associata a disregolazione redox, infiammazione eccessiva e perturbazione dell’omeostasi cellulare.2 Non esiste un farmaco approvato per prevenire o trattare la sindrome metabolica. Modifiche alla dieta e allo stile di vita, tra cui la restrizione calorica e l’esercizio fisico, sono attualmente raccomandate e, se attuate, possono essere efficaci.3 Tuttavia, lo stress della vita quotidiana, la mancanza di tempo e la motivazione sufficiente sono spesso citati come motivi che impediscono alle persone di apportare modifiche sufficienti fino a quando non sviluppano i sintomi. Tuttavia, anche dopo l’emergere dei sintomi, molti non apportano i cambiamenti necessari e, come corollario, sviluppano le malattie associate che altrimenti avrebbero potuto essere prevenute.4
È stato dimostrato che l’idrogeno molecolare (gas H2) attenua lo stress ossidativo, migliora la funzione cellulare e riduce l’infiammazione cronica,5 molte delle quali sono associate alla patologia e all’eziologia della sindrome metabolica e delle malattie associate.1 L’idrogeno molecolare modula la trasduzione del segnale, le cascate di fosforilazione delle proteine, l’espressione genica, l’autofagia, l’espressione dei miRNA, oltre ad avere importanti effetti metabolici.5,6 L’H2 può indurre la via di segnalazione Keap1/Nrf2,7 promuovere la biogenesi mitocondriale,8 e la risposta mitocondriale citoprotettiva alle proteine non condizionate.9 È stato proposto che l’H2 agisca come mimetico dell’esercizio fisico e adattogeno redox attraverso l’attivazione di vie ormonali.10
L’inalazione di gas H2 ha soppresso il danno cerebrale indotto dall’occlusione dell’arteria cerebrale media nei ratti,11 e ha migliorato i punteggi cognitivi e ridotto il danno cerebrale nei pazienti con infarto cerebrale acuto.12 Inoltre, il gas H2 disciolto in acqua per produrre acqua ricca di H2 (HRW) ha anche dimostrato di avere effetti terapeutici ed ergogenici in studi pre-clinici e clinici10,13 come, lievi disturbi cognitivi,14 sindrome metabolica,15 ed esercizi submassimali.10,16,17 Inoltre, come è stato rivisto di recente,5 l’idrogeno molecolare può essere un nuovo approccio per il trattamento delle malattie cardiovascolari. Per esempio, come illustrato nella recente recensione,5 l’H2 attenua la cardiopatia indotta dalle radiazioni e il danno da ischemia-riperfusione miocardica nei ratti diminuendo l’infiammazione, l’apoptosi, lo stress sarcoplasmatico e ossidativo, e regolando i microRNA e l’autofagia.5 Nei topi APOE knockout, l’ingestione di HRW ha impedito lo sviluppo dell’aterosclerosi,18 e l’H2 ha anche protetto dall’ipertrofia e dalla disfunzione cardiaca indotte dai farmaci.19
Tuttavia, la maggior parte degli studi con l’HRW sono stati condotti utilizzando concentrazioni relativamente basse di H2.20 Per esempio, un primo studio in un modello murino del morbo di Parkinson21 ha suggerito che una bassa concentrazione di H2 (≈40 μM) può essere efficace quanto una concentrazione di H2 superiore (≈800 μM). Tuttavia, anche questa più alta concentrazione di H2 non era abbastanza alta da provocare aumenti rilevabili nella concentrazione cerebrale di H2.22 Successivamente è stato determinato che l’H2 induceva la secrezione di grelina gastrica neuroprotettiva, che, come secondo messaggero, mediava gli effetti neuroprotettivi dell’HRW.22 Tuttavia, il meccanismo sembra più complicato poiché gli effetti protettivi dell’HRW sono stati ancora osservati in un modello di topi ghrelin-KO del morbo di Parkinson.23 Tuttavia, sembra che una più alta concentrazione di H2 sia almeno altrettanto efficace e spesso più efficace di una concentrazione H2 inferiore. Per esempio, è stato dimostrato che l’idrogeno ad alta concentrazione prodotto tramite il magnesio era più efficace dell’H2 a bassa concentrazione contenuto nell’acqua alcalina ionizzata nell’attenuare la malattia del fegato grasso non alcolica (NAFLD) nei topi alimentati con una dieta ricca di grassi.24 Allo stesso modo, in uno studio pilota controllato randomizzato in pazienti con NAFLD, abbiamo scoperto che l’HRW ad alta concentrazione diminuiva significativamente il grasso epatico misurato tramite risonanza magnetica a doppia eco.25 Inoltre, l’integrazione con HRW ad alta concentrazione in donne di mezza età in sovrappeso ha ridotto significativamente la percentuale di grasso corporeo e i livelli di insulina a digiuno.26 Oltre all’importanza della concentrazione di H2, anche la durata di utilizzo è una considerazione importante. Sebbene l’HRW sia stato studiato in soggetti con potenziale sindrome metabolica fino a 10 settimane, nessuno studio ha determinato l’effetto a lungo termine (24 settimane) dell’HRW ad alta concentrazione in questa popolazione. Nonostante la capacità dell’idrogeno di indurre apparentemente l’ormesi, e quindi potenzialmente di provocare effetti avversi, non ci sono studi in cellule, animali o esseri umani, anche a dosi molto elevate, in cui siano stati riportati chiari effetti avversi.10 Abbiamo quindi valutato gli effetti di un intervento di 24 settimane con HRW ad alta concentrazione sulla composizione corporea, sui profili lipidici del sangue e sui biomarcatori dell’infiammazione in uomini e donne con sindrome metabolica.
Metodi e soggetti
Sessanta soggetti di etnia indiana (30 uomini e 30 donne; età 43,2 ± 10,0 anni) con sindrome metabolica sono stati reclutati per partecipare a questo studio interventistico in doppio cieco, controllato con placebo. I soggetti hanno partecipato a questo studio se soddisfacevano almeno tre dei cinque criteri di inclusione tra cui pre-ipertensione/ipertensione (pressione sanguigna sistolica > 130 mmHg e/o pressione diastolica > 85 mmHg), prediabete/diabete (glucosio a digiuno > 110 mg/dL), obesità centrale (circonferenza vita > 90 cm per gli uomini, e WC > 80 cm per le donne), e dislipidemia (lipoproteine ad alta densità < 40 mg/dL per gli uomini e < 50 mg/dL per le donne; trigliceridi > 200 mg/dL). I criteri di esclusione includevano cancro, dissenteria cronica, infezione da virus dell’immunodeficienza umana, ictus, infarto miocardico, gravidanza o uso di contraccettivi e altre malattie croniche. Lo studio è stato condotto a Moradabad India, e tutti i partecipanti sono stati reclutati attraverso la distribuzione di opuscoli, giornali locali e annunci sulle bacheche degli ospedali. L’autorizzazione etica è stata ottenuta dal comitato etico dell’Hallberg Hospital and Research Institute (Moradabad), con lo studio registrato presso il Drug Controller of India (Clinical Trial Registration #2018/03/012487). Il consenso informato scritto è stato ottenuto da tutti i partecipanti, e lo studio è stato condotto in conformità con la Dichiarazione di Helsinki, e questa dichiarazione è stata aggiunta ai metodi.
Un periodo di osservazione iniziale di una settimana è stato utilizzato per acquisire metriche cliniche di base e dati biochimici (Tabella 1), senza differenze trovate tra il HRW e il gruppo placebo. I soggetti sono stati poi randomizzati in doppio cieco all’intervento (HRW) o al gruppo placebo tramite numeri casuali generati dal computer. A tutti i soggetti è stato chiesto di mantenere lo stesso stile di vita durante lo studio. Inoltre, i dati sull’assunzione di cibo, tabacco e alcol e sull’attività fisica sono stati ottenuti tramite diari alimentari e valutati da un dietologo. I dati sono stati raccolti nuovamente dopo 24 settimane di intervento. L’HRW ad alta concentrazione è stato preparato tramite compresse che producono idrogeno (HRW Natural Health Products Inc., New Westminster BC, Canada) mentre il placebo è stato preparato come descritto in precedenza16,25 con la bevanda placebo finale simile per gusto, dissoluzione e aspetto all’HRW. I partecipanti hanno consumato 1 compressa 3 volte al giorno in 250 mL di acqua a 12-18°C. È stato loro consigliato di bere il prodotto in un solo sorso non appena la compressa avesse finito di sciogliersi a stomaco vuoto/mattina. Questo metodo di somministrazione dell’H2 fornirebbe >5,5 millimoli H2/giorno. La concentrazione di idrogeno molecolare prodotto tramite queste compresse è stata determinata da H2 Analytics (Las Vegas, USA) tramite gascromatografia (SRI 8610C; California USA).
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Tabella 1 Caratteristiche di base dei partecipanti allo studio di etnia indiana. I valori sono medi ± SD |
I dati di laboratorio sono stati ottenuti dopo un digiuno notturno (10-12 ore) dalle 08:00 alle 09:00. L’altezza è stata misurata utilizzando un supporto di misurazione dopo aver tolto le scarpe. Il peso corporeo è stato misurato in biancheria intima dopo aver tolto le scarpe. La circonferenza della vita è stata misurata con un nastro antropometrico come la più grande circonferenza orizzontale tra la cresta iliaca e il margine costale. La circonferenza dell’anca è stata misurata alla massima circonferenza a livello dei grandi trocanteri. La frequenza cardiaca è stata misurata mediante auscultazione per 5 minuti a riposo in posizione supina. La glicemia a digiuno è stata misurata dopo un digiuno notturno. Le sostanze reattive dell’acido tiobarbiturico (TBARS), la malondialdeide (MDA), il diene coniugato, la vitamina E e C, il nitrato e l’enzima di conversione dell’angiotensina sono stati misurati con metodi colorimetrici utilizzando uno spettrofotometro UV-VIS (Electronics Corporation of India, Ltd). L’emoglobina glicosilata (HbA1c) è stata valutata mediante HPLC utilizzando la macchina DIO (Bio-Rad Laboratories, Inc, Hercules, CA). La glicemia a digiuno, i profili lipidici e la proteina C-reattiva (CRP) sono stati determinati con i kit Pictus 500 Diatron (Medicon Hellas S.A., Gerakas, Grecia). Il fattore di necrosi tumorale alfa (TNF-α) e l’interleuchina 6 (IL-6) sono stati analizzati con un test di fluorescenza enzimatica su macchine Vidas (Vidas Biomerieux, Marcy I’Étoile, Francia). I coefficienti di variazione inter e intra test di questi marcatori sono riportati nella tabella 2.
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Tabella 2 Coefficienti di variazione inter- e intra-saggio per i biomarcatori misurati (CV) |
Il numero di partecipanti reclutati era conforme a una dimensione minima del campione (n = 48) calcolata mediante analisi della potenza (G*Power 3.1, Heinrich Heine University, Düsseldorf, Germania), con dimensione degli effetti fissata a 0,30, probabilità di errore alfa 0,05, potenza 0,80 per due gruppi e due misure degli esiti dello studio. I dati di base dei soggetti sono stati analizzati utilizzando un test t a due code a due campioni. Il modello misto ANOVA a due vie con misure ripetute (interazione trattamento vs tempo) aggiustato per età e sesso è stato usato per stabilire se esistevano differenze significative tra le risposte dei pazienti nel tempo dell’intervento. La significatività statistica è stata fissata a P ≤ 0,05. Tutti i valori sono riportati come media ± SD. I dati sono stati analizzati utilizzando il programma SPSS (versione 21.0) (SPSS Inc., Chicago, IL, USA).
Risultati
Tutti i soggetti hanno completato lo studio ed entrambi gli interventi sono stati ben tollerati senza effetti negativi. HRW ha influenzato favorevolmente tutti i risultati a 24 settimane di follow-up rispetto al placebo (P < 0,05), tranne TBARS, un marcatore di perossidazione lipidica (P = 0,309) (Tabella 3). Altri marcatori di ossidazione (MDA, coniugato D) sono diminuiti mentre le vitamine E e C sono aumentate nel gruppo HRW. Questo è stato accompagnato da una riduzione significativa di HR, BMI e WHR dopo l’intervento HRW (P < 0.05). HRW ha indotto una riduzione significativa del colesterolo totale di circa 18,5 mg/dL (P < 0,05), e dei trigliceridi di ~ 47 mg/dL (P < 0,05). La glicemia a digiuno è diminuita anche dopo 24 settimane di intervento HRW da 121.5 ± 61.0 mg/dL a 103.1 ± 33.0 mg/dL, con una riduzione del 12% di HbA1C (P < 0.05). Inoltre, HRW significativamente attenuato i marcatori infiammatori, come TNF-α, IL-6 e CRP (P<0.05).
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Tabella 3 cambiamenti nella composizione corporea e variabili biochimiche dal basale a 24 settimane. I valori sono medi ± SD |
Discussione
La sindrome metabolica non controllata aumenta il rischio di malattie cardiovascolari. Per esempio, i fattori di rischio associati alla sindrome metabolica giocano un ruolo causale nello sviluppo dell’aterosclerosi, che porta ulteriormente alla malattia coronarica, all’ictus e all’infarto del miocardio.27 L’aterosclerosi si sviluppa quando il colesterolo LDL si infiltra nello spazio subendoteliale e si ossida, il che promuove l’infiammazione e la successiva migrazione e trasformazione delle cellule muscolari lisce vascolari.28 Questo processo è ulteriormente esacerbato in presenza di iperglicemia a causa dell’aumentata formazione di prodotti finali glicati avanzati (AGE), ovvero quando l’estremità riducente delle molecole di glucosio reagisce e si combina con le proteine e crea un cross-linking proteico. Gli AGE promuovono ulteriormente l’infiammazione, l’ossidazione e i danni cellulari che contribuiscono alle malattie cardiovascolari.28 Di conseguenza, nel nostro studio abbiamo determinato se HRW ad alta concentrazione migliorerebbe i vari biomarcatori della sindrome metabolica che sono casualmente coinvolti nello sviluppo della malattia cardiovascolare cioè dislipidemia (HDL, LDL, VLDL, TG), infiammazione (TNF-α, IL-6, CRP), stress ossidativo, (MDA, TBARS, coniugati diene, vitamine E e C,) e iperglicemia (glucosio, HbA1c).
In questo studio, abbiamo trovato che un intervento di 24 settimane con HRW ad alta concentrazione ha migliorato diversi biomarcatori della salute cardiometabolica in uomini e donne di mezza età con sindrome metabolica, tra cui BMI, WHR, HR a riposo, lipidi nel sangue e glucosio, infiammazione e omeostasi redox. I cambiamenti favorevoli nel colesterolo nel sangue devono essere interpretati con cautela poiché il cambiamento assoluto era relativamente basso, e l’HDL è diminuito di ~ 1,3 mg/dL. Il colesterolo HDL è considerato benefico grazie al suo ruolo nel trasporto inverso del colesterolo.29 Tuttavia, i rapporti tra colesterolo totale o trigliceridi e HDL sono migliori predittori di malattie cardiovascolari rispetto al colesterolo totale, con rapporti più bassi correlati a un rischio inferiore di malattie cardiache.30 Poiché abbiamo trovato che HRW ha abbassato significativamente il colesterolo totale (di ~ 18,5 mg/dL), il rapporto tra colesterolo totale e HDL è diminuito favorevolmente di ~ 7,2%, mentre è rimasto lo stesso nel gruppo placebo. Allo stesso modo, il rapporto di rischio tra trigliceridi e HDL è diminuito favorevolmente del 22,9% nel gruppo HRW, ma è rimasto più o meno lo stesso nel gruppo placebo. I nostri dati mostrano anche che HRW ha essenzialmente abbassato il livello medio di glucosio dal range superiore al range inferiore dei criteri prediabetici, che è stato anche accompagnato da una riduzione del 12% di HbA1C.
Questi cambiamenti favorevoli nel colesterolo e nel glucosio sono confermati con alcune discrepanze in diversi studi clinici precedenti. Per esempio, Song et al hanno riferito che HRW, fornendo 0.5 millimoli H2/giorno, per 10 settimane in pazienti con potenziale sindrome metabolica ha diminuito il colesterolo totale nel siero e i livelli di LDL-C, migliorato la funzione HDL e lo stato redox (ad esempio, aumento della superossido dismutasi nel siero e diminuzione dell’MDA), e ridotto l’infiammazione (ad esempio, TNF-α nel siero).31 Tuttavia, mentre il nostro studio ha mostrato miglioramenti significativi in BMI, WHR e glucosio a digiuno, il loro studio ha riportato solo una potenziale, sebbene non significativa, tendenza al ribasso in questi parametri. Analogamente, un precedente studio randomizzato, controllato con placebo e crossover in pazienti con diabete di tipo 2 o alterata tolleranza al glucosio ha dimostrato che l’ingestione di HRW (~ 0,6 millimoli/giorno) ha leggermente migliorato il colesterolo, diminuito significativamente i marcatori di stress ossidativo (ad esempio 8-isoprostani urinari) e aumentato la SOD nel siero.32 Tuttavia, in contrasto con il nostro studio, non ci sono stati cambiamenti statisticamente significativi in BMI, CRP, HbA1c, o glicemia a digiuno. Forse la dose più alta di H2 e la durata più lunga del nostro studio rispetto a questi studi potrebbe spiegare le differenze. Inoltre, i soggetti del nostro studio avevano livelli di glucosio al basale significativamente più alti (~ 122 mg/dL vs 108 mg/dL). Infine, anche se non testato nel nostro studio, lo studio precedente32 ha riportato che in 4 dei 6 soggetti con alterata tolleranza al glucosio, HRW ha normalizzato il test di tolleranza al glucosio orale, e che i livelli di insulina plasmatica a 1 ora erano significativamente aumentati rispetto al basale.32
Uno studio in aperto di 8 settimane su 20 soggetti con potenziale sindrome metabolica ha dimostrato che l’HRW (~ 1 millimole H2/giorno) ha aumentato il livello di SOD del 39% e diminuito i TBAR del 43%.15 Anche se nel nostro studio non è stata rilevata una diminuzione dei TBARS, abbiamo trovato una diminuzione del marker più specifico della perossidazione lipidica MDA, così come un aumento dei livelli di vitamine C ed E, che collettivamente suggeriscono che l’HRW modula favorevolmente i processi ossidativi. Simile al nostro studio, lo studio in aperto ha rivelato che HRW ha diminuito il rapporto tra colesterolo totale e HDL del 13%. Tuttavia, nel nostro studio, il cambiamento principale è stato una diminuzione del colesterolo totale, mentre nello studio in aperto è stato un aumento del colesterolo HDL. Inoltre, in contrasto con i nostri risultati, HRW non ha diminuito il BMI, i trigliceridi o la glicemia a digiuno. Tuttavia, il livello di trigliceridi e di glucosio a digiuno era significativamente più alto nei soggetti del nostro studio rispetto a quelli dello studio in aperto (~ 143 mg/dL vs 190 mg/dL; 88 mg/dL vs 122 mg/dL, rispettivamente). Ancora una volta, può essere dovuto alla nostra condizione di studio con una dose più alta di H2 e la durata di tempo più lungo.
I meccanismi molecolari sottostanti che mediano questi effetti indotti da HRW bisogno di ulteriori studi. Tuttavia, H2 sembra influenzare il metabolismo e la bioenergetica.33 Per esempio, abbiamo precedentemente dimostrato che il trattamento HRW ha aumentato la concentrazione mitocondriale di coenzima Q9, che ha migliorato la funzione della catena respiratoria mitocondriale (cioè complesso I e complesso II) e il conseguente aumento della produzione di ATP del miocardio di ratto.34,35 In un altro studio in topi privi del recettore della leptina e in topi normali alimentati con una dieta ad alto contenuto di grassi, l’HRW ha ridotto lo stress ossidativo, i depositi di fegato grasso e i livelli di glucosio, insulina e trigliceridi nel plasma. Questo effetto era paragonabile a una restrizione calorica del 20%.36 L’HRW ha aumentato il dispendio energetico misurato dal consumo di ossigeno e ha indotto l’ormone epatico, il fattore di crescita dei fibroblasti 21 (FGF-21), che stimola il dispendio di acidi grassi e glucosio.36 Nei topi diabetici di tipo 1 indotti dalla streptozotocina, l’H2 ha indotto la traslocazione del trasportatore-4 del glucosio attraverso l’attivazione della fosfatidilinositolo-3-OH chinasi (PI3K), della proteina chinasi C (PKC) e della proteina chinasi attivata dall’AMP (AMPK).37
Questo studio ha dimostrato che l’HRW ha indotto miglioramenti significativi nei parametri clinicamente rilevanti dei biomarcatori del sangue e nei dati biometrici nei soggetti con sindrome metabolica. Rispetto agli studi precedenti, potrebbe anche indicare che alte dosi di H2 sono più efficaci di dosi inferiori almeno nella sindrome metabolica. Tuttavia, sono necessari più studi dose-dipendenti in questo settore. Inoltre, diverse limitazioni dovrebbero essere considerate quando si interpreta il nostro studio. Abbiamo eseguito l’analisi solo durante le ultime 24 settimane invece che a 4 settimane di follow-up, il che ci ha impedito di trovare importanti cambiamenti temporali nei vari parametri. Inoltre, non abbiamo studiato gli effetti dipendenti dal sesso o dall’età, che potrebbero essere importanti poiché i parametri metabolici sono influenzati sia dal sesso che dall’età.38 Inoltre, anche se i soggetti sono stati istruiti a consumare HRW a stomaco vuoto, non abbiamo potuto garantire che ciò avvenisse. Potrebbero esserci differenze negli effetti biologici dell’H2 se l’HRW viene ingerito con o senza assunzione di cibo, poiché in seguito all’ingestione di fibre normali dalla dieta, la produzione batterica di gas H2 aumenta significativamente.39 Infine, non abbiamo misurato i cambiamenti temporali o la farmacocinetica dell’H2 nel sangue e nel respiro dei soggetti. Pertanto, i meccanismi molecolari suggeriti, come dimostrato in vitro o negli studi sugli animali, potrebbero essere diversi da quelli del nostro studio, poiché la concentrazione cellulare di H2 potrebbe essere significativamente diversa. La ricerca futura dovrebbe indagare se ci sono risposte sessualmente dimorfiche alla terapia H2, i meccanismi molecolari di H2 a concentrazioni fisiologicamente rilevanti H2, e anche il confronto degli effetti di diverse dosi, durata, e metodi di somministrazione (ad esempio bere vs inalazione).
Conclusione
In conclusione, i risultati del nostro studio suggeriscono che l’integrazione con HRW ad alta concentrazione prodotta tramite compresse che producono H2 migliora la composizione corporea, modula favorevolmente il metabolismo degli acidi grassi e del glucosio e migliora l’infiammazione e l’omeostasi redox in soggetti con sindrome metabolica. Pertanto, il trattamento a lungo termine con acqua ricca di idrogeno ad alta concentrazione può essere utilizzato come terapia adiuvante per ridurre le caratteristiche della sindrome metabolica. Tuttavia, è necessario uno studio clinico prospettico più ampio per determinare ulteriormente gli effetti biologici dell’HRW in questa popolazione di soggetti.
