氢气生物医学效应的发现、研究与应用*

赵 敏 秦树存

山东第一医科大学(山东省医学科学院)动脉粥样硬化研究所，泰山氢生物医学研究院，山东 泰安 271000

氢气(molecular hydrogen，H2)是一种无味、无色且具有还原性的气体，其化学结构简单，分子量小，易于扩散，可顺利进入机体各个部位。1975年Science杂志就报道了H2的生物学效应[1]，但是一直没有受到学术界的关注。直到2007年，日本医科大学的一篇研究报告改变了学术界对H2的认识[2]，使得H2进入医学和生命科学研究领域并迅速成为研究热点。H2具有抗炎、抗氧化、抗凋亡等作用，推翻了H2属于生理性惰性气体的传统观点。随着研究的不断深入，H2其他生物学作用机制，如影响能量代谢和生物酶活性等作用也逐渐被发现。H2的生物安全性在潜水医学中得到了广泛的认可，对多种疾病潜在保护作用的研究也越来越多，包括缺血/再灌注损伤、代谢综合征、糖尿病、炎症和肿瘤等[3]。各学科广泛开展的动物模型研究为H2治疗提供了实验依据，并在初步的临床试验中取得较好的防治效果。目前，有关氢气生物学效应的报道越来越多，在生物医学领域展现出广阔的应用前景。

1 氢气生物医学效应的发现之旅

1.1 1975年Science杂志文章的首先发现

1975年，Dole等[1]在国际著名期刊Science上发表论文，率先提出H2在生物体内具有抗氧化作用的观点。他们认为H2和羟自由基反应属于放热过程，可以产生水和氢原子，发挥抗氧化作用。他们在皮肤鳞状细胞癌裸鼠模型上发现，连续呼吸8个大气压97.5%H2(2.5%O2)14天，可以促使肿瘤消退。这是H2发挥生物医学效应的首次报道。

1.2 1996年Nature杂志文章的科学预言

1996年，Jones[4]在Nature杂志上发表文章，提出一种新的抗炎症性策略，即对抗炎症吞噬细胞产生的氧自由基。Jones认为H2是最简单和最安全的还原剂，能与强活性羟基自由基直接发生中和反应，并生成水，认为这是H2抑制炎症反应的化学基础。Jones预言H2对哺乳动物不会产生生物化学效应，几乎没有任何毒副作用。Jones还提到，H2浓度过高可能会存在爆炸危险，提示人们在使用的时候需要注意。

1.3 2007年Nature Medicine杂志文章的基础实验证据

2007年，太田成男教授课题组在世界著名杂志NatureMedicine上发表的论文引起轰动，他们发现动物呼吸2%H2可有效清除自由基，显著改善脑缺血再灌注损伤，提出H2选择性抗氧化的新概念[2]。他们采用化学反应、细胞学等手段证明，H2溶解在液体中，可选择性中和羟自由基和亚硝酸阴离子等毒性活性氧，而不与过氧化氢(H2O2)、一氧化氮(NO)、超氧阴离子(O2-)等必要活性氧发生反应。因此认为，H2属于选择性抗氧化物质，可以选择性清除人体毒性自由基，治疗脑缺血再灌注损伤。这一发现，奠定了H2具有治疗疾病作用的研究基础，并引发全世界H2分子生物学的研究热潮。

1.4 2015年The Journal of Clinical Endocrinology Metabolism杂志文章的人群试验证据

2015年，秦树存教授课题组在TheJournalofClinicalEndocrinologyMetabolism发表H2医学临床研究论文。研究首次采用双盲安慰剂对照试验，证明富氢水对人类血脂能产生正面调节效应，并对产生这种效应的机制进行了深入研究[5]。在此研究中，受试者每天分3次饮用富氢水900 mL，连续10周。在不同阶段采集患者血浆，检测脂蛋白等指标。研究结果发现，胆固醇流出调节蛋白的活性被激活，促进了细胞内胆固醇的流出，使得高密度脂蛋白(high-density lipoprotein, HDL)抗动脉硬化的功能显著提高，同时血浆和HDL中氧化应激和炎症因子水平也显著降低。这一研究表明富氢水对控制人类高脂血症和预防动脉硬化具有潜在效果，证明了H2在心血管领域的临床应用价值。

图1 氢气生物医学效应的发现之旅

2 氢气的多效性作用机制探讨

2.1 抗氧化作用

氧化应激是机体内自由基的产生与清除失衡，致使自由基在体内积聚并引起氧化损伤。机体内自由基主要包含氧自由基如超氧阴离子、羟自由基(·OH)、过氧化氢等，以及氮自由基如一氧化氮、二氧化氮(NO2)和过氧化亚硝酸盐(ONOO-)等。在炎症、缺血、动脉粥样硬化(atherosclerosis, AS)、糖尿病、器官移植等病理情况下，自由基在体内大量聚集，损害细胞或器官功能，从而对机体造成损伤[6]。H2可有效清除自由基，减轻缺血再灌注损伤[2,7]、心肌梗死[8]、帕金森病[9]、脓毒血症[10]等动物模型中的氧化应激。H2不仅能直接与自由基发生中和反应，还可以间接地增强过氧化氢酶(catalase, CAT)[11]、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase-1, GPx)[12]、血红素氧合酶-1(heme oxygenase-1, HO-1)[13]、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)[14]、髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)[15]等抗氧化酶的活性，进一步改善氧化应激状态。此外，H2还可以通过转录因子核因子E2相关因子(nuclear factor E2-related factor 2, Nrf2)信号通路调控抗氧化酶的活性与表达水平。多个H2抗氧化作用的分子机制研究成果表明，H2可上调Nrf2抗氧化途径，缓解胆管细胞缺氧/复氧(H/R)损伤[16]、高氧所致肺损伤[17]、海水灌注致急性肺损伤[15]、化疗引起的卵巢损伤[18]、脓毒症脑损伤[19]、非酒精性脂肪肝(NAFLD)[20]等，以及促进口腔腭部伤口愈合[21]、稳定动脉粥样硬化斑块[22]等。这些研究成功表明，H2可通过多种方式发挥其抗氧化作用。

2.2 抗炎症作用

炎症是许多疾病共同的病理基础，通过促进免疫系统的过度激活以及炎症因子的释放等，造成机体损伤。H2可通过调节炎性细胞因子和抗炎细胞因子的含量发挥抗炎效应，故H2可用于治疗多种与炎症相关的疾病，如类风湿关节炎[11]、结肠炎[23]、急性胰腺炎[24]、脓毒血症[25]、心脏缺血再灌注损伤[26]、缺血缺氧脑组织氧化应激反应[27]等病症。在众多炎症动物模型中证实，H2也可通过作用于细胞信号转导通路和基因的表达减少致炎因子的产生，发挥抗炎作用。例如，给予富氢水可降低肾脏移植大鼠体内炎性标志物肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-6(IL-6)、γ干扰素(IFN-γ)等mRNA表达水平，以及抑制C-Jun N端激酶(JNK)、细胞外信号调解激酶1/2(ERK1/2)和p38等的活性，从而抑制丝裂源活化激酶(MAPK)信号转导，降低炎症反应[28]。腹腔注射富氢生理盐水还可减弱JNK的磷酸化和p38-MAPK的激活，从而缓解急性坏死性胰腺炎导致的急性肝损伤[29]；此外还可以抑制促炎因子TNF-α的表达，抑制炎性蛋白激酶信号核因子-κB(NF-κB)的转导，缓解再灌注损伤的炎症反应[30]。

2.3 抗细胞凋亡作用

凋亡主要通过受体介导的死亡信号通路和线粒体介导的信号通路而发生。这两条通路均需激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(Caspase)，因此Caspase是执行细胞凋亡的主要酶类。H2易通过细胞膜等膜性结构，中和细胞内的毒性自由基，保护DNA、蛋白质等不被自由基破坏，维持正常的线粒体功能，阻止细胞凋亡。有研究表明，腹腔注射富氢生理盐水可显著降低脊髓损伤大鼠模型中脊髓细胞的凋亡，以及Caspase-3和Caspase-12的表达和活性，还可促进损伤脊髓的恢复[31]。氢分子还可以减少Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9等凋亡相关蛋白的表达，或者调节促凋亡因子/抗凋亡因子(Bax/Bcl-2)的比值，减轻缺血再灌注损伤诱导的细胞凋亡[32-33]。此外，最近研究表明，H2可抑制p53的表达和磷酸化，减缓慢性心力衰竭进展[34]。腹腔注射富氢盐水可通过PINK1/Parkin介导的有丝分裂作用，促进自噬相关蛋白的表达，减轻心肌缺血再灌注的炎症反应和细胞凋亡[35]。这些研究成果为H2治疗机制提供了一个新的假说。

2.4 其他作用假说

H2除了具有上述的抗氧化、抗炎以及抗凋亡作用外，还可影响机体能量代谢。H2可增加体内脂肪酸和葡萄糖的消耗，降低血糖、甘油三酯(triglyceride, TG)水平[36]，还可增加胃肠中生长激素促泌素gerelin的分泌，发挥神经保护作用[37]。本团队发现，饮用富氢水后血浆总胆固醇(total cholesterol, TC)、低密度脂蛋白(low density lipoprotein, LDL)以及载脂蛋白B(apolipoprotein B, ApoB)和ApoE水平明显降低；HDL、SOD水平有所升高[38]。而且富氢水还可显著降低胆固醇和血糖水平，改善体重指数(BMI)和腰臀比[39]。这些结果显示，富氢水能够改善代谢综合征相关指标。近些年研究发现，在体外，H2可以与乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase, AchE)[40]、辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase, HRP)[41]等生物酶相互作用，提高酶活性。与此同时，秦树存课题组在体内试验发现H2可提高对氧磷酶-1(paraoxonase-1，PON-1)活性和卵磷脂:胆固醇脂酰转移酶(lecithin:cholesterol acyltransferase, LCAT)的含量，降低脂蛋白相关磷脂酶A2(lipoprotein-associated phospholipase A2, Lp-PLA2)的活性，降低高脂喂养大鼠氧化磷脂的水平，改善HDL的功能[42]。这表明H2的作用机制可能基于酶学反应的过程。

图2 氢气的多效性作用机制

3 氢气的临床应用研究

3.1 氢气抗肿瘤的真实世界数据

随着氢医学的不断发展，H2抗肿瘤的基础研究为肿瘤治疗提供了更明确更全面的临床证据。近些年研究发现，富氢水在恶性肿瘤患者化疗中能够起到减毒增效作用，能够保护骨髓，保护心脏、胃肠道、肝肾功能，改善患者生活质量[43]。临床试验显示，接受放疗的肝癌患者饮用富氢水能明显提高生活质量，且不影响放疗的抗肿瘤效果[44]。1例胆囊癌患者吸氢3个月后，患者的腹腔转移灶明显缩小，病情恢复稳定[45]。暨南大学徐克成团队对III期和IV期癌症患者进行了前瞻性随访研究，发现每天吸入66.7%H2和33.3%O22～3 h，连续3个月后，肺癌患者身体状况得到明显改善，而妇科和胰腺癌患者的效果差；且III期肿瘤控制率远高于IV期患者，肺癌患者效果最好，胰腺癌患者效果最差，同时并没有观察到血液学毒性[46]。此外，H2可恢复晚期结直肠癌患者CD8T细胞的耗竭程度，提高自身免疫抗肿瘤活性，提高患者生存率[47-48]，还可改善化疗后结直肠癌患者肝功能，改善预后[49]。

3.2 氢气心血管保护作用研究数据

在心血管领域内，H2具有广泛的生理作用及临床意义。近年来，在心血管疾病动物模型研究中，发现H2对心肌缺血再灌注损伤、AS、心脏重构、心力衰竭、放射性心脏损伤等疾病具有保护作用，为临床治疗提供了更多依据[50]。目前，在临床试验中，通过各种途径摄取H2可改善心功能障碍性疾病，包括心脏骤停后综合征[51]、经皮冠状动脉介入治疗后左心室重构[52]等心血管疾病。在日本，2%H2吸入已被批准用于心脏骤停的临床紧急治疗。此外，在人群试验中发现饮用富氢水可显著增强HDL抗AS功能，减少血浆和HDL中氧化应激和炎症因子水平[5]。这一研究表明，富氢水对控制人类高脂血症和预防动脉硬化具有潜在效果。

3.3 氢气脑神经保护作用研究数据

H2可通过抗氧化、抗炎、抗凋亡、调节自噬、保护线粒体功能和血脑屏障发挥神经保护作用，包括创伤性损伤、蛛网膜下腔出血、神经病理性疼痛、神经退行性疾病、手术和麻醉引起的认知功能障碍、焦虑和抑郁等，被认为是一种新的神经保护剂[53]。临床研究显示，H2吸入可改善脑缺血再灌注损伤患者的生理参数，且安全性高[54]。单独饮用富氢水或联合药物治疗，可改善帕金森病[55-56]、认知障碍[57]、缺氧缺血性脑病[58]等疾病状态，以及运动员运动相关脑震荡的症状和平衡能力[59]、睡眠不足的年轻人警觉性和注意力[60]等。此外，富氢生理盐水静脉注射与依达拉奉联合治疗还可改善脑干梗死急性期的自然病程[61]。因此，H2是一种新的和潜在的治疗策略，用于预防和治疗神经系统疾病，进一步推动了氢气医疗行业的发展。

3.4 氢气抗新冠肺炎的初步数据

2020年，“氢氧混合吸入疗法(H2/O2: 66.6%/33.3%)”被国家卫生健康委列入“新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第七版)”和“(第八版)”，为降低重症新冠病毒(COVID-19)患者的肺部炎症、改善其肺功能做出了重要贡献[62]。吸入33.3%O2是由于COVID-19的肺功能不全，而H2很可能是作为呼吸气体的惰性部分加入的，但也有可能本身就有益处[63]。最近的一项研究表明，H2可以抑制哮喘患者的气道炎症，这种作用可能会改善COVID-19中炎症细胞因子风暴的情况[64]。此外，静脉输注富氢盐水对急性肺损伤和急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的治疗发挥有益影响，这两种情况在严重COVID-19感染的患者中都很常见。因此H2可作为治疗新冠肺炎的辅助治疗，缓解患者呼吸困难等症状。

3.5 氢气的其他临床数据

随着氢分子治疗作用研究成果的不断涌现，人们发现，通过各种途径摄取H2也可改善内分泌、呼吸、皮肤、免疫等系统的疾病[65]。人群研究显示，饮用富氢水能够改善代谢综合征[38-39]、高脂血症[5]、糖尿病[67]等相关指标，甚至可以降低肥胖人群的脂肪指数，促进胰岛素平衡[68]。而且，饮用富氢水还可缓解类风湿性关节炎[11, 69]、移植物抗宿主疾病[70]等免疫功能障碍。吸入氢氧混合气体可降低气道阻力和炎症水平，缓解气管狭窄[71]、哮喘[72]带来的呼吸困难症状。多项临床应用发现，氢水沐浴或氢水局部湿包扎可改善多种皮肤疾病，如斑疹[73]、急性红斑性皮肤病[74]、银屑病[75-76]等，还可促进皮肤溃疡与感染伤口的愈合[77]。另外，氢分子还可改善牙周炎、放疗引起的听力损伤和骨髓损伤、肌肉萎缩、膀胱炎、透析等状态。因此H2在不同疾病中的作用可进一步拓展。

图3 氢气的临床应用研究

4 氢气医学作用研究的挑战和策略

4.1 氢气医学作用的大数据短板

近年来H2相关研究的范围不断扩大，其应用的手段也在逐渐丰富。与此同时逐渐增多的临床研究也进一步证明，H2在疾病治疗方面具有重要作用和独特优势。但是，氢气医学的广泛应用还面临许多挑战[3,65]:(1)多中心大样本的H2循证医学证据几乎缺如；(2)产生疗效的H2摄取途径和剂量效应关系远未清晰；(3)H2疗效的作用机制还需要进一步厘清；(4)作为迅速崛起的H2疗效产品缺乏国家标准和行业标准；(5)市场上相关产品质量参差不齐，令消费者选择困难。最近，深圳大学何前军教授团队发现的H2纳米材料[78]，有可能为解决H2聚集含量不足提供新的解决方案，值得基础和临床进一步研究探索。H2广泛应用于临床尽管仍需经历曲折的道路，但前景可期。

4.2 氢气医学作用的多中心研究数据展望

临床效应验证和应用技术开发是氢气医学领域发展的重要基础，也是对推动氢气医学繁荣的重要动力。日前，成立的中国老年保健医学研究会氢分子生物医学分会组织涵盖了所有我国相关学术界与产业界人士，旨在促进氢气医学产学研的快速高质量发展。此外，在170多种疾病模型和某些人类疾病中的研究证明，H2对治疗缺血/再灌注损伤、代谢综合征、炎症和肿瘤等疾病具有明确或潜在的治疗效果[3]。加之H2的高度生物安全性和供体多样性，方便用于多中心的临床观察试验。显然，氢分子的生物学效应、生理学意义和临床应用价值，随着诸多临床试验报告的出炉，必将愈益得到医疗行业的密切关注，不断增多的H2促进健康和疾病治疗的证据将凸现其巨大的应用前景。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突