氢分子在心血管病及其风险因素防控中的作用和分子机制*

谢云博， 陈 军， 刘伯言， 王义围△， 秦树存△

［1山东第一医科大学（山东省医学科学院）泰山氢生物医学研究院，山东泰安271000；2承德医学院附属医院，河北承德067000］

伴随全球老龄化进程的加快，心血管疾病成为威胁包括我国在内的全人类健康的首要问题。到2030年，中国的心血管疾病发生率和死亡率将急剧上升，五分之二的死因与心血管疾病有关［1］。为实现我国2030 大健康目标和健康老龄化这一国家战略，必须探索防治心脑血管疾病发生发展的新思路和新方法。

氢分子（hydrogen molecule，H2）是无色、无味、分子量最小的气体分子，具有抗氧化等生物学效应，日益得到广泛关注，被誉为新型医学气体分子［2］。早在1975 年，Dole 等［3］首次提出 H2可用于治疗疾病的概念。他们给患有皮肤鳞状细胞癌小鼠使用8 个大气压下含97.5%H2的高压氢仓进行治疗，结果显示，小鼠肿瘤可明显消退。这一发现发表在《Science》杂志上。2007 年，Ohsawa 等［4］证明，给小鼠吸入不会爆炸的安全剂量的2%～4%低浓度的H2也能通过抗氧化作用显著减少脑缺血再灌注损伤导致的脑梗死。该研究发表于《Nature Medicine》，引起学界广泛关注。氢生物医学从此进入快车道。2020 年，H2应用于医疗健康领域取得重要突破，氢氧雾化机作为三类医疗器械获国家药监局批准上市；同年，国家卫生健康委员会在《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》和《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第八版）》中均推荐吸入氢氧混合气（66.6%H2和33.3%O2）作为辅助治疗措施。氢生物医学终于走出实验室进入临床应用。由于H2在生物学上比其他气体分子具有高安全性的优势，使得H2用于疾病预防和治疗的前景更加广阔。而且，各种H2供体易于被人体吸收，摄入途径多种多样，比如吸入氢气、饮用富氢水、注射或表面直接使用富氢生理盐水、进行氢水沐浴等［5］。

近百个人群试验报告已证明H2对中枢神经系统［6］、肺［7］、肾［6］、肝［8］、胰腺［9］、肠道［10］等的病理状态有一定疗效。其中，多项临床研究和一些动物实验证明H2对心血管疾病及其各种危险因素具有改善作用，也提出H2在分子水平上的多个作用机制假说。

1 H2在心血管病及其危险因素防治中的作用

1.1 H2对冠心病的作用 冠心病主要表现为心绞痛、心肌梗死、猝死和慢性心力衰竭。2017年，Katsumata 等［11］在一项前瞻性临床试验中，对诊断为 ST 段抬高性心肌梗死的20 名患者给予1.3%H2治疗6 个月。结果证明，心肌梗死后6 个月的低浓度H2治疗可以促进左心室逆向重塑，而且经皮冠状动脉介入治疗期间的低浓度H2吸入未发现毒副作用。最新一项临床试验表明，每天饮用富氢水1～1.2 L，连续3个月，可缓解不稳定型心绞痛患者的心绞痛症状，并可降低血浆总胆固醇（total cholesterol，TC）、低密度脂蛋白胆固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDLC）和载脂蛋白 B（apolipoprotein-B，Apo-B）水平［12］。上述这些人群试验的治疗效果皆与H2的抗氧化、抗炎症和抗凋亡作用有关。Ohsawa等［13］在脓毒症小鼠动物模型中发现，每天给予2%H2吸入2 h，能减轻脓毒症小鼠的肺损伤。可能由于减轻了氧化应激和炎症，同时减少缺血引起的超氧化物的形成［14］，这一结论同样在SMP30/GNL基因敲除小鼠中得到部分证实［15］。另外一项大鼠实验表明，饮用富氢水还可显著改善缺血再灌注后24 h 的心功能参数，包括左室收缩压和舒张压等；该实验同时证明饮用富氢水可以降低心肌缺血/再灌注所致大鼠心脏危险区炎症指标，如中性粒细胞浸润、3-硝基酪氨酸水平、细胞间粘附分子1 表达和髓过氧化物酶活性，同时降低了心肌缺血/再灌注危险区中促炎细胞因子［肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白细胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）］水平［16］。另外，饮用富氢水还抑制再灌注诱导的心肌细胞凋亡［17-18］，并且这些作用主要与激活大鼠心肌组织PI3K/AKT 信号通路，抑制Bim和caspase-3活性有关。

1.2 H2对动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS）的作用 AS 是缺血性心脏病的病理基础，其发生和发展同时受炎性疾病以及更普遍的慢性病（例如肥胖症、糖尿病等）的共同影响［19-21］。Ohta 等［22］发现，给予载脂蛋白 E 基因敲除（apolipoprotein-E gene knockout，apoE-/-）小鼠饮用饱和氢水6 个月，可以显著减少其主动脉斑块面积，降低主动脉氧化应激水平，并减少AS 病变中巨噬细胞的积累。秦树存团队研究发现，腹腔注射富氢盐水8 周可显著抑制正常饮食或高脂食物饲喂的apoE-/-小鼠斑块发生发展，并降低动脉壁内膜慢性炎症水平［23］。进一步使用低密度脂蛋白受体基因敲除（low-density lipoprotein receptor gene knockout，LDLR-/-）小鼠模型证明，H2通过提高胶原蛋白水平及降低斑块中巨噬细胞和脂质含量，显著增强斑块稳定性［24］。Iketani 等［25］向LDLR-/-小鼠喂饲高脂食物13周后导致显著的AS，他们也发现这些小鼠持续饮用富氢水后AS 面积显著缩小。上述动物实验证据表明，H2可能会减少AS 性心脑血管事件的发生率，这一结论值得在人类临床试验中进行验证。

1.3 H2对血压、血脂和血糖的调节作用 增高的血压、血脂和血糖是心血管疾病的主要危险因素，与肥胖等一起成为代谢综合征的主要表现。我国有20%～30%的成年人患有代谢综合征［26］。预防和控制AS发生发展的主要手段是降低血脂、血糖和血压水平［27-28］。H2已被证明对血压、血脂和血糖具有调节作用。

1.3.1 H2对血糖的调节作用 糖尿病（diabetes mellitus，DM）与心血管疾病特别是AS 的加重有关［19］。DM 以高血糖为特征，通常伴有血脂异常；高血糖可导致高血压、血管炎症和血栓形成，是AS 的危险因素［27］。2008年Kajiyama 等［29］在一项随机双盲试验中证实，DM 患者每天饮用0.9 L 富氢水8 周，可降低血浆LDL-C、尿8-异前列腺素、血浆氧化LDL（oxidized LDL，ox-LDL）和游离脂肪酸的含量，升高血浆脂联素和细胞外超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）水平。这些结果说明，补充富氢水可能对2 型DM 和胰岛素抵抗有治疗作用。值得一提的是，DM经典用药阿卡波糖通过诱导H2来降低外周血白细胞氧化应激和炎症细胞因子表达水平，从而阻止DM并发症的发生［30］。

1.3.2 H2对血脂的调节作用 血浆脂蛋白水平与AS关系密切。LDL-C和Apo-B-100水平升高与AS心血管事件的风险直接相关。高密度脂蛋白（highdensity lipoprotein，HDL）水平与AS 心血管事件呈负相关［31］。炎症会导致血脂和脂蛋白水平的各种变化，最严重的变化是HDL 和Apo-A1水平降低［32］。在一项68 名未经治疗的单纯性高胆固醇血症患者的双盲随机安慰剂试验中，每天饮用富氢水0.9 L可降低促炎因子和ox-LDL 水平，降低血浆胆固醇水平、氧化应激和炎症状态，并可能抑制AS 的发展［21-22］。2018 年，一项46 人的随机安慰剂试验证明，富氢水可降低颈 AS 患者血浆 TC、LDL-C 和 ox-LDL 水平［33］；同时还可以提升患者的内皮细胞数量，改善患者的颈动脉内-中膜厚度［33-34］。2017 年，Ostojic 等［35］对 10名超重的女性志愿者进行了一项双盲安慰剂对照试验：志愿者每天服用含有6 ppm H2的胶囊，连续4周；与安慰剂组比较的结果显示，富氢胶囊组体内脂肪、血浆甘油三酯和胰岛素水平均显著下降。还有临床研究证明，饮用富氢水组的血浆TC、LDL-C、Apo-B和Apo-E 水平降低，而血浆 Apo-M 和 SOD 水平及 LDL颗粒中的硫代巴比妥酸活性物质含量升高［33，36］，同样的结论在动物实验中也得到验证［34，37］。2010 年Nakao等［36］在代谢综合征的人群试验研究同样发现，H2可提升血浆 HDL-C 水平，降低 TC/HDL-C 比值。以上结果表明补充富氢水可改善血脂异常，同时H2还可缓解代谢综合征和DM中的脂质代谢紊乱［38］。

1.3.3 H2对血压的调节作用 高血压可以增加冠心病的患病率［39］，同时也会增加人类［39-40］和实验动物［41-43］AS 的严重程度。有研究证明，氧化应激可导致肺动脉高压（pulmonary hypertension，PH）的发生和发展［44］，而富氢水因其具有保护生物大分子免受氧化损伤的能力［45］而改善了PH 的血流动力学，并逆转了右心室肥厚。多项动物实验证明，腹腔注射富氢生理盐水对高血压疾病有积极的作用［46-49］。口服富氢水和腹腔注射富氢生理盐水均可抑制巨噬细胞聚集、减少氧化应激和调节STAT3/NFAT 信号轴，从而减轻大鼠PH 和右心室肥厚，并且改善盐敏感性高血压大鼠的左心室功能［50］。

表1 总结了H2防治心血管疾病及其危险因素的临床试验。

2 H2防治心血管病及其危险因素的作用机制

H2的细胞和分子作用机制是目前研究的热点和难点。H2可能通过以下5 种机制对心血管疾病起到防治作用（图1）。

Figure 1. The possible molecular mechanisms of hydrogen against cardiovascular diseases. FGF-21：fibroblast growth factor-21；FFA：free fatty acids；UCP-1：uncoupling protein-1； VEGF： vascular endothelial growth factor；p-eNOS（Ser1177）：phosphorylated endothelial nitric oxide synthase at serine 1177；LDL：low-density lipoprotein；Apo：apolipoprotein；PON-1： paraoxonase-1； ox-LDL： oxidized LDL；TNF-α：tumor necrosis factor-α；IL：interleukin；IFN-γ：interferon-γ；ICAM-1：intercelluar adhesion molecule-1；PGE2：prostaglandin E2.图1 氢分子防治心血管疾病可能的分子机制

2.1 选择性清除自由基 氧化还原稳态失衡可能源于并导致细胞损伤和组织病变。羟自由基几乎立即与生物分子发生反应，并且是自由基链反应的主要触发因素［51］。一旦链反应发生在生物膜上，就会对细胞造成严重损害，诱发或加重心血管慢性炎症病变过程［52］。Ohsawa 等［4］指出，H2具有选择性抗氧化特性，可特异性中和羟基自由基和直接清除过氧亚硝酸盐。值得关注的是H2只清除有害的毒性自由基，而不会清除具有生理作用的有益自由基。H2的积累可能在脂质相中比在水相中更多，特别是在不饱和脂质区域中，这是初始链反应的主要目标［53］。因此，H2可能具有抑制链反应的优势，该链反应会产生脂质过氧化物，并导致产生氧化应激标志物，如4-羟基-2-烯醛和丙二醛［54］。在动物和人群样本检测中均发现H2干预可降低8-羟基脱氧鸟苷水平［55-56］。

2.2 抗炎和抗凋亡 大量研究表明H2可以降低促炎症因素［57］（包括核因子 κB［58］、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-10、IL-12、干扰素 γ、细胞间黏附分子 1［59］、前列腺素 E2［60］、高迁移率族蛋白B1［61］等）的表达。凋亡是程序性细胞死亡的一种形式，H2通过抑制促凋亡因子Bcl-2 相关 X 蛋白（Bcl-2-associated X protein，Bax）、caspase-3、caspase-8 和 caspase-12 的表达，并上调抗凋亡因子Bcl-2 来实现抗凋亡作用［62］。也有研究表明H2可通过未知机制下调凋亡细胞Bax 表达，并抑制其向线粒体转运［63］。H2还可通过下调CHOP 表达抑制ox-LDL 诱导的巨噬细胞凋亡，其上游机制可能是通过激活自噬实现的［64］。

2.3 调节糖脂代谢相关通路 富氢水对代谢综合征有显著的改善作用，主要通过上调肝细胞分泌成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor 21，FGF-21）并增强脂肪酸和葡萄糖消耗，因为H2可激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ）辅激活因子1α（PPARγ coactivator-1α，PGC-1α），随 后 触 发PPARα 通路，导致 FGF-21 上调，PGC-1α/PPARα/FGF-21 介导的级联反应增强了能量代谢，从而改善脂肪酸代谢和葡萄糖耐受不良［65］。H2利用其抗氧化特性，减轻了活性氧诱导的肥胖小鼠白色脂肪中生物大分子损伤；同时富氢水在体外抑制Wistar 大鼠肾匀浆中葡萄糖和α，β-二羰基化合物诱导的活性氧产生，从而减少氧化应激［66］。H2还可上调生热基因解偶联蛋白1 和血管内皮生长因子表达，促进肥胖小鼠白色脂肪褐变和棕色脂肪激活，从而延缓心血管疾病的发生发展。另外，饮用富氢水的肥胖小鼠心肌细胞内内皮型一氧化氮合酶活化（Ser1177 磷酸化），进一步增强了一氧化氮的生物学活性，导致毛细血管和小动脉显著扩张，进而起到保护心脏、改善心功能的作用。

2.4 改善脂蛋白结构和功能 脂蛋白是血液循环中大小不等的脂滴，由多种脂质和蛋白成分组成。脂蛋白根据密度大小可分为乳糜微粒、极低密度脂蛋白、LDL 和HDL。HDL 具有许多重要功能，如促进胆固醇的逆向运输、降低发生心血管疾病的发病风险、减少ox-LDL、抗炎、抗血栓、增加一氧化氮产生、保护血管等作用［67］。炎性疾病可能会增加患AS性心血管疾病的风险，同时炎症会导致HDL 水平降低和HDL 结构改变。H2可改善 HDL 功能［33］，提高 LDL 抗氧化应激及巨噬细胞介导的抗炎能力，抑制单核细胞与内皮细胞对TNF 的黏附，加强内皮细胞的保护作用，刺激巨噬细胞胆固醇外流，减少凋亡［34，36］。HDL颗粒成分构成相关蛋白的显著变化包括血清淀粉样蛋白A 的增加，以及Apo-AI、卵磷脂胆固醇酰基转移酶和胆固醇脂转移蛋白的减少。秦树存团队通过分离HDL进行蛋白组学分析，发现H2干预可影响高脂饮食引起的大鼠HDL 蛋白组成变化，并提高HDL 相关的对氧磷酶 1 和脂蛋白磷脂酶 A2 活性［68］，提示 H2可能通过改善HDL 结构成分而保护HDL 功能。另外，H2还可减少脂蛋白和脂蛋白靶生物膜的氧化修饰：H2作为穿透性极强的小分子抗氧化剂，可以深入病灶，抑制脂蛋白氧化修饰，从而保护血管动态平衡。

2.5 H2直接调节生物酶活性 马雪梅团队通过H2减轻农药造成的脑损伤的实验发现，H2对线粒体有保护作用，同时发现H2对乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，AChE）活性有影响。2014 年，马雪梅团队通过研究AChE 与H2的关系，首次直接证明H2与生物酶的直接作用［69］。而后吕均鸿团队以胃蛋白酶为研究对象，采用酶法、原子力显微镜和太赫兹时域光谱进一步证明了H2可吸附在疏水活性中心附近，并改变胃蛋白酶的氢键，使酶活性中心发生改变［70］。这是继Ohta 团队提出H2与羟自由基和过氧亚硝酸根等毒性自由基直接反应的选择性抗氧化理论［71］后，学者提出的新的H2直接作用靶点。

3 小结

H2具有分子量小、穿透性强、无生物毒性等理化生物特性，借助其抗氧化和调节生物酶的分子机制，在心脑血管疾病预防和治疗方面已经获得大量数据。但是，H2作为新的健康手段和治疗方法仍然存在一些问题，特别是缺乏大规模随机对照人群试验和不同H2供体、不同使用途径的量效数据。相信随着氢医学的发展进步，H2作用机制的研究将更加深入，从实验室到临床的转化将进一步加快，更多种类的H2供体也将应运而生。H2作为心脑血管疾病预防和治疗的新手段新方法具有愈益广阔的应用前景。