这是一篇13000字的综述，对氢气治疗各种肾脏疾病的基础和临床研究进行了全面综述。大文章长文章的写做特点是面面俱到，也容易有缺乏重点的问题，本文也存在类似情况。但无论如何，仍然是一篇有价值的综述。可以让读者在很短时间内对所有相关内容有一个全面的了解。

该综述作者分别来自日本MIZ公司、庆应义塾大学和武藏野大学数据科学学院。

Hirano S, Ichikawa Y, Sato B, et al. Clinical Use and Treatment Mechanism of Molecular Hydrogen in the Treatment of Various Kidney Diseases including Diabetic Kidney Disease[J]. Biomedicines, 2023, 11(10): 2817.

摘要

随着全球糖尿病发病率的激增，糖尿病肾病（DKD）患者的数量也相应增加，这是糖尿病常见的并发症之一。DKD是慢性肾脏疾病的重要诱因，常常导致终末期肾衰竭。然而，目前对DKD的医学治疗的效果仍有待提高。氢分子（H2）是一种抗氧化剂，能选择性地减少羟自由基，这是一种具有很强氧化能力的活性氧物质。最近的研究表明，氢气不仅具有抗氧化性质，还表现出抗炎作用，调节细胞致死性和信号转导。因此，它现在正在被应用于临床应用中。许多因素导致DKD的发病和进展，其中线粒体功能障碍、氧化应激和炎症起着重要作用。最近的临床前和临床试验报告称，具有抗氧化性质的物质可能减缓DKD的进展。因此，我们对文献进行了全面综述，重点关注了动物模型和人类临床试验中氢气对抗各种肾脏疾病的有效性。从这篇文献综述中收集到的证据，以及我们之前的发现，表明氢气可能通过增强线粒体功能来为DKD患者带来治疗益处。为了证实这些发现，需要进行大规模的未来临床研究。

1.研究背景

肾脏疾病包括许多不同的病症，如由肾脏炎症和感染引起的肾小球肾炎和肾盂肾炎，以及由高血压、动脉硬化和糖尿病引起的肾病。糖尿病肾病（DKD）是糖尿病的并发症之一，也是慢性肾病（CKD）进展到终末期肾病（ESRD）的主要原因[1,2]。

国际糖尿病联合会估计，到2021年全球糖尿病患病率将达到10.5%（5366万人），到2045年将达到12.2%（7832万人）[3]。随着全球糖尿病的迅速增加，糖尿病肾病患者的数量也在持续上升，特别是在发达国家[1,2,3]。糖尿病肾病不仅是进展到ESRD的风险因素，还是心血管疾病死亡的风险因素[4]。大约30-40%的糖尿病患者会发展为糖尿病肾病，使其成为全球公共卫生和健康经济问题。

氢气是一种易燃、无色、无味的气态分子。氢气作为一种抗氧化剂，可以直接减少羟基自由基（·OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO−），这两种物质分别是活性氧物种（活性氧）和活性氮物种（RNS），具有非常强的氧化能力[5]。此外，氢气还通过调节基因表达以及通过核因子红细胞相关因子2（Nrf-2）和细胞内信号传导产生一系列间接效应，包括抗氧化、抗炎和细胞致死性调节作用。

目前关于氢气生物学效应的研究出版物总数已超过2000篇。氢气不仅容易穿过血脑屏障，还能穿过生物膜到达线粒体，保护细胞免受活性氧-和RNS-诱导的细胞损伤。尽管氢气的目标分子尚不清楚，但最近的研究显示氧化卟啉能够催化氢气与·OH的反应，从而减轻氧化应激。

糖尿病肾病的发展和进展涉及许多因素，其中线粒体功能障碍、氧化应激、高血糖和炎症已被强烈关联。最近的临床前和临床研究表明，降低氧化应激的新治疗药物可能减缓糖尿病肾病的进展。其他研究证明氢气在各种动物肾病模型中有效。此外，氢气吸入疗法或使用富含氢气的透析液治疗被证明可以减轻透析患者的氧化应激。然而，据我们所知，氢气对糖尿病肾病的潜在治疗效果尚未报道。因此，鉴于开发具有优越疗效和安全性并显示出对糖尿病肾病治疗潜力的新物质的重要性，我们假设氢气可能通过改善线粒体功能来减轻糖尿病肾病的发展和进展。基于这一假设，我们旨在分析文献中氢气在各种动物肾病模型和人类透析患者中显示出疗效的研究。此外，通过将这一文献分析与我们之前关于氢气对抗慢性炎症性疾病疗效的机制研究相结合[48,49]，我们探讨了氢气对糖尿病肾病的潜在治疗益处。我们希望通过本文的发表激发人们对氢气在治疗糖尿病肾病方面的临床研究进行考虑。

2.研究方法

为了调查氢气在DKD治疗中的潜力，我们进行了一项全面的文献搜索，重点关注DKD的病因和当前治疗方法及其疗效、氧化应激与炎症的关系、活性氧的产生和消除、活性氧与发病机制的关系、线粒体功能、活性氧在肾脏疾病中的作用、氢气对动物模型和人类患者的影响以及氢气对血管内皮功能的影响。从1991年4月到2023年9月，我们使用了PubMed和Google Scholar的电子数据库进行研究。在我们的PubMed搜索中，我们使用了医学主题词（MeSH）术语。我们的搜索策略包括使用布尔运算符AND、OR和NOT来组合关键词。图1中的PRISMA流程图描述了已经发表的信息选择的方法，遵循了Page等人[50,51]给出的指导。

3. 氢气调节氧化应激

3.1. 氢气在医学应用上的研究进展

1975年，Dole等人报告了氢气具有抗肿瘤作用。他们发现吸入8个大气压的2.5%氧气和97.5% 氢气的混合物显著缩小了小鼠的鳞状细胞癌[52]。1994年，Abraini等人证明吸入49% 氢气、50%氦气和1%氧气的混合物有效地预防了潜水员的减压病[53]。2001年，Gharib等人展示了高压氢气对血吸虫感染引起的慢性肝炎小鼠模型的抗炎作用[54]。此外，2005年，Yanagihara等人发现通过水电解产生的饱和浓度的中性氢气水减少了大鼠化学氧化剂诱导的肝损伤[55]。

2007年，Ohsawa等人报告了氢气作为治疗性抗氧化剂的应用，它可以选择性地减少·OH和ONOO−，这两种物质具有非常强的氧化能力[5]。自那时以来，氢气在医学上的应用引起了全世界的关注，并在该领域取得了显著的进步。2023年，铁卟啉被证明可以催化氢气与·OH的反应[11]。作者提出了一种机制，即在氢气和卟啉的存在下，·OH的强氧化能力降低，激活Nrf-2作为一种类似刺激效应并诱导抗氧化酶血红素氧合酶-1（HO-1）。然而，鉴于只有关于铁卟啉与哺乳动物组织或生物分子反应的数据出现在文献中，很明显氢气的目标分子研究仍处于早期阶段。

3.2. 活性氧的产生和清除系统

氧气是呼吸生物体产生能量所必需的，并且被细胞的线粒体用于生成三磷酸腺苷（ATP）。然而，机体消耗氧气中有1-2%会转化为活性氧，它具有强大的氧化性质。人体中的活性氧主要是超氧阴离子、过氧化氢气、·OH和单线态氧。当电子从线粒体呼吸链泄漏并与氧气结合时，会产生超氧阴离子。超氧阴离子还可以由黄嘌呤氧化酶产生，它使用氧气和黄嘌呤作为底物，或者由血管内皮细胞中的花生四烯酸级联反应产生。超氧阴离子是一种相对强力的活性氧，但它会被超氧化物歧化酶（SOD）降解为过氧化氢气。过氧化氢气进一步被过氧化氢气酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）分解为水和氧气。另一方面，当氧气与体内充当紫外线照射时的增敏剂的色素反应时，会产生单线态氧（图2）。

活性氧在人类身体中发挥着重要的作用，它们既具有生理功能，也是导致氧化应激的原因。随着年龄增长，抗氧化酶的功能和人体对活性氧的抵抗能力会逐渐减弱。当精神和生理压力、过度运动、吸烟以及紫外线和辐射暴露等原因导致大量活性氧产生时，活性氧与清除系统的平衡被打破，超过抗氧化酶保护能力的活性氧出现。氧化与抗氧化之间的失衡会导致铁和铜离子催化产生的超氧阴离子和过氧化氢气产生·OH,这是一种非常强的氧化剂。·OH还存在于其他生物反应中，并且在水这种生物物质受到辐射时也会生成。·OH在人体内只存在百万分之一秒，在这短暂时间里，其氧化能力比超氧阴离子强100倍。另一方面，一氧化氮(NO·)与超氧阴离子反应生成ONOO−，这也是一种氧化作用极强的物质。当两种强氧化作用的·OH和ONOO−产生时，它们会与生物膜和组织中的核酸、脂质和蛋白质发生反应，导致氧化损伤甚至DNA氧化。抗氧化酶无法清除·OH和ONOO−，而氢气可以选择性地降低·OH和ONOO−，将其转化为水(图2)。 

3.3 活性氧的“有益”和“有害”效果

活性氧对生物体具有“有害”和“有益”的效果。高浓度的超氧阴离子和过氧化氢气具有细胞毒性，但在低浓度下作为信号转导机制的第二信使以及免疫细胞代谢、激活、增殖、分化和凋亡的调节因子。高浓度的过氧化氢气可以通过抗氧化酶被转化为次氯酸，从而保护身体免受细菌攻击。NO·对于细胞内信号转导和血管扩张非常重要，临床上用作医疗气体。有报道称氧化应激分为良性和恶性。大量活性氧会导致氧化损伤，而少量活性氧可以激活Nrf-2并诱导HO-1，从而发挥抗氧化作用。少量活性氧还可以诱导肿瘤抑制基因p53的表达，这对于预防癌症非常重要。此外，少量活性氧对于维持生物体的稳态至关重要。 由活性氧引起的氧化应激会导致正常细胞发生突变并促进其转变为癌细胞。因此，通过抗氧化剂去除活性氧并减少氧化应激的方法被认为是预防和治疗癌症的有效方法。进行了大规模的维生素E补充临床试验。然而，与预期相反的是，接受维生素E治疗的患者前列腺癌的发病率显著增加。使用癌症小鼠模型进行的研究也报告了N-乙酰半胱氨酸和维生素E补充的癌症促进作用。DeNicola等人和Schafer等人阐明了这些抗氧化剂促进癌症生长的机制。因此，抗氧化剂对癌症的影响是双面的，取决于条件。氢气尚未显示出致癌作用，但其致癌抑制作用已经得到证实[69]。

活性氧不仅在DKD的发生和发展中起着重要作用，还在许多其他疾病中发挥着关键作用。这些包括神经系统疾病如脑梗死、脑出血、帕金森病、痴呆症、精神分裂症和肌萎缩侧索硬化症；心血管疾病如心肌梗死、心绞痛、心律失常、动脉硬化和血管痉挛；呼吸系统疾病如肺炎、病毒感染、肺纤维化、慢性阻塞性肺病和哮喘；肾脏疾病如急性肾损伤、CKD和DKD;消化系统疾病如胃溃疡、溃疡性结肠炎、克罗恩病、肝炎、胰腺炎和肝硬化；代谢性疾病如代谢综合征、肥胖症、糖尿病和血脂异常；皮肤疾病如湿疹和银屑病；以及支持组织相关疾病如类风湿关节炎和骨质疏松症。因此，可以毫不夸张地说活性氧涉及影响人体各个器官和组织的大多数疾病(图3)。

4 线粒体在肾脏疾病中的作用 

4.1. 线粒体的结构和功能 

线粒体是细胞内产生超过90%的细胞能量的细胞器，并在有氧条件下通过氧化磷酸化（OXPHOS）生成ATP。线粒体由外膜、内膜、内外膜之间的腔隙、被内膜包围的基质和被凹陷的内膜膜包围的嵴腔组成。线粒体有自己的基因组，即线粒体DNA（mtDNA），这与核基因组（nDNA）不同。

大约20亿年前，好氧细菌Proteobacteria侵入古菌，使它们转变为线粒体。因此，mtDNA的结构与细菌基因组结构相似，而不是真核细胞的核基因组。线粒体呼吸链复合物I-V在内部膜嵴中组装以高效地生成ATP。在这个过程中，主要从复合物I和III中生成大量的线粒体活性氧（mtROS），这些线粒体活性氧通常由抗氧化剂系统清除。因此，线粒体通过内部膜呼吸链复合物的电子传递系统和ATP合酶的OXPHOS维持高效的能量产生。

4.2. 活性氧在肾脏疾病中的作用

线粒体疾病是由各种基因异常引起的，这些基因参与线粒体功能和结构的维持，包括ATP合成、氨基酸、脂质和蛋白质的转运以及线粒体内氧化应激的清除。这些遗传异常可能源于mtDNA的异常和nDNA的基因突变[76]。当由于这些遗传异常而损害线粒体功能时，高能量需求的器官会出现功能障碍并表现出多种症状。根据病变的位置，线粒体疾病被称为线粒体脑肌病或肌病。 除了导致ATP产生减少和线粒体活性氧增加的遗传异常之外，还有其他因素可以诱导异常的线粒体功能，并且当损伤的线粒体释放细胞凋亡信号如细胞色素c时，会导致细胞死亡。这种类型的线粒体功能障碍已在许多代谢性和神经退行性疾病中观察到。其中，肾小球毛细血管内皮细胞和执行肾小球过滤功能的足细胞以及肾小管上皮细胞都活跃于线粒体代谢，因此肾脏易受到因缺血、缺氧和毒性物质引起的能量代谢失败的影响。 随着糖尿病患者数量的增加，DKD已成为ESRD的主要疾病[1]。糖尿病被认为是透析患者数量最近增加的主要原因。它降低细胞中的胰岛素作用，导致慢性高血糖和血脂异常。因此，可以看到信号传导机制的异常，如营养敏感的AMP激活蛋白激酶（AMPK）和雷帕霉素靶蛋白复合物1以及线粒体功能障碍。此外，由于细胞内葡萄糖摄入过多，糖尿病还增加了氧化应激，这促进线粒体产生过多的mt活性氧，激活多元醇代谢途径，激活蛋白激酶C，并导致晚期糖基化终产物的积累。氧化应激也促进了DKD的发展。 然而，生理水平的活性氧对于调节细胞内信号传导机制和细胞稳态至关重要。在糖尿病中，线粒体膜电位和呼吸调节速率降低，反之亦然，活性氧的产生减少，这抑制了OXPHOS和ATP的产生。持续的线粒体中OXPHOS和ATP产生的减少会由于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶和内皮型NO·合酶的解偶联而增加线粒体外的氧化应激，释放参与炎症和纤维化的细胞因子并诱导细胞损伤。在这种情况下，来自细胞质的活性氧比mt活性氧发挥更重要的作用。先前在糖尿病动物模型中使用AMPK激活剂的研究已经证明可以改善线粒体功能并诱导mt活性氧的产生，从而减少蛋白尿并减轻DKD。作为针对肾病的线粒体靶向治疗策略的一部分，提出了一种治疗方法来改善线粒体功能并诱导生理水平的活性氧产生具有其应用价值。

4.3. 糖尿病肾病治疗药物的发展状况

巴多索隆甲基（BM）作为潜在的糖尿病肾病（DKD）治疗药物引起了最多的关注。巴多索隆甲基是一种具有油酸骨架的新型合成三萜类化合物。巴多索隆甲基最初是作为抗癌药物开发的。在对癌症患者的一期临床试验中，发现估计肾小球滤过率（eGFR）增加，因此，巴多索隆甲基被转化为一种DKD治疗药物[94]。巴多索隆甲基改善肾功能的主要机制是激活Kelch样ECH相关蛋白1（Keap1）/Nrf-2通路。在日本进行了一项开放标签和双盲安慰剂对照的二期试验后，进行了一项日本的大型双盲安慰剂对照试验（AYAME研究），以证明巴多索隆甲基的疗效和安全性。然而，尽管这项临床试验显示eGFR有所改善，但它未能证明巴多索隆甲基抑制了ESRD的发展，因此，对巴多索隆甲基的进一步研究被终止。据报道，其他具有与巴多索隆甲基类似机制的物质包括姜黄素、异硫氰酸酯、肉桂醛、白藜芦醇和α-硫辛酸。这些物质处于临床前或早期临床试验阶段，预计将在未来作为Keap1/Nrf-2通路的激活剂。此外，钠-葡萄糖转运蛋白2（SGLT2）抑制剂通过氧化应激和炎症发挥作用，而胰高血糖素样肽1（GLP-1）受体激动剂作用于AMPK-哺乳动物靶标mTOR-自噬-活性氧-信号轴，两者在DKD的动物模型中均显示出效果。这些SGLT2抑制剂和GLP-1受体激动剂有望成为针对氧化应激的治疗药物。 另一方面，已经开发出针对改善线粒体功能的DKD治疗药物。一种高度针对线粒体的抗氧化剂是辅酶Q（MitoQ），它被发现在I/R损伤和DKD的动物模型中有效。然而，MitoQ有许多限制，例如在高剂量下本身会变成氧化剂，从而降低其疗效。埃拉米普特（SS-31），作用于线粒体内膜上的心磷脂，也在I/R损伤和DKD模型中有效，关于SS-31在DKD患者中的多项临床试验正在进行中。线粒酸5（MA-5）是一种新合成的吲哚化合物，以其能够增加细胞内ATP和减少mt活性氧的能力为特征，也引起了人们的兴趣。MA-5对I/R肾病和顺铂诱导的肾病有效。它还改善了心脏和肾脏线粒体的呼吸功能，延长了线粒体疾病小鼠的寿命，并且在患有线粒体疾病的患者中正在进行临床试验。 此外，植物及其提取物以及维生素由于能够调节氧化和炎症而显示出对抗DKD的潜在治疗潜力，这是DKD发展和进展的关键因素。例如，来自Embelia ribes Burm等草药的精油已被报道具有抗氧化性质。维生素C和E以及大蒜中的大蒜素和葡萄籽中的原花青素提取物也具有抗氧化、抗炎和/或抗糖尿病作用。这些候选药物处于临床前研究阶段；因此，对未来的研究和发展寄予厚望。

5. 氢气对各种肾脏疾病和血管内皮功能的影响 

在这里，我们调查了氢气在动物肾脏疾病模型和人类肾脏疾病中的预防和治疗效果的相关文献。以下是报告氢气对I/R损伤、移植、CKD、药物诱导性肾损伤、肾结石、肾纤维化、脓毒症相关的急性肾损伤（AKI）、腹膜透析（PD）和血液透析（HD）影响的研究总结（表1）。 正常血管内皮细胞可以扩张和收缩血管、增殖和抗增殖血管平滑肌细胞、凝血和抗凝血血液、炎症和抗炎、氧化和抗氧化。这些相反作用的平衡维持了血管张力并调节和维护了血管结构。然而，来自活性氧和RNS的氧化应激会诱导血管内皮损伤，这种损伤是动脉粥样硬化发展的因素之一。此外，这种动脉粥样硬化是诱发CKD（包括DKD）和心血管疾病的风险因素。因此，本章还提供了有关氢气对血管内皮功能影响的文献综述。

5.1 对动物肾脏疾病模型的影响

5.1.1 缺血再灌注损伤

肾I/R损伤是AKI的重要成因，也是CKD发展的因素之一。Shingu等人研究了富氢气盐水溶液（氢盐水HRS）对大鼠肾I/R损伤的保护作用。氢盐水改善了线粒体形态，并显著降低了血尿素氮（BUN）、肌酐（Cr）和8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）。 同样，在大鼠肾I/R损伤模型中，Wang等人发现氢盐水显著抑制了BUN、Cr、丙二醛（MDA）、8-OHdG、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素（IL）-1β、IL-6和髓过氧化物酶（MPO），并显著增加了组织超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢气酶（CAT）活性。 Li等人还研究了氢盐水对大鼠肾I/R损伤模型的影响，结果显示氢盐水显著减少了肾组织的基质充血、水肿和出血，以及BUN、Cr、B细胞淋巴瘤2（Bcl-2）、胱天蛋白酶-3、-8和-9、IL-6和TNF-α，而Bcl-2相关的x蛋白质（Bax）显著增加[23]。此外，他们报告说氢盐水的保护作用可能归因于其抗凋亡和抗炎作用。 Chen等人研究了氢盐水在I/R诱导的AKI小鼠模型中的保护作用，结果显示它显著减少了肾组织纤维化、BUN和Cr，并增加了抗衰老基因Klotho的水平[24]。此外，他们证明氢盐水增加了损伤调节的自噬调节剂（Beclin-1）和微管相关蛋白轻链3-II（LC3-II）。他们认为氢盐水通过维持Klotho表达和激活肾脏中的自噬来发挥其保护作用。 Xu等人研究了氢盐水对大鼠肾I/R损伤模型的影响，报告说氢盐水显著降低了BUN、Cr、MDA和8-OHdG，并增加了血红素加氧酶-1（HO-1）基因表达和SOD活性[25]。他们认为氢盐水通过减少氧化应激和增加HO-1基因表达来改善大鼠肾I/R损伤。

5.1.2 肾移植

活性氧参与慢性同种异体肾移植病（CAN）的发展，导致间质纤维化和管状萎缩。Cardinal等人研究了饮用富氢水（富氢水）对大鼠同种异体肾移植模型的影响，发现富氢水通过降低BUN、Cr和尿蛋白，减慢CAN进展，降低MDA、TNF-α和IL-6，进一步延长总体生存期，从而改善了移植肾功能[26]。富氢水还降低了炎症信号通路的激活，如丝裂原活化蛋白激酶（MAPK），表明其在预防CAN和延长肾移植存活方面有效。 I/R损伤在肾移植中是不可避免的，影响短期和长期移植物存活率。Abe等人研究了富氢气的威斯康星大学（HRUW）溶液对大鼠肾同种异体移植模型中I/R损伤的抑制作用，结果显示它减少了肾同种异体中的MDA和8-OHdG，并减少了肾小管中TUNEL染色细胞和ED-1阳性细胞的数量[27]。它还降低了Cr和尿蛋白，从而改善了肾功能并延长了受体的生存期，这表明HRUW减轻了管状损伤，从而减少了间质纤维化的发展。 另一方面，AKI对肝移植受体的生存率有重大影响。Du等人研究了氢盐水对大鼠正位肝移植后AKI的保护作用，结果显示富氢水减少了组织损伤并降低了BUN、Cr、MDA和SOD[28]。同时，氢盐水显著改善了凋亡情况，抑制了胱天蛋白酶-3和细胞色素c的表达。此外，Beclin-1和LC3-II的表达被上调[28]。氯喹作为自噬抑制剂，抵消了氢盐水的保护作用[28]。这些发现表明氢盐水通过减少凋亡和激活自噬来防止AKI。

5.1.3. 慢性肾病

Dahl盐敏感性（SS）大鼠是一种随着年龄增长而发展出高血压和肾脏损伤的CKD模型动物。朱等人研究了电解氢气水（EW）对Dahl SS大鼠缺血诱导的心脏肾脏损伤的影响[29]。大鼠被喂食EW或过滤水（FW），然后进行单侧肾脏I/R。接受FW的对照组大鼠BUN、甲基乙二醛和MCP-1显著增加[29]。在对肾脏和心脏的组织学检查中，对照组大鼠的硝基酪氨酸染色显著增加[29]。然而，这些发现在接受EW治疗的大鼠中得到了显著改善，表明EW有预防CKD的潜力[29]。 朱等人还研究了EW和FW对Dahl SS大鼠的年龄相关心脏肾脏损伤的影响[30]。FW组的尿蛋白和心脏重塑增加。组织学上，在肾脏和心脏中观察到显著的年龄相关变化；然而，这些变化在接受EW治疗的大鼠中显著减少，MDA和硝基酪氨酸降低[30]。 欣等人研究了富氢水对自发性高血压大鼠（SHRs）肾脏损伤的保护作用。富氢水显著降低了SHRs的BUN和Cr，减少了活性氧的产生，增加了SOD、GPX和CAT活性，并抑制了NADPH氧化酶活性[31]。它还抑制了TNF-α、IL-6和IL-1β的表达。此外，富氢水对线粒体形态和功能产生了改善作用，包括抑制线粒体活性氧的产生和线粒体肿胀，并增加了ATP的产生[31]。

5.1.4. 药物诱导的肾脏损伤

顺铂是一种广泛用于治疗各种肿瘤的抗癌药物；然而，其应用受到氧化应激引起的肾毒性的限制。Nakashima-Kamimura等人报告说，当小鼠吸入氢气或饮用富氢水时，氢气减轻了肾脏损伤，同时不影响顺铂的抗肿瘤活性[32]。换句话说，氢气或富氢水改善了顺铂引起的死亡率和体重减轻，改善了肾脏组织损伤，并恢复了Cr和BUN[32]。 李等人研究了富氢水在大鼠铁硝基三乙酸诱导的肾脏损伤模型中的疗效[33]。富氢水降低了Cr、BUN、MDA、ONOO−产生和NADPH氧化酶活性，并增加了CAT活性。富氢水改善了线粒体功能障碍和氧化应激，包括肾脏线粒体肿胀、ATP产生减少和mt活性氧产生增加[33]。富氢水还抑制了炎症，表现为肾脏中NF-κB、IL-6和MCP-1表达的降低[33]。此外，富氢水抑制了血管内皮生长因子（VEGF）的表达和信号转导和转录激活子3（STAT3）的磷酸化，从而降低了肾细胞癌的发生率并抑制了肿瘤的生长[33]。 环孢素A引起的氧化应激是慢性肾脏损伤的主要原因之一。陆等人研究了富氢水对大鼠环孢素A诱导的肾脏损伤的缓解作用，发现它降低了活性氧产生、MDA和Keap1水平，并增加了Nrf-2和HO-1的表达[34]。他们提出，富氢水的作用涉及通过激活Keap1/Nrf-2信号通路来改善氧化应激。

5.1.5. 肾结石

彭等人评估了氢气对小鼠glyoxylate诱导的肾脏草酸钙（CaOx）结晶沉积的保护作用，并报告说它降低了MDA和8-OHdG水平，增加了SOD、GSH和CAT活性[35]。他们还显示，氢气降低了MCP-1水平并增加了IL-10表达，表明氢气通过减少肾结晶形成、肾脏氧化损伤和炎症发挥了保护作用[35]。

5.1.6. 肾纤维化

徐等人在大鼠单侧输尿管梗阻（UUO）诱导的肾纤维化模型中研究了氢盐水的疗效，结果显示它显著改善了肾脏损伤评分、细胞凋亡指数、基质纤维化和肾组织中的巨噬细胞浸润[36]。此外，氢盐水降低了MDA水平并增加了SOD活性。

进一步地，邢等人研究了富氢水在小鼠由UUO引起的肾纤维化模型中的疗效，结果显示它抑制了Cr、BUN和肾纤维化[37]。他们还使用人肾近端小管上皮细胞研究了富氢水对转化生长因子-β1（TGF-β1）诱导的肾上皮-间质转化（EMT）的抑制作用，结果显示富氢水消除了EMT并恢复了sirtuin-1（Sirt1）表达的降低[37]。Sirt1的抑制剂sirtinol消除了富氢水对EMT的抑制作用，表明富氢水通过调节Sirt1来改善肾脏损伤和纤维化[37]。

先天性梗阻性肾病是CKD病理生理学中常见的原因，活性氧的释放会加剧肾脏纤维化。水野等人评估了富氢水在大鼠UUO诱导的肾脏损伤模型中的疗效[38]。富氢水抑制了小管间质损伤，减少了间质纤维化的面积和TGF-β1阳性细胞的频率[38]。此外，富氢水恢复了Klotho mRNA表达的降低。

5.1.7. 脓毒症肾损伤

刘等人研究了早期输液复苏和氢气对脂多糖诱导的脓毒症休克大鼠中发生的AKI的联合效应，结果显示两者的组合降低了BUN和Cr[39]。它还降低了MDA，并且与单独输液复苏相比，减少了肾脏TNF-α和IL-6的水平[39]。这些发现表明，早期输液复苏结合氢气对AKI产生了更强的保护作用。

姚等人检查了小鼠由盲肠结扎和穿刺引起的脓毒症相关AKI模型中吸入氢的保护效果[40]。AKI发生在脓毒症的早期阶段，表现为BUN和Cr的增加、肾脏纤维化和肾小管上皮细胞凋亡的增加，以及巨噬细胞浸润和炎症细胞因子（IL-6和TNF-α）的产生[40]。相比之下，氢盐水吸入增加了肾脏组织中抗炎细胞因子（IL-4和IL-13）的mRNA水平，并增强了抗炎细胞因子（IL-10和TGF-β）的产生，这表明氢气吸入对于肾脏保护和减轻脓毒症AKI中的炎症具有效用[40]。

5.1.8. 其他

郭等人研究了氢水在大鼠严重烧伤引起的早期AKI模型中的疗效，并报告说富氢水改善了肾功能（BUN和Cr）并减轻了小管凋亡[41]。此外，富氢水改善AKI的作用机制涉及抑制氧化应激诱导的凋亡和炎症，这些作用似乎通过调控MAPK和核因子（NF）-κB信号通路来实现[41]。

石等人检查了富氢水对大鼠由牛磺胆酸引起的急性胰腺炎中的AKI的保护效果及其潜在机制[42]。他们发现富氢水防止了炎症级联反应的进展，并通过抑制NF-κB激活和清除活性氧来减轻肾脏的氧化损伤[42]。

此外，关等人分析了氢气对大鼠慢性间歇性低氧（CIH）引起的肾脏损伤的保护效果，包括氧化应激、自噬和内质网应激等方面[43]。氢气还改善了CIH大鼠的肾功能，减轻了组织损伤、氧化应激和凋亡。他们发现氢气通过抑制氧化应激依赖的MAPK活化来减轻CIH诱导的肾脏损伤，从而减少内质网应激并激活自噬[43]。

5.2. 对人类肾脏疾病的影响

5.2.1. 腹膜透析

由葡萄糖降解产物引起的氧化应激是导致腹膜透析患者腹膜退化的原因。Terawaki等人研究了富含氢气的透析液（HED）对六名腹膜透析患者的腹膜氧化应激的影响[44]。根据结果显示，与接受标准透析液治疗的患者相比，接受HED治疗的患者的透析液和血清中减少的白蛋白百分比更高，氧化的白蛋白百分比更低，因此HED似乎可以减轻腹膜和全身的氧化应激[44]。

5.2.2. 血液透析

Nakayama等人开发了一种使用溶解在氢气中的透析液的透析系统，并研究了HED对21名血液透析患者的疗效。HED显著降低了透析前后的收缩压[45]。此外，它显著降低了MCP-1和MPO，表明其有可能通过减轻炎症来控制尿毒症[45]。 Terawaki等人使用标准透析液（SD）和HED进行了交叉研究，研究了HED对八名血液透析患者的氧化应激的影响，结果显示，HED显著降低了透析系统出口处血清中氧化白蛋白的平均百分比，高于SD[46]。 Sokawa等人检查了氢气对六名血液透析患者的氧化应激和炎症反应的影响[47]。每周三次吸入氢气两周并没有影响生物抗氧化潜力（BAP）。然而，它显著降低了二氯荧光素-反应性氧代谢物（d-ROMs）和C-反应蛋白（CRP），并且这些效果在停止吸入氢气后持续了两周，表明吸入氢气可以减轻血液透析患者的氧化应激和炎症反应[47]。

5.3. 对血管内皮功能的影响

Jiang等人通过添加高级糖化终产物（AGEs）来诱导培养的大鼠血管内皮细胞损伤，并检查了氢气培养基（HRM）的保护作用[113]。他们显示，HRM显著降低活性氧，增加抗氧化酶，并减少凋亡[113]。这些结果表明，氢气通过抑制氧化应激和凋亡来抑制AGE诱导的血管内皮损伤。 Ohsawa等人通过让载脂蛋白E（ApoE）缺陷小鼠饮用富氢水来研究富氢水对动脉粥样硬化的抑制作用[114]。他们显示，富氢水组小鼠的动脉粥样硬化病变面积显著减少[114]。此外，观察到小鼠动脉组织中巨噬细胞积聚受到抑制，氧化应激水平降低，这表明饮用富氢水可能预防ApoE缺陷小鼠的动脉粥样硬化[114]。 Truong等人在热射病诱导的大鼠模型中检查了氢气对血管内皮糖萼的影响[115]。他们显示，氢气提高了热射病诱导的大鼠的生存率，并抑制了血管内皮糖萼的脱落。此外，氢气降低了MDA和TNF-α水平，增加了SOD水平[115]。这些结果表明，氢气通过抗氧化和抗炎作用减轻了血管内皮糖萼损伤。

Song等人研究了富氢水对改善20名代谢综合征患者脂质代谢的效果[116]。他们使用从患者饮用富氢水前后收集的血清中的高密度脂蛋白（HDL）进行了比较实验。他们证明，饮用富氢水后的HDL抑制了低密度脂蛋白（LDL）的氧化，抑制了单核细胞粘附到血管内皮细胞，促进了从摄取氧化LDL的巨噬细胞中提取胆固醇，并抑制了血管内皮细胞的凋亡[116]。这些结果表明，富氢水通过改善血管内皮细胞中的HDL功能来改善脂质代谢。

Sakai等人研究了富氢水对健康受试者血管内皮功能的影响[117]。他们通过测量动脉的血流介导扩张（FMD）来评估血管内皮功能。比较了服用安慰剂水或单独服用富氢水前后的FMD，发现在安慰剂组中有18名受试者的FMD降低，而在富氢水组中有16名受试者的FMD增加，这种变化是血管内皮功能的显著改善[117]。这些结果表明，氢气可能维持NO介导的血管舒缩反应。

Ishibashi等人也在一项随机对照试验中研究了连续饮用富氢水两周对健康受试者血管内皮功能的影响[118]。他们使用外周动脉张力测定法测量手指血管的反应性充血指数（RHI）来评估血管内皮功能。结果显示，富氢水组（34名受试者）的RHI显著高于安慰剂组（34名受试者），尤其是在首次饮用富氢水后24小时以及连续饮用富氢水两周后[118]。这些结果表明，氢气改善了动脉或小动脉的内皮功能。

总的来说，这篇文献综述表明，氢气可能通过减轻氧化应激、炎症和细胞凋亡，预防内皮功能障碍并阻止糖尿病肾病进展为心血管疾病。

氢气在肾脏疾病中的作用机制 许多研究表明，氢气对肾脏疾病的预防和治疗效果良好，它可以改善组织损伤，降低血清BUN和Cr以及尿蛋白。根据文献综述，氢气在肾脏疾病中的作用机制主要可以分为改善线粒体功能、抗氧化和抗炎作用，以及调节细胞死亡和细胞内信号转导。这些机制并非相互独立，而是相互作用形成氢气的复杂机制（图4）。

6.1 改善线粒体功能

透射电子显微镜是一种常用的方法来检查线粒体的形态变化。氢气对线粒体形态的影响研究表明，氢气可以缓解线粒体肿胀[21,31]。它还可以抑制mt活性氧的产生，增强ATP的产生，并降低NADPH氧化酶活性[31,33]，这表明其作用机制涉及对线粒体形态和功能的改善效果。

6.2 抗氧化作用

使用荧光试剂，氢气被证明可以减少肾组织中的活性氧或RNS的荧光强度。氢气还可以降低脂质过氧化的标志物MDA和DNA氧化的标志物8-OHdG。肾组织中的抗氧化酶如SOD、CAT和GPX的活性被用作抗氧化活性的标记；氢气增加了这些抗氧化酶的活性。此外，氧化蛋白和d-ROMs被用作人类临床试验中的氧化标记，而还原蛋白和BAP被用作抗氧化标记；氢气降低了氧化蛋白和d-ROMs，并增加了还原蛋白在PD或HD患者中的含量。另一方面，ONOO−会修饰蛋白质表面暴露的酪氨酸残基以产生硝基酪氨酸。这种硝基酪氨酸已引起注意，因为它是各种炎症性疾病中的氧化应激标记；氢气减少了ONOO−并抑制了硝基酪氨酸的产生，从而改善了氧化应激、硝基应激和炎症[29,30]。因此，实验结果表明，氢气通过其抗氧化特性来改善肾脏损伤。

6.3 抗炎作用

IL-1β、IL-6和TNF-α是炎症因子，而IL-4、IL-10、IL-13和TGF-β是抗炎因子。在检查这些因子在这些动物模型中的mRNA表达或蛋白质水平的实验中，氢气降低了前者的水平，同时增加了后者的水平。此外，MCP-1和MPO已被用作巨噬细胞浸润和炎症反应的标志物。在肾脏疾病和HD患者的动物模型中，氢气降低了MCP-1和MPO的水平，并在人类HD患者中降低了CRP的水平[47]。这些发现表明，氢气通过其抗炎特性对肾脏损伤产生保护作用。

6.4. 细胞致死性的调节

Bcl-2是一种促进细胞凋亡的蛋白质，而Bax是一种抑制细胞凋亡的蛋白质。参与细胞凋亡的蛋白酶家族包括caspase-3、-8和-9。此外，TUNEL染色方法用于检测由于细胞凋亡引起的DNA片段化。在一个肾脏疾病模型中，氢气不仅抑制了Bcl-2基因的表达并增加了Bax基因的表达，还抑制了caspase-3、-8和-9的表达[23,28]。氢气还减少了肾小管中的TUNEL阳性细胞[27]。另一方面，Beclin-1和LC3-II被确定为自噬的调节剂和标志物；氢气不仅对肾脏损伤产生改善作用，还增加了Beclin-1和LC3-II的表达[24,28]。然而，自噬抑制剂氯喹抵消了氢气的作用[28]。这些发现表明，氢气通过抑制细胞凋亡和激活自噬来调节细胞致死性。

6.5. 信号传导的调节作用

以往的研究发现，氢气对肾脏疾病的保护作用机制涉及Keap1水平的降低以及Nrf-2和HO-1基因表达的增加[25,34]。因此，通过激活Keap1/Nrf-2信号通路来减轻氧化应激和增强生物防御功能参与了氢气的作用。此外，研究表明，抑制MAPK和NF-κB等信号通路在氢气的抗氧化和抗炎作用中发挥作用。此外，抑制STAT3磷酸化和VEGF表达的信号通路以及激活Sirt1表达的信号通路也对氢气的作用有贡献。由于sirtinol（一种Sirt1抑制剂）抵消了氢气的作用，Sirt1可能参与了氢气对肾脏疾病的保护作用[37]。因此，氢气通过激活或抑制各种信号通路来发挥其对肾脏损伤的改善作用。

7.氢气在糖尿病肾病治疗中的潜力

7.1. 氢气在糖尿病肾病发病机制中的治疗潜力 

炎症既是DKD发生和发展的原因，也是其结果。炎症由先天免疫系统释放的炎症因子触发。病毒和细菌等病原体、身体受损时产生的物质以及环境中的刺激物都作为炎症诱导信号起作用。这些外部信号导致线粒体功能障碍并引发活性氧的过度产生。线粒体中过量的mt活性氧产生导致氧化的mtDNA释放到细胞质中，进而导致核苷酸结合和寡聚化结构域样受体家族PYD结构域包含蛋白3（NLRP3）炎性体的生成。然后NLRP3炎性体激活caspase-1，从而诱导免疫细胞（如巨噬细胞和中性粒细胞）释放成熟的炎症因子，导致炎症（图5）。

另一方面，其他细胞内的氧化应激反应也参与了炎症的诱导。应力激活的蛋白激酶（SAPK）通路在这一氧化应激反应中起着核心作用[124]。氧化应激刺激物激活的SAPK通路诱导参与应激反应的各种基因的表达，最终导致炎症和细胞死亡。此外，活性氧在血管炎症中起着重要作用。过量的活性氧激活核因子κB（NF-κB）和活化蛋白-1等氧化还原转录因子，导致单核细胞侵入血管壁，并增加炎性细胞因子的产生。然而，血管紧张素II、氧化LDL和炎性细胞因子的存在激活了NADPH氧化酶，这导致在过量活性氧引起的氧化应激条件下发生炎症。因此，氧化应激、炎症和血管内皮功能障碍可能相互关联。

糖尿病肾病（DKD）的进展风险因素之一是间质损伤的形成。与高级蛋白尿相关的肾小管间质损伤中，游离脂肪酸的过度再吸收导致肾小管损伤，这一机制涉及通过线粒体损伤激活NLRP3炎性体。此外，矿皮质激素受体（MR）的激活与肾脏炎症和纤维化密切相关，并且已经证明MR激活会诱导mt活性氧的产生。此外，肾小球上皮细胞中的半胱天冬酶-1的激活可能对DKD中肾小球硬化病变的形成很重要。另一方面，许多研究调查了氢气在炎症疾病模型中的疗效，表明氢气抑制mt活性氧产生的机制参与了氢气抑制急性和慢性炎症的过程。因此，我们提出了一个可能的机制，即氢气通过减少∙OH和抑制mtDNA的氧化损伤来抑制NLRP3炎性体的激活到释放炎性细胞因子的一系列信号传导途径的有效性机制。氢气可能会通过抑制NLRP3炎性体的激活和改善慢性炎症和肾脏纤维化，从而减轻糖尿病患者肾小管间质病变的形成（图5）。

糖尿病性周围神经病变（DNP）是另一种类似于DKD的严重糖尿病并发症。Jiao等人在链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠模型中研究了HRS对DNP的疗效，并发现它显著抑制了糖尿病大鼠的行为、生化和分子生物学效应[136]。他们还报告说，选择性抑制线粒体ATP敏感钾通道（mitoKATP）的药物5-羟基癸酸可以部分减弱氢盐水的治疗效果。这些发现表明，氢盐水对DNP疗效的作用机制涉及通过激活mitoKATP通路对线粒体的保护作用。此外，我们还报道了氢气在某些动物疾病模型和人类慢性炎症性疾病（如COVID-19后遗症称为后COVID-19和肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合症（ME/CFS））中有效的机制可能涉及线粒体功能的改善。这些发现表明，氢气在糖尿病患者肾小管间质病变的治疗中可能涉及改善线粒体功能（图5）。

7.2. 氢气作为糖尿病肾病治疗物质的前景

氢气已经在广泛的疾病中显示出治疗效果，其功效已经在超过130篇临床论文中报道。在这些研究中，没有观察到氢气的副作用，因此氢气是一种具有优秀疗效和安全性的医用气体。此外，氢气是一种方便的气态分子，可以直接作为气体吸入，或者溶解在水中或盐水溶液中用于饮用或静脉注射。氢气还具有优秀的药代动力学和细胞内动力学特性。线粒体功能障碍、氧化应激、炎症和细胞致死性与DKD的发病和进展密切相关；因此，氢气可能对DKD有效。氢气在各种动物肾脏疾病模型和人类透析患者中显示出疗效的机制，以及我们之前的发现，为氢气治疗DKD的潜力提供了证据。此外，一项审查氢气对血管内皮功能影响的文献综述显示，氢气可能通过抑制氧化应激、炎症和凋亡来抑制DKD进展为心血管疾病。目前尚需要大规模的临床试验来证明这种潜力。

另一方面，医学应用氢气的研究已经认识到一些限制。最近的一项研究报道了氧化卟啉作为氢气的目标分子，并催化氢气与·OH的反应[11]。然而，氢气的目标效应分子仍处于早期阶段，仅部分阐明[11]。此外，关于个体疾病的剂量和使用的信息，包括最佳的氢气浓度、每日剂量和摄入持续时间仍然不清楚。此外，虽然氢气通过改善线粒体功能可能对DKD产生治疗效果，但氢气可能还涉及其他机制。此外，大多数用于动物研究的DKD模型表现出轻微的临床症状，这与人类DKD的临床症状不同。因此，有必要进一步研究氢气对个体疾病的最优剂量和使用方法，氢气的作用机制，包括其目标分子，以及DKD的动物模型的开发。

8. 结论

氢气已经在各种动物肾脏疾病模型和透析患者中显示出疗效，氢气的作用机制包括线粒体改善、抗氧化和抗炎作用，以及对细胞致死性和细胞内信号的调控。线粒体功能障碍、氧化应激、炎症、细胞致死性和细胞内信号都参与了DKD的发病和进展。我们对本篇文章中报告的氢气在动物肾脏疾病模型和人类透析患者中的疗效的文献分析表明，氢气可能在DKD患者中具有治疗潜力。这种治疗潜力得到了我们在本文中的机制分析的支持，包括氢气在人类慢性炎症性疾病（如COVID-19后遗症和ME/CFS）中的疗效。因此，这篇综述将提供一个机会来考虑进行氢气对抗DKD的临床试验的可能性。未来需要进行大规模的临床试验来确认氢气对DKD的影响。