氢气：人类疾病治疗中的新选择

氢气（H2）在许多临床试验中显示出抗炎和抗氧化的能力，其应用被推荐在最新的中国新型冠状病毒肺炎（NCP）治疗指南中。临床实验揭示了一个惊人的发现，即氢气可能保护NCP患者的肺部和肺外器官免受病理刺激。氢气作用的潜在机制尚不清楚。氢气可能调节抗炎和抗氧化活动、线粒体能量代谢、内质网应激、免疫系统以及细胞死亡（包括凋亡、自噬、焦亡、铁死亡和生物钟等），并且对许多全身性疾病具有治疗潜力。本文回顾了关于氢气在多器官系统疾病中的基础研究和最新临床应用，以建立针对不同疾病的临床治疗策略。

本文作者来自中南大学第三湘雅医院

Yang M, Dong Y, He Q, Zhu P, Zhuang Q, Shen J, Zhang X, Zhao M. Hydrogen: A Novel Option in Human Disease Treatment. Oxid Med Cell Longev. 2020 Sep 5;2020:8384742.

1.前言

分子氢（H2）是地球大气中最轻的化学元素。氢气通常被混合在潜水员使用的气瓶中，以防止减压病和氮醉[1]。在哺乳动物体内，氢气由肠内细菌在厌氧代谢过程中自发产生以提供能量，并且通过氢化酶催化分解以提供电子。

氢气的治疗效果最早在1975年被描述。Dole等人报告说，高压氢气能显著缩小患有皮肤鳞状细胞癌的小鼠的肿瘤[2]。然而，高压氢气并不是一个临床上可行的选择，而且氢气是一种生理惰性气体，似乎不与哺乳动物细胞中的任何活性物质，包括氧气反应。因此，氢气被认为是无效的，并且在临床上被忽视。

2007年，氢气的潜在治疗效果被描述。Ohsawa等人发现，氢气具有选择性抗氧化特性，通过特异性中和羟基自由基（⋅OH）和过氧化亚硝酸盐（ONOO-），而不是超氧阴离子自由基（⋅O2-）、过氧化氢（H2O2）和一氧化氮（NO），保护大脑免受缺血/再灌注（I/R）损伤和中风的影响[3]。这份报告引起了全球的关注，并将氢气推向了治疗性医用气体研究的焦点。许多使用细胞、动物和临床实验的研究在各种生物医学领域探索了氢气的治疗和预防效果。综合数据表明，氢气是一个重要的病理生理调节因子，对细胞和器官具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用[4–6]。氢气的使用非常方便，可以通过吸入、注射富氢盐水（HRS）、饮用富氢水（HW）、富氢水浴以及使用HRS眼药水等多种方式给药。此外，通过口服阿卡波糖和乳果糖可以增加肠内细菌产生的氢气浓度。刘及其同事证明，在口服和腹腔给药后5分钟，静脉给药后1分钟，氢气浓度达到峰值[7]。

自2019年12月31日在中国武汉爆发以来，由严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引起的疾病和肺炎被命名为2019冠状病毒病（COVID-19），已蔓延成全球大流行。中国国家卫生健康委员会发布的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》建议吸入混合有氢气的氧气（33.3% O2和66.6% 氢气），使氢气成为当代治疗性医用气体研究的前沿。

氢气的预防和治疗效果已被广泛研究用于各种病理过程。在这篇综述中，我们总结了最近发表的有关氢气在呼吸、心血管、神经、消化、生殖、泌尿、运动和感觉系统疾病，以及代谢综合征和癌症治疗中使用的文献。我们还简要讨论了一些已知的氢气作用机制。我们希望这些信息能增进对氢气治疗活性的理解，并指导未来的基于氢气的治疗。

图1展示了氢气的生物效应。氢气表现出选择性的抗氧化和抗炎活性，并能调节内质网(ER)应激、线粒体和免疫功能。氢气选择性地清除⋅OH和ONOO-，上调Nrf-2和HO-1，并下调促炎性和炎症细胞因子的表达，包括TNF-α、NF-κB、INF-γ、Fas、FasL、IL-1α、IL-1β、IL-6、IL-8和IL-10，同时也下调与内质网应激相关的因子，包括GRP78和TRAF2。氢气还减少了miR-210并在线粒体中激活了OXPHOS。最后，氢气增加了CD4+CD25+Foxp3+Treg细胞并保持了Th1/Th2的平衡。

氢气的作用机制 为了完全解释氢气的预防和治疗效果，生物效应和可能的机制在图1和图2中进行了总结。

图2展示了氢气对细胞死亡的各种影响。氢气的活性包括抑制细胞凋亡，以及调节自噬、昼夜节律、铁死亡和焦亡。

2.1. 氢气的抗炎作用

许多研究已经报道了氢气的抗炎效果。在炎症早期阶段，氢气能减少中性粒细胞和M1巨噬细胞的浸润，并通过下调细胞间粘附分子-1（ICAM-1）、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）和粒细胞集落刺激因子（G-CSF）的表达来减少促炎因子的释放[4]。氢气还能在炎症进展期间抑制促炎细胞因子的表达，并在多种动物模型中被揭示出能降低早期促炎细胞因子如白介素-(IL-) 1β、IL-6、IL-8、IL-10、肿瘤坏死因子-α (TNF-α) [8]、干扰素-γ (INF-γ)以及晚期促炎细胞因子如高迁移率族蛋白-1 (HMGB1) [9]的过表达。Tanaka及其同事[10]对经过氢气通风预处理的供体大鼠的肺移植物进行了基因阵列分析。作者描述，氢气的预处理显著提高了两种应激反应蛋白的表达：热休克蛋白A5 (HSPA5)和双特异性磷酸酶1 (DUSP1)。由HSPA5编码的HSP70蛋白具有抗炎和抗凋亡特性。DUSP1可以通过失活丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)来抑制过度自噬，从而减轻炎症反应。因此，我们推测氢气可以积极调节应激反应蛋白的表达，并提高器官的抗炎能力。另一项研究[11]表明，用含2% 氢气的空气进行通风显著降低了早期生长应答基因-1 (Egr-1)和趋化因子(C-C motif)配体2 (CCL2)的mRNA水平，这表明氢气可以通过调节促炎调节因子和趋化因子的转录来影响炎症的进程。在许多疾病中，如气道炎症和脑缺血，由肥大细胞激活引起的I型超敏反应会加剧组织充血和水肿[12, 13]。氢气通过抑制Th2反应来减少肥大细胞激活，也抑制了机体的炎症反应[14]。氢气还可以通过调节T细胞的生理途径来调节炎症。例如，氢气处理可以通过恢复调节性T细胞(Tregs)的损失来抑制免疫系统的过度激活[15]，并通过防止激活调节的趋化因子介导的T细胞趋化来缓解炎症。氢气对程序性细胞死亡、氧化应激和线粒体功能的调节作用与炎症反应密切相关。然而，氢气的抗炎作用不可过分夸大。最好将其作为辅助治疗使用。

2.2. 氧化应激的调节

许多研究已经建立了氢气的抗氧化活性。然而，最近的一项研究[16]显示，氢气可以迅速且轻微地增加尿液中的8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)，这是氧化应激的标志物，增加到与运动引起的增加相似的水平。运动诱导产生的活性氧(ROS)对于细胞适应至关重要，短期暴露于低水平的ROS可以保护神经元免受其他情况下可能致命的氧化应激[5]。氢气可能作为一种模拟效应剂，通过模拟机制介导对身体的有益效果[16]。

氢气(H2)的抗氧化效果主要体现在几个方面。首次发现氢气可以直接清除羟基自由基和过氧化亚硝酸盐。与传统抗氧化剂如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶和α-生育酚相比，氢气由于分子量小且具有选择性只针对最强氧化剂的抗氧化活性，能够轻易穿透生物膜，且不影响正常的代谢氧化还原反应[17]。氢气通过激活核因子红细胞相关因子2(Nrf-2)来增强血红素加氧酶-1(HO-1)的抗氧化表达，Nrf-2是HO-1的上游调控分子。氢气还能直接下调活性氧(ROS)或作为气体介导的信号调节器。此外，通过上调超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽(GSH)的表达，以及下调NADPH氧化酶(NOX2)的表达[18]，氢气可以显著减少ROS。另一项研究[19]表明，氢气主要阻断ASK1的磷酸化及其下游信号分子p38 MAPK或c-Jun N端激酶(JNK)，而非NADPH氧化酶产生的ROS。

对脂质过氧化自由基链反应的影响可能是氢气抗氧化的另一个重要机制。自从Otha等人在2015年日本名古屋第五届医学分子氢研讨会上报告低浓度氢气暴露会导致磷脂异常氧化[20]以来，许多研究已经证实氢气可以保护细胞免受脂质和脂肪酸过氧化[21, 22]。此外，氢气还可以降低髓过氧化物酶(MPO)的表达[23]或减少线粒体氧化还原酶活性[21]并稳定线粒体膜电位[24]，从而改善由氧化应激引起的组织损伤。

2.3. 内质网应激的调节

病理性应激导致的未折叠蛋白在内质网(ER)中的积累可以触发ER应激。赵等人[18]观察到氢气吸入显著降低了与ER应激相关的蛋白质并减轻了心肌缺血/再灌注(I/R)损伤的组织损伤，后来发现氢气和O2的混合物可以通过PKR样ER定位的eIF2α激酶-真核生物起始因子2α-激活转录因子4(PERK-eIF2α-ATF4)、需要肌醇酶1-X盒结合蛋白1(IRE1-XBP1)和ATF6途径阻断内质网应激。一项关于氢气与I/R损伤大鼠ER应激关系的研究[25]发现，氢气诱导了GRP78和肿瘤坏死因子受体相关因子2(TRAF2)表达的降低，这表明氢气对心肌I/R损伤的保护作用与降低ER应激有关。

2.4. 线粒体的调节

ROS的积累可以触发ER中钙离子的释放，导致线粒体去极化和线粒体膜电位的丧失[26]。氢气对ROS的负向调节和对程序性细胞死亡的抑制有助于维持线粒体的结构和功能。有报道[27]称，氢气处理可以在神经退行性疾病过程中阻断线粒体通透性转换孔的开放。然而，氢气是否能通过减少ROS的产生间接阻断这些孔，或是直接作用尚不清楚。早期研究[28]显示HRS缓和了缺氧-再灌注神经组织的线粒体结构损伤，并同时减少了微RNA-(miR-) 210。但近期研究表明，受伤组织中miR-210的增加可能是维持细胞功能和减少ROS产生的代偿行为[29, 30]。氢气能否直接抑制miR-210或通过缓解炎症间接减少它的作用也仍不明确。

2.5. 氢气对免疫系统的影响

氢气(H2)对免疫系统的主要作用是减少免疫活性物质的产生。有证据表明，氢气可以缓解包括类风湿性关节炎(RA)、皮肌炎和牛皮癣在内的一些自身免疫性疾病的炎症[33, 34, 36]。然而，氢气是否直接影响免疫细胞或器官尚不清楚。最近研究发现，氢气能够缓解Th1/Th2失衡，并且能影响T-调节细胞(Tregs)的数量。首次报道氢气能够恢复慢性胰腺炎大鼠模型中Treg的丢失[15]，并在后来被证实能增加CD4+CD25+Foxp3+Treg细胞数量，显著减少过敏性鼻炎动物的鼻粘膜损伤，这可能是由于恢复了Th1/Th2平衡[37]。在脑I/R模型中也报道了Tregs的上调[28]。这可能是由于肿瘤坏死因子-β1 (TNF-β1)的上调和miR-21或miR-210的下调所致。氢气还可以激活过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α (PGC-1α)来影响某些类型的T细胞[38]。氢气对免疫细胞影响的具体机制尚待确定。

2.6. 氢气对细胞死亡的影响

2.6.1. 抑制细胞凋亡

细胞凋亡是一种程序性细胞死亡形式，特征是细胞萎缩、形成凋亡小体、核碎裂和染色质浓缩。凋亡可由内在和外在信号诱导。氢气通过上调或下调与凋亡相关的因子表现出抗凋亡效果。氢气抑制促凋亡因子Bcl-2相关X蛋白(Bax)、caspase-3、caspase-8和caspase-12的表达，并上调抗凋亡因子B-细胞淋巴瘤-2 (Bcl-2)和B-细胞淋巴瘤-额外大(Bcl-xl) [6]。此外，Terasaki及其同事报道，氢气可以通过一种未知机制下调促凋亡Bax的基因表达并抑制其向线粒体的转位[39]。氢气还能通过激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B (PI3K/AKT) 和Janus激酶2/信号转导及转录激活因子3 (JAK2-STAT3) 信号通路在心肌缺血再灌注损伤(MIRI)大鼠中抑制凋亡[40, 41]，以及在脂多糖(LPS)诱导的急性肺功能障碍和脑缺血再灌注损伤(CIRI)大鼠模型中下调p38 MAPK信号通路[42, 43]。有趣的是，Wang等人最近发现，氢气能抑制A549和H1975肺癌细胞系的生长、迁移和侵袭，并促进细胞凋亡，这表明氢气可能在肺癌治疗中发挥关键作用[44]。Li等人还揭示了氢气对KYSE-70人食管鳞状细胞癌的促凋亡效果[45]。因此，氢气可能保护正常细胞免受损害并抑制癌细胞。

2.6.2. 调节细胞自噬

尽管激活自噬可以通过降解大分子物质维持细胞的能量平衡，但过度自噬或由应激刺激引发的自噬相关应激会加剧组织和器官的炎症损伤。氢气在自噬的调节中扮演双重角色。在氢气的调控下，当蛋白质聚集变得有毒时可以激活自噬，并在过度自噬导致组织损伤时阻断自噬。Zhuang等人[46]展示了氢气处理降低了LPS处理的神经胶质细胞中磷酸哺乳动物靶标雷帕霉素(p-mTOR)/mTOR和p62的表达，并增加了磷酸AMP激活蛋白激酶(p-AMPK)/AMPK、轻链3(LC3) II/LC3 I、骨髓细胞表达的触发受体2 (TREM-2) 和Beclin-1的表达以激活自噬并减轻败血症中的神经炎症。Guan等人[47]揭示了氢气可以通过降低内质网(ER)应激并诱导自噬来改善慢性间歇性缺氧引起的肾损伤，这是通过失活依赖氧化应激的p38和JNK MAPKs实现的。氢气也可以通过下调NF-κB、Beclin-1和MAPK以及上调HO-1、mTOR和LC3B信号通路来抑制自噬。Zhang等人[42]发现饱和氢盐水能够缓解LPS处理的肺损伤，并显著减少自噬相关蛋白包括LC3和Beclin-1的表达，这表明氢盐水可以通过消除过多的自由基来保护肺组织免受过度自噬的伤害，降低肺组织中自由基的浓度，并促进mTOR的表达。HO-1可以作为一种内源性细胞保护蛋白帮助预防氧化应激和过度细胞自噬。氢气可以通过促进核红细胞2相关因子2(Nrf2)的表达来增加组织中HO-1的表达[48]。

2.6.3. 细胞焦亡

焦亡是一种炎症性程序化细胞死亡途径，它保护多细胞宿主免受包括微生物感染在内的入侵病原体[50]。人类和小鼠的caspase-1、人类的caspase-4和caspase-5，以及小鼠的caspase-11作为焦亡的关键激活因子。虽然焦亡通常对宿主有益，但过度的焦亡可能导致败血症和败血性休克。尽管没有实验数据来解释氢气与焦亡途径之间的关系，但可以想象，氢气通过调控某些炎症因子和核因子将干扰焦亡的触发，或至少减少与焦亡相关的炎症。在一项研究中[51]，吸入2%的氢气降低了焦亡激活的关键因子caspase-1的表达。焦亡引起的细胞物理破裂导致促炎细胞因子IL-1β和IL-18的释放，而氢气预处理可以显著降低这些细胞因子的水平[52]。氢气还被证明可以调节Atg7的表达，从而抑制焦亡[53]。已经提出HMGB1 [54]和IFN-γ [50]是caspase-11依赖性焦亡激活所必需的。氢气对这些两个因子表达的负面影响可能保护细胞免受焦亡。氢气能够阻断caspase-3的表达[55]，caspase-3既是凋亡的激活因子，也通过切割gasdermin D来阻断焦亡[56]。在凋亡中产生的caspase-3与焦亡中的caspase之间存在双向交流。这种交流的机制仍然不清楚。

人类免疫缺陷病毒(HIV)可以通过干扰素-γ可诱导蛋白16- (IFI16-)触发的焦亡加速CD4+ T细胞的消耗[50]。因此，氢气对焦亡的调节可能是治疗HIV感染的潜在机制。

2.6.4. 细胞铁死亡

铁死亡是由Dixon等人在2012年提出的一种受调控的细胞死亡形式[57]。铁死亡伴随着致命的铁依赖性脂质过氧化物积累。尽管实验室验证尚未出现，但我们仍然可以推测，鉴于氢气调节和铁死亡途径之间的大量重叠，氢气可以干扰铁死亡以减轻组织和器官在病理状态下的炎症性坏死。氢气对ROS具有负向调节作用已得到充分证实。我们推测，在铁死亡过程中最关键的氧化还原失衡将被氢气消除；因此，铁死亡将被阻断。此外，氢气能够阻断MAPK途径，这是为了防止铁离子和ROS引起的还原物质的消耗[58]。最近的一项研究[59]表明，HMGB1可以被氢气下调[9]，并且可以通过RAS-JNK/p38途径作为铁死亡的正向调节器。

2.6.5. 生物钟

生物钟指的是一种内在的振荡器，控制着24小时的生理、代谢和行为过程。这个时钟在维持稳态方面尤为重要[62]。肠道微生物群，它们在产生能量的厌氧发酵过程中定期产生氢气[63]，其组成和功能经历着昼夜节律性的变化[64]。在人类中，产生的氢气量根据个人和一天中的不同时间而有所不同。Wilking等人提出，蛋白质表达的昼夜调节在细胞对氧化应激的反应中起着重要作用；他们得出结论，氧化应激副产物的水平，如蛋白质损伤或脂质过氧化，也随生物钟节律性振荡，表明氧化应激反应的昼夜振荡。因此，这种抗氧化剂水平的节律性可以被利用来更精确地针对ROS，为细胞提供更好的保护[65]。由于氢气的抗氧化活性已被广泛验证，我们推测氢气可能通过调节生物钟节律对ROS产生负向调节作用，但关于氢气如何参与生物钟节律的调节尚无证据。

3. 氢气的预防和治疗应用

氢气对不同系统疾病具有预防和治疗作用（见表1）。

表1 氢气在多种系统性疾病中的作用机制。

3.1. 氢气对呼吸系统的影响

中国国家卫生健康委员会发布的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（第七版）》推荐吸入混合有氢气的O2。该推荐认可了氢气在治疗呼吸系统疾病中的疗效。最近的一篇综述总结了关于SARS-CoV-2的几项研究，并指出氢气可能通过影响细胞反应减轻SARS-CoV-2感染的可能性[66]。氢气在治疗NCP患者中的抗病毒效果和安全性引起了研究人员的关注，已完成或正在进行的多中心临床试验正在验证H2/O2混合气体的疗效和安全性。Guan等人[67]证明，吸入H2/O2混合气体能有效改善呼吸困难等呼吸症状以及疾病的严重程度，且未观察到副作用。另一个多中心随机对照试验（ChiCTR2000030258）正在进行中，旨在验证H2/O2混合气体的疗效和安全性。由于其小分子量，吸入气体混合物中的氢气可以降低气道阻力，增加氧气分散，提高氧流量。COVID-19可通过过度激活免疫系统引发炎症风暴，对肺部及肺外组织造成严重的炎症损害，这也是死亡的主要原因[68]。

一项涉及41例NCP患者的研究表明，重症监护病房的患者显示出明显更高水平的炎性因子，包括IL-2、IL-7、IL-10和TNF-α，而这些因子大多数可以通过氢气下调[69]。我们推测，氢气的应用可能降低炎症风暴的风险，从而预防严重后果。许多NCP患者需要呼吸机辅助治疗。呼吸系统的炎症变化使得肺组织容易受到呼吸机引起的肺损伤（VILI），即使使用低潮气量[70]。用2% 氢气通气被证明能够下调促炎介质如TNF-α、IL-1β、Egr-1和CCL2的mRNAs，并诱导包括Bcl-2和Bcl-xL在内的抗凋亡基因。这与组织病理学结果一致，后者显示在VILI小鼠中，经过氢气处理后，炎症细胞浸润和支气管上皮细胞凋亡得到改善。氢气也有可能通过其抗炎、抗氧化和抗凋亡作用保护人类肺组织免受VILI[11]。此外，氢气还可以增加表面活性蛋白以防止进一步的肺损伤[11]。一项研究报告称，在最终发展为重症感染的患者中，早期进行的胸部计算机断层扫描显示出多个小片状阴影和间质性改变，表明肺纤维化影响疾病的预后。HRS已被报道通过抑制氧化应激和增加E-cadherin的表达来逆转上皮-间充质转化（EMT）并防止肺纤维化[71]。

氢气还有潜力保护肺组织免受肺动脉高压[72]、败血症[73]、烟雾吸入伤[74]、出血性休克和复苏[75]以及其他有毒物质/事件的伤害。在动物模型中，氢气还影响哮喘和慢性阻塞性肺疾病[76]。

3.2 氢气对神经系统的影响

在神经系统疾病中发生的多种形式的不可逆损伤通常是由神经炎症、过度的氧化应激、线粒体功能障碍和细胞死亡引起的。氢气对神经系统的治疗作用已在动物模型和临床试验中得到验证。据报道，氢气可以减少多巴胺能神经元的损失，并可以改善帕金森病（PD）小鼠模型中的黑质纹状体变性，这些模型是用6-羟多巴胺[77]和1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶[78]处理的。最近的临床试验表明，氢水（HW）可以改善PD患者的统一帕金森病评定量表总分[31]。早期的临床试验揭示，氢气通过抗氧化作用改善PD。更多近期研究发现，氢气可能轻微增加氧化应激或作为线粒体电子流的校正器，并通过调节线粒体能量[24]或通过毒物兴奋效应机制改善PD。通过毒物兴奋效应机制，氢气会模拟剧烈运动产生轻度增加的ROS，这将引发毒物兴奋效应，然后激活Nrf2、NF-κB途径和热休克反应，以保护神经元和其他组织[16]。氢气还在临床试验中改善了阿尔茨海默病患者的认知功能[79]。这些发现表明，氢气在治疗神经退行性疾病中的安全性和有效性。

氢气还被证明可以保护胎儿或新生儿的神经系统。在两个病例研究中，感染了COVID-19的孕妇出现了高比率的胎儿宫内窘迫，导致围产期缺氧缺血性脑损伤的发生率更高[77, 78]。这些发现指出了采取措施预防新生儿脑病或减少COVID-19感染孕妇的新生儿神经缺陷的必要性。在动物模型中，氢气可以抑制促炎细胞因子、微胶质细胞[79]和8-羟脱氧鸟苷（8-OHdG）[80]的激活，减少胎儿大脑中的氧化损伤和神经炎症。这些保护效果已通过临床试验得到验证。据报道，出生后第7天子宫内I/R损伤引起的海马损伤得到了改善，这与4-羟基酮体和8-OHdG的减少有关[81]。现有数据支持氢气疗法可能保护COVID-19感染孕妇的胎儿的可能性。此外，氢气还可以保护脊髓损伤和各种由缺血、缺氧、创伤和出血引起的脑损伤。一项针对脑梗死患者的临床研究报告称，吸入氢气改善了影像结果、用于量化卒中严重程度的国立卫生研究院卒中量表评分，以及基于巴塞尔指数的身体疗法评估[82]。一个大鼠蛛网膜下腔出血模型揭示了氢气在减轻神经功能缺损[83]和内皮细胞损伤[84]方面的影响。在大鼠中，氢气还可以缓解脊髓损伤后的神经病理性疼痛[85]，并可以改善神经毒性[69]。

3.3 氢气对心血管疾病的影响

随着全球社会城市化和老龄化的加速，心血管疾病（CVD）的风险增加。世界卫生组织将CVD列为全球死亡的主要原因，每年导致1750万例死亡。在中国，每五例死亡中就有两例归因于CVD，超过了癌症或其他疾病的死亡率[86]。然而，迄今为止，大多数临床试验未能有效预防和治疗CVD。因此，迫切需要新的疗法。

在过去的十年中，许多基础和临床研究提供了证据支持氢气治疗对抗CVD和改善心脏功能的观点。大泽等人发现，连续饮用氢水6个月可以降低载脂蛋白E基因敲除小鼠（ApoE-/-小鼠）的氧化应激水平和由巨噬细胞积累引起的动脉粥样硬化病变的体积[87]。池谷等人最近揭示，连续给予低密度脂蛋白（LDL）受体缺陷小鼠氢水可减少表达衰老因子p16INK4a和p21的动脉粥样硬化斑块中的内皮细胞数量，并抑制巨噬细胞浸润和TNF-α在动脉粥样硬化斑块中的表达，这表明氢水可以通过抑制血管老化来提供保护[88]。另一项研究表明，在高氢气组中，八名男性和女性饮用含有7 ppm 氢气的氢水后，流量介导的扩张增加，表明氢气可以保护血管免受剪切应力衍生的ROS的伤害[89]。 

除了治疗动脉粥样硬化外，氢气（H2）还能减少心肌缺血再灌注损伤（MIRI），这指的是在一段时间的缺血后恢复富氧血流时发生的心脏病变，通常发生在急性心肌梗死或开胸心脏手术期间[40, 90]。李等人最近的一系列研究发现，氢水通过激活PI3K/AKT和JAK2-STAT3信号通路来抑制心肌细胞凋亡，并且还能通过上调核因子红细胞相关因子2/抗氧化反应元件（Nrf2/ARE）信号通路的表达来降低心肌组织中的氧化应激水平，从而减轻了分离的大鼠心脏的I/R损伤[39, 40, 91]。其他研究表明，再灌注前通过腹腔注射氢水可以显著降低丙二醛（MDA）浓度和梗塞面积，并降低心肌8-OHdG以及危险区域中TNF-α和IL-1β的水平[92, 93]。此外，钱等人描述了氢气介导的保护作用，可防止由于辐射引起的损伤导致大鼠心肌退化[94]。HRS处理被证明可以改善自发性高血压大鼠的血管功能障碍，包括主动脉肥厚和内皮功能，通过减轻氧化应激、恢复压力反射功能、保持线粒体功能和提高一氧化氮生物利用度来实现[95]。在另一项研究中，通过腹腔注射HRS改善了血流动力学，并逆转了由单克隆抗体诱导的肺动脉高压的雄性Sprague-Dawley大鼠的右心室肥厚[96]。氢气吸入也是一种减轻大鼠心脏骤停综合征死亡率和功能结果的有利策略[97]。这些综合发现表明了氢气在心血管疾病临床治疗新疗法中的潜在价值。

3.4 氢气对消化系统疾病的影响 

肝脏缺血再灌注损伤（HIRI）在肝脏手术和肝脏移植中很常见。氢气处理通过减少肝细胞凋亡、抑制巨噬细胞活化和炎症细胞因子，并诱导HO-1和Sirt1表达，改善了小鼠脂肪肝模型中的HIRI[98]。高浓度氢气吸入显著改善了小鼠HIRI模型的肝功能，通过激活A2A受体介导的PI3K-Akt途径来实现[99]。最近的一系列研究还发现，通过门静脉注射HRS可以促进腹腔镜HIRI小型猪的肝功能恢复和肝脏再生，通过减少肝细胞自噬和凋亡并抑制内质网应激，观察到显著的保肝效果[100-103]。氢气冲洗是指在体外直接向供体器官进行末次缺血性氢气冲洗。这种方法可以显著保护肝脏移植物免受IRI[104]，为器官保存提供了一种潜在的有效策略。其他研究证实了氢气在寄生虫诱导的肝损伤[105]、阻塞性黄疸[106]、休克和复苏[107]、败血症[108]、多柔比星[6]和黄曲霉毒素B1[109]引起的肝损伤中的保护作用。在非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）的小鼠模型中，氢水通过靶向母系表达3长非编码RNA基因来下调Nrf2介导的miR-136表达[110]，为进一步的临床试验提供了理由。在一项人类研究中，氢水还显著减少了十二名超重门诊患者NAFLD的肝脏脂肪积累[111]。另一项体内研究显示，口服氢水显著减轻了慢性乙型肝炎患者的氧化应激[112]。近年来，人们普遍认为胆汁酸是一种营养信号激素[113]。最近的研究表明，分子氢参与调节胆汁酸代谢，特别是在一些肠道细菌中抑制胆汁酸氧化[114]。

肠道缺血再灌注（I/R）损伤是一种多因素的病理生理过程，具有较高的发病率和死亡率。I/R损伤发生在包括重大心血管手术、创伤、休克和小肠移植在内的多种临床环境中[115]。最近，姚等人观察到，通过腹腔注射氢气可以减轻小鼠由I/R引起的粘膜损伤和上皮细胞凋亡，这一作用是通过调节miRNAs实现的，特别是通过调节miR-199a-3p来实现的[116]。此外，据报道氢水能抑制肠道I/R诱导的氧化应激、凋亡和炎症，并促进大鼠上皮细胞增殖，从而保护了肠道收缩功能障碍和由肠道I/R引起的损伤[117–119]。大多数胃肠道微生物种类都具有代谢氢气的遗传能力，这意味着氢气可能会影响肠道细菌组成[120]，而细菌移位是重症监护病房多器官功能综合征的重要原因。池田等人描述了在败血症小鼠模型中，腔内给予氢水可以预防肠道菌群失调、高渗透性和细菌移位[121]。在另一项研究中，吸入2%的氢气也能通过调节HO-1和HMGB1释放来减轻重度败血症引起的雄性Nrf2 KO小鼠的肠道损伤[122]。此外，一项体内研究显示，氢气吸入通过激活PGC-1α和恢复耗竭的CD8+ T细胞，改善了四期结直肠癌患者的预后[123]。

王等人有趣地发现，与幽门螺杆菌相关的细胞毒素A基因毒素——一种增加胃癌风险的毒力因子，可以通过该细菌利用氢气的呼吸链传递到宿主细胞内，将氢气氧化的作用扩展到包括致癌毒素的运输在内[124]。尽管这项研究表明氢气可能在增加胃癌风险方面发挥作用，但大量研究也表明，氢气在由氧化应激[125]和阿司匹林[126]引起的胃损伤中具有保护作用。Franceschelli等人发现，富含分子氢的电解还原水能迅速改善胃食管反流病患者的症状[127]。氢气治疗还控制了慢性胰腺炎[15]和急性坏死性胰腺炎的严重程度[128]。

3.5 氢气对生殖系统疾病的影响

杨等人最近使用人子宫内膜肿瘤异种移植的小鼠模型证明，氢水具有抗肿瘤效果，足以通过ROS/NLRP3/caspase-1/GSDMD介导的焦亡途径抑制子宫内膜肿瘤的体积和重量，表明氢气对癌症有双向效应，既促进肿瘤细胞死亡又保护正常细胞[129]。其他作者报告说，氢气吸入减少了子宫内膜外植体的体积，抑制了细胞增殖，改善了SOD，并调节了基质金属蛋白酶9和环氧合酶2在子宫内膜异位症大鼠模型中的表达[130]。HRS有效地减轻了由I/R[131]和顺铂[132]引起的卵巢损伤。在由透明带糖蛋白3诱导的小鼠免疫性早衰卵巢模型中，氢水提高了血清抗Müllerian激素水平，并减少了卵巢颗粒细胞凋亡[133]。在半横断脊髓损伤的大鼠模型中，HRS抑制了损伤引起的促性腺激素细胞超微结构变化，改善了下丘脑-垂体-睾丸轴的异常调节，从而促进了睾丸损伤的恢复[134]。在辐射过的大鼠中，HRS提高了睾丸重量、睾丸尺寸、精子计数、精子活力和血清睾酮水平[135]。氢水刺激了不同年龄小鼠的精子发生以及增加了精子生产和精子活力[136]。基于先前的研究，Begum等人假设氢气可能通过调节涉及睾酮激素生产的细胞内MAPK cAMP和Ca2+信号来改善由氧化还原失衡引起的男性生育能力[137]。最后，氢气降低了长时间暴露于低剂量辐射的小鼠精子畸形的百分比，并改善了精子形态[138]。这些数据表明，氢气可以保护雌性和雄性生育能力。

3.6 氢气对泌尿系统疾病的影响

急性肾损伤（AKI）是慢性肾脏病发展的重要风险因素。吴等人最近发现，饱和氢气通过JAK2/STAT3/p65信号通路减轻了CCL4诱导的AKI[139]。吸入富含氢的水雾似乎对于保护肾脏和减少败血症AKI中的炎症非常有用，这是基于观察到的肾组织中抗炎细胞因子（IL-4和IL-13）mRNA水平增加以及巨噬细胞向M2型极化增加，从而产生更多的抗炎细胞因子（IL-10和转化生长因子-β，TGF-β）[140]。此外，氢气可以缓解由I/R[141]、肝脏移植[142]、烧伤[143]和钠脱氧胆酸诱导的急性胰腺炎[144]引起的AKI。最近，卢等人证明，氢水可以通过激活Keap1/Nrf2信号通路恢复平衡的氧化还原状态，并减轻环孢素A诱导的肾毒性[145]。氢气可以通过减少内质网应激并激活自噬来改善由慢性间歇性低氧引起的肾损伤，这是通过抑制依赖氧化应激的p38和JNK MAPK激活实现的[46]。据报道，氢水还可以抑制肾纤维化的发展，并通过Sirt1（TGF-β1的下游分子）介导的途径防止HK-2细胞发生EMT。HRS显著减少了大鼠肾组织中的间质充血、水肿和出血，通过在肾细胞中进行抗凋亡和抗炎作用，防止了肾损伤，并促进了I/R损伤后肾功能的恢复[146]。其他作者描述，氢水显著减少了梗阻大鼠的增加后的残余尿量，并通过减轻氧化应激改善了由膀胱出口梗阻引起的膀胱功能障碍[147]。

3.7 氢气对代谢综合征的影响

代谢综合征与过量摄入卡路里有关，包括一系列医疗条件，如肥胖、胰岛素抵抗和血脂异常。许多研究已经证明了氢气在代谢综合征中的保护作用。邱等人报道，饱和氢气降低了外周血中的总胆固醇、甘油三酯和LDL，增加了高密度脂蛋白，并减轻了异柠檬酸裂合酶的活性，这表明氢气可以通过抑制乙醛酸循环来改善脂质代谢紊乱[148]。在氢气处理的小鼠中，血清中的葡萄糖和胰岛素水平也显著降低，这显著改善了2型糖尿病和糖尿病肾病相关的结果[149]。此外，据报道，由L-阿拉伯糖诱导的肠道产生的氢气对高脂饮食的C57BL/6J小鼠的代谢综合征有有益效果[150]，并在十六名2型糖尿病患者中减少了外周血IL-1β mRNA水平[151]。氢气治疗还显示出对能量代谢的积极影响。2011年，Kamimura等人报道，长期饮用氢水显著控制了db/db肥胖小鼠的脂肪和体重，这是通过刺激能量代谢实现的[152]。最近的一项研究揭示，氢气通过逆转能量代谢途径从氧化磷酸化向有氧糖酵解的转换，减轻了小鼠模型中过敏性气道炎症的过敏性炎症[153]。

3.8 氢气对运动系统疾病的影响

尽管许多研究调查了氢气对与氧化应激相关的各种疾病的有效性，但关于氢气对运动引起的氧化应激的影响知之甚少。2012年，青木等人发现，氢水降低了十名男性足球运动员的血乳酸水平，并改善了运动引起的肌肉功能下降[47]。山崎等人发现，在氢气处理的赛马中，血清8-OHdG水平显著受抑，强烈表明氢气在运动引起的、ROS介导的有害组织损伤中的保护作用[154]。此外，氢气浴减轻了运动引起的肌肉损伤和延迟性肌肉酸痛，但对周围中性粒细胞计数以及中性粒细胞的动态和功能没有影响[155]。这些发现突显出需要进一步研究来阐明氢气的作用机制。吸入氢气显著减少了小鼠后肢I/R损伤模型中的梗死区域和组织结构丧失的区域，减轻了肌肉损伤，并增强了功能恢复[156]。最后，长谷川等人揭示，氢气改善了mdx小鼠模型中的肌肉营养不良，这是杜氏肌肉营养不良症的一种模型[157]。

3.9 氢气对感觉系统疾病的影响

氢气在减轻某些感觉器官的损伤方面具有治疗作用，主要是通过抗氧化。氢气促进包括皮肤和粘膜在内的组织或保护屏障的伤口愈合。例如，预先吸入含氢气体可以减少放射诱导的皮肤损伤大鼠模型的愈合时间[158]。其他作者报道，氢气吸入减少了压疮的伤口面积和促炎细胞因子水平[159]。此外，氢气可以通过干扰免疫系统或清除ROS来改善一些免疫性疾病中的皮肤病变[160]。氢水也有益于口腔上颚的伤口愈合过程。氢气还可能保护听力和视力。栗冈等人[161]证明，氢气吸入显著减少了外毛细胞的损失，并改善了噪声暴露后的听性脑干反应，表明对噪声引起的听力损失有保护作用。氢气已被证明对于由碱性物质[162]、氟化物、三氯乙烷[163]和紫外线B辐射[164]引起的角膜损伤有效。

3.10 氢气对癌症的影响

许多动物模型已经确立了氢气对抗癌症的疗效。氢气的特性包括阻断染色体浓缩的调节器[43]、一些关键的干细胞分子[165]、增殖[123]和血管生成[165]，以及减轻氧化应激。氢气与其他新型抗肿瘤药物（如PI3K抑制剂LY294002）的联合治疗显示出巨大的潜力和疗效。越来越多的临床试验正在进行中。最近对82名晚期癌症患者的调查[140]表明，氢气可以控制癌症进展并提高生活质量。赤木[37]用氢气吸入治疗了55名IV期结直肠癌患者，并记录了由于PGC-1α的激活而增强的线粒体活性，以减少终末期PD-1+ CD8+ T细胞的比例。这些细胞的耗竭与改善癌症预后相关[37, 123]。这种治疗效果也在另一项针对一名转移性胆囊癌患者的试验中得到确认[167]。在2019年的一份病例报告中，氢气疗法导致一名被诊断为肺癌的女性患者脑转移瘤消失[168]。最后，氢气还可以减轻顺铂[169]和放疗[170]的副作用。尽管越来越多的证据显示了氢气在减轻癌症进展和化疗副作用方面的效果，但目前氢气在癌症治疗中的应用还处于起步阶段。目前关于氢气抗癌效果的研究主要集中在肺癌[168]、结直肠癌[37]和胶质瘤[165]。目前尚不清楚有多少癌症可以被氢气有效缓解，有多少则不能。

目前，新冠肺炎患者通常使用高流量纯氧（不加氢气）进行治疗，尽管与氢气结合的氧气效果可能会更好[171]。这些患者体内黏液的产生减少了氧气的吸收，而使用氧气和氢气混合物可以进一步扩张支气管和肺泡，优化氧气的吸收[172]。氢气被用作催化剂加速血红蛋白与氧的结合以及与二氧化碳的释放[173]。

4. 结论

氢气在调节氧化应激、炎症、细胞器能量代谢以及程序性细胞死亡方面具有巨大潜力。许多动物实验和临床试验已经证实了氢气对许多器官和系统的保护作用。

过去15年，这一领域的研究有所增加。然而，氢气治疗效应的具体分子机制的细节仍不清楚。例如，氢气是否真的可以用来调节铁死亡、焦亡或生物钟尚不明确。由于氢气不像雷帕霉素或亮氨酸那样只在一个方向（相对）上影响自噬，它是否有可能以特定方向调节自噬或凋亡？以前的研究清楚地解释了氢气的抗氧化应激效应。然而，一些最近的临床试验也表明，在某些情况下氢气也可以诱导氧化应激。用氢气通气可以轻微增加活性氧（ROS）以激活Nrf2、NF-κB途径和热休克反应。在癌细胞中也可以观察到氢气诱导的活性氧产生。应该通过更多的实验来解释氢气引起的氧化应激增加的具体机制。关于氢气机制的这些问题和其他问题应进一步探究。

限制氢气临床应用的因素有很多。首先，浓度超过4%的氢气被认为不安全，因为这样高浓度的氢气是易爆的，并可能带来细胞毒性效应。以前研究表明，为了抵御急性氧化应激，氢气浓度应该稳定在2%以上。然而，即使是2%的氢气也不是绝对安全的。大多数临床呼吸机都配备了铂热敏电阻，因为氢气和O2可以在室温下过热铂表面。其次，缺乏能够施用有效氢气浓度同时确保安全的专用设备。第三，关于氢气效果的大规模对照人体研究很少。第四，刘及其同事证明，吸入氢气导致的氢气浓度升高比腹腔内、静脉内或口服给药慢。但是，吸入后至少60分钟内维持了较高的氢气浓度。因此，应该慎重考虑选择氢气的给药方式[7]。结果，氢气在人体中的剂量特异性效果或副作用仍然不清楚。

有关氢气作用已知机制的数据显示，氢气可以减轻NCP患者多个器官的损伤。不同形式的氢气比较表明，氢水在有效治疗此类患者方面的价值。

氢气价格便宜且安全，可以通过多种方式给药。我们预计，随着大规模临床试验确认氢气的治疗功效和安全性，其全部临床潜力将得到实现。