氢气生物医学的历史进展和未来使命

作者：太田成男

氢气作为一种充满前景的治疗和预防性医疗气体而受到关注。2007年，我们颠覆了传统观念，即氢气对哺乳动物细胞没有效果，从而催生了“氢医学与生物学”这一新兴领域。氢气具有许多优点，包括高效能、无不良效应以及多种功能，例如抗氧化、抗炎、抗细胞死亡和刺激能量代谢。此外，从健康个体到严重的慢性病和急性疾病患者，氢气都有益处。氢气的目标分子被确认为卟啉的氧化形式，其后的氢化形式作为催化剂，促进氢气与羟基自由基的选择性反应。各种卟啉物种在体内广泛且大量分布。因此，通过氢气修复氧化的卟啉可能在各种细胞中带来多重好处。氢气抑制自由基链式反应并修改涉及脂质过氧化物的信号介质。氢气通过各种信号转导途径间接调节激素和细胞因子。氢气有潜力解决包括心脏骤停、阿尔茨海默型痴呆、代谢综合征、晚期癌症、炎症细胞因子风暴、医疗保健、美容和农业等一系列问题。氢气医学的使命是克服这些未解决的疾病。

氢医学与生物学的起始

氢医学与生物学领域始于氢气的治疗和预防效益的发现。长期以来，由于氢气在体温下对生物化合物无活性且无需催化剂，人们认为它在哺乳动物细胞中没有功能。尽管一些细菌可以使用氢化酶产生或代谢氢气，但哺乳动物细胞缺乏氢化酶基因。然而，在2007年，我们在《自然医学》杂志上发表了一篇开创性文章，题为“氢气通过选择性还原细胞毒性氧自由基发挥治疗性抗氧化剂作用”，这篇文章推翻了之前的概念，并点燃了氢气医学与生物学领域的诞生[1]。氢气以其卓越的疗效、无不良效应和多功能性而脱颖而出，使其适用于多个领域[2]（见图26.1）。一个突出的例子是最近报告中提到的氢气在心肺复苏恢复中的效能[3]。

此外，氢气不仅对动物和人类有益，而且对高等植物也有益。因此，氢气对农业有着重大影响[4]。

图26.1氢气的各种潜在应用。

从线粒体医学到氢医学

除了红细胞外，所有的细胞都含有线粒体，它们的异常会导致任何年龄、任何器官以及任何遗传类型的广泛症状。在我们的实验室，我们曾经从分子和细胞生物学的角度研究了线粒体疾病的发病机制。这一概念与传统医学的器官特异性焦点形成了对比。

线粒体具有多种功能，其主要作用是能量代谢。作为能量代谢的副产品，活性氧物种（活性氧）由线粒体电子传递链产生。活性氧造成的损害具有各种后果，从健康个体到严重疾病不等。

由于线粒体病理学中各种异常导致多样症状的观念与氢气的多样化效能相似。如果没有我们在线粒体医学研究方面的经验，我们可能不会得出氢气医学的概念。此外，我们已经获得了与活性氧相关的实验技术，例如活性氧的特定检测和观察它们的效果。因此，对我们来说，将研究重点转移到氢气并继续我们的研究并不困难。

氢气选择性抗氧化

氧化应激是由过量产生的活性氧引起的，包括超氧阴离子自由基（超氧阴离子）、过氧化氢、一氧化氮（NO⋅）和羟基自由基（⋅OH）[5]。过量的活性氧可以通过氧化和破坏生物物质引起广泛的疾病。然而，像过氧化氢、超氧阴离子和NO⋅这样的活性氧在信号级联和生物过程中发挥着至关重要的生理作用，如细胞增殖、分化、凋亡和免疫调节。因此，过量摄入抗氧化剂会破坏具有生理功能的活性氧，反而是有害的，并会导致死亡率增加，正如[6]所示。

正如我们报道的，氢气选择性地减少了高氧化性的活性氧，如⋅OH和过氧亚硝酸盐（ONOO−），而不影响超氧阴离子、过氧化氢或NO⋅[1]（见图26.2）。⋅OH是最能以混乱的方式破坏细胞成分的高氧化性分子[7]。实验观察反复证明，不仅在培养细胞中氢气能减少⋅OH，而且在各种组织中也是如此，如睾丸放射防护、全身照射引起的造血干细胞损伤、培养细胞的高氧、肺低氧/再给氧、视网膜缺血-再灌注和视网膜超声波检查[8]。因此，毫无疑问，氢气减少了活细胞和组织中的⋅OH自由基。

图26.2 氢气选择性地减少活性氧物种。在培养的细胞中，每种活性氧都通过其各自的特定荧光指示剂进行了可视化。 氢气（用+H2表示）仅降低了·OH特异性荧光的信号。 详细信息请参见[1]

各种方式摄取氢气的药代动力学

生物体没有转运蛋白或通道负责将氢气运输到细胞中。因为氢气是宇宙中最小的、非离子的、非极性的和非磁性的（注：太田这里有一个错误，氢原子是具有磁性的，核磁共振成像主要靠这种磁性信号，氢分子也是这样），它自身的物理特性允许它通过扩散穿过生物膜。有几种方法可以将氢气摄入体内。吸入氢气气体是一种直接有效的方法，可以使用呼吸机回路、面罩或鼻导管。吸入时，氢气在肺部被吸收，并通过动脉血流分布到全身。然后氢气通过血管输送到大多数组织[9]。吸入可能是防御急性氧化应激的最合适方法，有效浓度的氢气气体介于1-4%（体积比），导致血液中浓度为8-32μM。

在大气压力和室温下，氢气在水中溶解度达到0.8 mM（1.6 mg/L），并且不改变pH值。注入氢气的水，称为氢气水或富含氢气的水也是有益的，因为它安全且易于饮用。口服后，氢气在胃中被吸收，并通过空肠静脉输送到门静脉[10]，在那里氢气在10分钟内从空肠静脉扩散到血液中，并逐渐汇流到门静脉（和许多营养成分吸收类似）。重要的是，肝脏中氢气的功能浓度在一小时内仍可维持在10-20μM，相当于吸入1.2-2.5%的氢气气体。

氢气也可以通过将氢气溶解在盐水中（富含氢气的盐水）以静脉注射或腹膜内给药的方式给予，这在动物模型中具有很高的疗效[11]。在冷保存期间使用补充了氢气的水浴向心脏移植物输送氢气，有效地减轻了缺血再灌注引起的心肌损伤。另外，通过将氢气溶解在盐水中制备含氢气的眼药水，并将其直接滴加到眼部表面[12]。

氢气作用靶点的新发现解决了长期存在的困惑

虽然我们小组和其他研究团队已经证明了氢气在活细胞中减少⋅OH。然而，⋅OH与氢气在均质水溶液中的化学反应速率要慢得多（0.35 × 10–8 M−1 s−1），远不如⋅OH与其他抗氧化剂的反应。例如，⋅OH与葡萄糖（15 × 10–8 M−1 s−1）、谷胱甘肽（230 × 10–8 M−1 s−1）以及其他生物分子的反应速率都比与氢气快得多[13]。正如上文提到的，在没有催化剂的情况下氢气不可能与大多数分子反应，而像Cu、Fe、Ni和Pt这样的金属在活细胞中不太可能以有效量存在。此外，也没有报告指出发现了氢气的有机催化剂。总之，在均质水溶液和活体生物之间的反应差异一直存在争议。

最近，中国的何前军教授的小组在《纳米研究》上发表了一篇论文，题为“铁卟啉：氢气的氧化还原相关生物传感器”[14]，首次确定了铁卟啉的氧化形式（称为“血红素”）作为氢气的分子靶标/生物传感器。血红素是从含Fe(II)的卟啉（血红素）（图26.3）转化而来的Fe(III)含卟啉（PrP）的氧化形式。他们发现了一种新的反应，表明氢气中的氢原子取代了血红素中的羟基（−OH）与Fe(III)连接的氢基（−H）。这个−H基团中的H应表现为氢化物（H−），由于其高反应性，⋅OH应通过这种催化作用迅速转化为水。

因此，氢气作用靶点的发现解决了活细胞与均质水反应动力学之间的不一致，因为血红素在活细胞中充当催化剂。

图26.3卟啉（血红素）的氧化形式刺激反应的催化作用 含OH的氢气。具体请参见[14] 有关详细信息。

卟啉参与的氢气多重功能

氢气通过减少几乎所有器官的氧化应激提供了众多有益效果[2]。此外，氢气还被证明具有包括抗炎、抗凋亡和抗过敏效应，抗细胞死亡，调节自噬以及促进能量代谢等多种其他功能[2]。

由于氢气在各种类型的细胞中发挥多种功能，人们认为氢气作用的靶分子是多样的。然而，也有可能氢气通过作用于不同类型的卟啉基团来发挥各种功能。

卟啉（广义上的血红素）在体内外广泛分布。血红素存在于血液中的血红蛋白和肌肉中的肌红蛋白，负责将氧分子输送到全身。因此，血红素暴露于氧气或过氧化氢，并且血红素中的Fe(II)经常通过芬顿反应或其模拟反应催化⋅OH的形成。卟啉以内线粒体膜电子传递链中的细胞色素形式存在，并通过将其还原形式转换为/来自氧化形式来促进电子传递。在细胞质中，抗氧化酶如过氧化氢酶和过氧化物酶、P450和一氧化氮（NO）合酶都以卟啉作为其基本组成部分[15]。这些含Fe(II)的卟啉具有多种功能，但它们的共同功能是作为氧化还原反应的介质，并暴露于氧化应激。结果，卟啉经常被氧化并失去功能。此外，一些转录因子含有各自的卟啉，这表明氢气涉及各种转录调控。

氢气能够通过以下反应修复各种类型的卟啉，从它们的氧化形式PrP-Fe(III)-OH到它们的还原功能形式PrP-Fe(II)：

其中⋅X是像⋅OH这样的氧化自由基。

在病理条件下，卟啉经常因氧化而受损，氢气可以通过修复卟啉来激活含卟啉的酶。因此，氢气可以通过修复各种卟啉来表达多种功能。重要的是，氢气只对氧化受损的卟啉发挥作用，并且氢气不对功能性卟啉起作用。这一机制可以解释为什么氢气没有或很少有不良副作用。换句话说，氢气只在病理条件下发挥作用。

与其他医用气体相比，氢气的高安全性

除了氢气气体外，还有几种医用气体被知道在低浓度下作为信号分子展现各种功效，而在高于一定浓度时则是高度有毒的，例如一氧化碳(CO)、硫化氢和一氧化氮(NO⋅)。这些气体可以通过直接作用于血红素蛋白来影响病理过程从而展现它们的功能。此外，这些气体通常作用于K+通道以调节细胞膜的兴奋性并促进钾离子在细胞内的外流，影响各种生理过程。氢气通常不与K+通道相互作用。

尽管氢气与这些有毒医用气体有共同的目标分子，但即使在高浓度下氢气也具有无毒的优势。高浓度的氢气已被用于深潜气体混合物中代替氦气以防止高压神经综合征，高压氢气无毒确立了其生物安全性[16]。此外，在与氢气治疗相关的人体研究中尚未确认有不良效果[17]，吸入氢气气体在第I期临床试验中被认定为安全的[18]。值得注意的是，在生物学有效浓度1-4%下，氢气不易燃，这在实际使用中从安全角度来看是一个优势。

氢气的间接激素调节作用

激素调节对于展现每个特定功能起着关键作用。反过来，氢气通过调节特定组织中的激素和细胞因子来到达目标细胞。即使氢气没有达到目标细胞所需的浓度，氢气也可以通过激素调节下的第二信使系统发挥有益效果。

为了发挥超出抗氧化作用的多重功能，氢气必须影响多种信号通路，诱导许多基因的随后表达。例如，作为氢气水饮用的氢气是通过静脉系统从肺部排出的，因此它不会到达大脑；然而，氢气可以通过增加胃饥饿素激素的表达来保护神经细胞[19]。胃饥饿素是在胃中产生的，并到达大脑，使氢气能够对大脑发挥作用。

此外，氢气通过增加成纤维细胞生长因子21（FGF21）的表达来刺激能量代谢[20]。FGF21刺激脂质代谢、糖异生和酮生成。而且，氢气通过降低许多促炎细胞因子的水平具有抗炎作用[21]。

涉及脂质过氧化物的信号传导

最近的研究已经阐明了氢气发挥多重功能的路径（图26.4）。

图26.4氢气诱导的抗细胞死亡、抗炎和能量代谢刺激的可能途径。此图是从之前的出版物修改而来，补充了血红素的作用。详细信息请参见[8]。

脂质过氧化物（LPOs）通过自由基链反应积累。在这个反应中，⋅OH在启动步骤中扮演了从多不饱和脂肪酸中提取H原子的主要角色。下一步通过脂质自由基链反应放大。抗氧化剂在终止反应中向脂质过氧自由基种类捐赠H原子，导致过氧化物积累[22]。LPOs的最终产物通常作为信号转导途径中的第二信使。例如，4-羟基-2-壬烯醛（4-HNE）在信号转导中充当重要的第二信使。通过降低4-HNE的水平，氢气可以诱导PGC-1α及其后续的Akt/FoxO1信号通路[23]。PGC-1α是一种多功能共激活因子，包括能量代谢。

或者，含有多不饱和脂肪酸的磷脂通过化学或酶促方式转化为氧化介质，调节各种信号转导途径。氧化磷脂对不同细胞类型产生广泛的生物效应，涉及多种细胞反应，包括炎症、增殖和细胞死亡，并在动脉粥样硬化等几种慢性疾病的发展中有作用。氧化磷脂激活了Ca2+信号，而氢气修饰的氧化磷脂介质通过作为Ca2+通道的拮抗剂抑制了Ca2+信号。这减少了细胞内Ca2+，从而使转录因子失活，包括活化T细胞核因子（NFAT）和cAMP响应元件结合蛋白（CREB）。NFAT转录以下涉及炎症的基因：转录因子（EGR-1、KLF2、ATF3、JUNB和NFKB2）、细胞因子（TNF-α和IL-8）以及酶（环氧合酶-2（COX-2））[24]。因此，氢气可以通过减少促炎因子的表达来抑制炎症。

氢医学的未来使命

氢医学的未来使命是将氢气应用于治疗、预防和提高广泛领域的生活质量。此外，氢气在农业中的使用有潜力生产安全、高产和高质量的食品。氢医学将能够以简单和低成本的治疗方法实践，没有不良效果，并将有助于解决当今社会面临的许多未解决的严重问题。

图26.5 吸入氢气对心脏骤停90天后恢复的影响。疗效采用改进的排名量表进行评估。吸入氢气可使死亡率减半，没有后遗症的比率增加了一倍。该图根据出版物[3]修改。

心脏骤停后综合征

强调氢气疗效的最佳例子是心脏骤停后的恢复。心肺复苏术（CPR）通常可以挽救因心脏衰竭突然心脏骤停的患者的生命。因为血液不再循环，包括大脑在内的整个身体都会遭受严重损害。目前使用的体温调节疗法，但其有效性仍然不确定。在心脏骤停后综合征患者中进行了一项多中心、随机、双盲、安慰剂对照的临床试验。患者在体温调节疗法的基础上吸入2%的氢气和氧气，调查了死亡率和神经学结果。引人注目的是，90天死亡率不到仅接受体温调节疗法的一半（从39%[无氢气]降至15%[有氢气]），并且46%的氢气组患者恢复无后遗症，而对照组只有21%的患者恢复无后遗症（图26.5）。这些结果强烈表明，氢气疗法的实际使用将挽救许多生命和生计[3]。

图26.6 长期吸入氢气对阿尔茨海默病患者神经元的影响。通过扩散张量成像技术，从轴向和侧向视图可视化了经过海马体的激活神经元。请注意，即使在阿尔茨海默病的晚期阶段，经过2年吸入氢气后，活跃神经元的数量也有所增加。

阿尔茨海默病（AD）是一种进行性和致命的神经退行性疾病，导致认知、记忆和行为能力缺失。在当今老龄化社会中，克服AD是最重要的挑战之一。衰老是AD的最高风险因素，这表明多种因素参与了复杂的AD发病机制。因此，氢气（氢气）的多重功能可能有助于改善AD。此外，氢气能够通过气体扩散穿过血脑屏障（BBB），无需特定的药物输送系统。尽管无法使AD患者的死亡细胞复活，但即使在AD发病后，理想的策略仍是通过疾病修饰疗法促进存活神经元的活动。

广泛的研究表明，氢气能够显著改善神经退行性疾病模型[25]。饮用氢气水可以防止慢性身体束缚应激引起的认知缺陷，并通过减轻应激诱导的海马齿状回神经增殖的抑制来发挥作用[26]。

在一项双盲、随机临床研究中，长期（一年）饮用氢气水能改善携带AD遗传高风险基因apoE4基因型的轻度认知障碍（MCI）患者的认知功能[27]。有一份病例报告显示，一名晚期AD患者的大便失禁在连续吸入氢气两年后有所改善[28]（见图26.6）。这项研究鼓励了AD患者，即使是严重AD患者也有可能得到改善。使用ADAS-cog临床评估和扩散张量成像客观评估，半年的氢气吸入临床试验显示出显著的改善。此外，在不吸入氢气的1年随访中，至少保持了半年的改善。这表明该治疗不仅提供了临时的症状缓解，而且还具有改变疾病的效应[29]。

晚期癌症

氢气疗法应用于晚期癌症患者正在研究中[30, 31]。吸入氢气显示能改善预后和生活质量，并减小晚期癌症患者的肿瘤大小。

由于PD-1是由转录因子NFAT转录的[24]，氢气通过减少PD-1的表达增强了免疫疗法，因为PD-1会抑制免疫疗法。此外，氢气通过增加PGC-1α的表达经由4-HNE/Akt/FoxO1途径促进线粒体活化[23]，从而增强了CD8+ T细胞的免疫活性。

此外，氢气还被证明可以减轻化疗和放疗引起的不良反应[32]。

代谢综合征

代谢综合征的特点是内脏脂肪过度积累、血压升高、空腹高血糖和血脂水平异常[33]。首先，饮用氢气水显示出在模型小鼠中抑制动脉粥样硬化[34]。长期摄入氢气水显著减少了体重和脂肪重量，以及血浆葡萄糖、胰岛素和甘油三酯的水平[20]。更多的研究揭示，饮用氢气水改善了模型小鼠的非酒精性脂肪肝炎（NASH）。

几项临床研究已经进行，并且一项带有系统回顾的荟萃分析显示，饮用氢气水可以显著降低血脂水平[35]。

自2019年以来，新型冠状病毒病（COVID-19）作为大流行病在全球范围内迅速蔓延，导致大量人类死亡，死因是细胞因子风暴。细胞因子风暴是由过度炎症引发的。同样，在多器官衰竭中也会诱发细胞因子风暴，而氢气通过抑制细胞因子风暴来预防死亡[21]。如上所述，氢气通过修饰氧化磷脂使NFAT活性失活，从而抑制炎性细胞因子和COX-2的表达，减轻炎症。在中国，用氢气吸入疗法广泛用于治疗COVID-19患者[36]。此外，吸入氢气也被证明可以缓解COVID-19后遗症。

氢气对炎症的抑制作用应该有助于治疗许多其他传染病，不仅仅是COVID-19。

改善健康人群的生活质量和美容

研究表明，在日常生活中无不当压力的情况下，饮用氢气水能改善情绪、焦虑和自主神经功能[37]。这项研究证实了氢气在健康人日常生活中的益处。

许多论文已经表明，饮用氢气水和吸入氢气对提高运动能力和缓解疲劳有效[38]。例如，饮用氢气水减少了疲劳感，并提高了在自行车测功仪上进行中等强度运动后的耐力[39]。

据报道，氢气改善了皮肤状况，有助于美容[40]。

预防医学对健康人的生活很重要。然而，如果一种药物或食物成分在预防单一疾病方面有效，按照常识在传统医学中，我们将不得不继续服用多种药物。同时，它不应该有任何副作用。氢气具有多重功能且没有不良影响，因此应该能够极大地有助于预防。因此，氢气对健康人有益。

结论

氢气在各种医疗领域的实际应用中具有巨大潜力，用于克服严重慢性和急性疾病的未解决问题，并提高生活质量。最近的研究揭示了氢气的基础分子机制。从传统医学的角度来看，氢气可能是不寻常的或者杰出的。因此，获得官方批准应用氢气治疗非常重要。