科学网—氢气对线粒体功能和代谢重塑的作用【1】 

 5 上游调控枢纽：AMPK/去乙酰化酶信号轴的整合作用

 5.1 AMPK：重要信号转导分子

多项实验模型均显示，线粒体质量控制、脂质代谢重编程对腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）靶向干预十分敏感。需要注意的是，常用小分子抑制剂化合物C（Dorsomorphin） 虽可抑制AMPK活性，但受结构与药理特性影响，该药物也会作用于骨形态发生蛋白（BMP）受体等其他通路，存在AMPK非依赖效应。因此，解读使用化合物C得到的药理实验结果需谨慎，还需结合基因实验进一步验证。

研究证实，在多种细胞中抑制AMPK（如使用化合物C），会下调PGC-1α的表达与转录活性，抑制线粒体相关基因程序的启动，这说明AMPK在PGC-1α介导的转录应答中占据重要地位。

从机制上讲，AMPK是细胞能量与营养状态的核心感受器。活化后可抑制合成代谢、激活分解代谢，并与SIRT1-PGC-1α能量感应网络协同，启动线粒体生物发生、氧化代谢相关转录程序，同时增强细胞抗氧化能力。此外，AMPK可直接磷酸化ULK1、线粒体分裂因子（MFF）等底物，将能量应激信号与自噬、线粒体自噬、线粒体动态调控相关联。凭借上述机制，AMPK可统筹受损线粒体清除与新生线粒体生成，维持线粒体质量控制。结合氢气相关研究发现，多项动物与细胞实验表明，氢气干预可激活肝激酶B1（LKB1）-腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）信号通路，并启动下游抗氧化转录应答。另有研究显示，氢气能上调过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（PGC-1α）以及脂肪酸代谢相关转录程序；在缺血再灌注损伤等应激模型中，氢气还可增强PINK1/Parkin介导的线粒体自噬功能。综合药理学与基因层面证据可得出较为严谨的结论：AMPK-PGC-1α信号轴是氢气调控线粒体质量控制、重塑脂质代谢的核心调控节点。但目前仍无法确定AMPK激活是否为该调控过程的上游始动事件，还需借助时序分析、基因回补实验以及更具靶向性的AMPK干预手段进一步验证。

现有研究进一步提示，AMPK不仅是下游效应分子，更有可能是氢气调控代谢、发挥细胞保护作用的关键信号介导因子。细胞与动物实验均证实，氢气处理可提升AMPK磷酸化水平，进而调控哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号、细胞自噬、抗氧化转录以及细胞存活等一系列下游生物学事件。不过，氢气调控AMPK活性的直接分子机制尚未完全阐明。依据目前对AMPK激活机制的认知，氢气可通过影响线粒体功能、细胞氧化还原稳态与能量状态，改变AMP/ATP、ADP/ATP比值，一方面促使肝激酶B1（LKB1）、钙调蛋白依赖性蛋白激酶β（CaMKKβ）等上游激酶增强AMPKα亚基苏氨酸172（Thr172）位点的磷酸化，另一方面也可能抑制AMPK的去磷酸化过程。有研究发现，富氢培养液可在细胞ATP未明显消耗的情况下激活LKB1-FoxO1通路，这说明氢气激活AMP并非完全依赖经典的能量匮乏通路。此外，AMP还可通过葡萄糖利用率、脂质代谢、溶酶体信号、DNA损伤等非经典途径实现调控。由此可见，氢气与AMPK之间并非简单线性关系，而是多层级的网络调控模式。作为细胞核心能量感受器，活化的AMPK可统筹代谢重编程、线粒体稳态与细胞自噬，最终介导氢气的细胞保护效应。

AMPK的激活主要标志为Thr172位点磷酸化，其核心下游功能之一是调控线粒体生物发生与能量代谢重塑。一方面，活化的AMPK可与去乙酰化酶1（SIRT1）形成功能偶联，促使PGC-1α发生去乙酰化并激活，进而上调核呼吸因子1（NRF-1）、核呼吸因子2（NRF-2）、线粒体转录因子A（TFAM）等线粒体生物发生相关因子，启动线粒体转录与复制程序。另一方面，AMPK还可通过调控启动子甲基化、染色质开放程度，影响PGC-1α及相关线粒体生物发生基因的表观遗传修饰，增强其转录活性。上述变化通常伴随线粒体DNA拷贝数增加、氧化磷酸化（OXPHOS）复合体表达上调、线粒体呼吸功能改善，与前文所述线粒体DNA拷贝数回升、呼吸链功能修复的研究结果相互印证。

不同研究中，氢气对AMPK-PGC-1α通路的调控效果并不完全一致。部分研究指出，氢气可通过AMPK/mTOR通路促进细胞自噬、维持线粒体稳态；也有实验证实，氢气可在ATP无明显下降的前提下激活LKB1-AMPK通路，说明其作用机制并非完全依靠AMP/ATP比值升高这一经典通路。结合AMPK经典与非经典激活机制的最新研究可知，目前尚无法明确氢气是直接作用于AMPK上游感应模块，还是通过改变氧化还原状态、线粒体功能、细胞膜理化特性间接激活AMP。同时，氢气给药方式、剂量、作用时长以及细胞类型的差异，也可能造成各研究结论出现分歧，该问题仍需系统性探究。

与此同时，活化的AMPK可通过乙酰辅酶A羧化酶（ACC）/肉碱棕榈酰转移酶1A（CPT1A）、固醇调节元件结合蛋白1c（SREBP-1c）通路参与脂质代谢重塑。AMPK可使乙酰辅酶A羧化酶发生磷酸化而失活，降低丙二酰辅酶A含量，解除其对CPT1A的抑制作用，促进脂肪酸β-氧化；还可通过磷酸化抑制SREBP-1c成熟活化，下调脂肪酸合酶（FASN）、硬脂酰辅酶A去饱和酶1（SCD1）等脂质从头合成及甘油三酯合成相关基因。该机制与AMPK抑制脂质蓄积、恢复脂质代谢稳态的功能相符。另外，脂滴动态变化可直观反映细胞脂质储存、动员与氧化利用的平衡状态。但在不同实验模型、疾病阶段与干预条件下，AMPK介导的脂质代谢表型存在差异。因此，氢气对AMPK相关脂质代谢重编程的调控具有环境依赖性，具体分子机制仍有待深入解析。

 5.2 去乙酰化调控网络与沉默信息调节因子（Sirtuins）的快速代谢应答

现有证据表明，AMPK更偏向于氢气诱导代谢重编程的核心枢纽分子，而非次要调控因子。但目前仍缺乏充分证据将其定义为氢气介导代谢调控的通用上游通路或核心信号转导分子。学界更倾向认为，氢气通过改变细胞氧化还原状态、线粒体功能与能量应激，间接激活AMP。不过，氢气是否必然通过改变细胞膜脂质特性、线粒体膜电位下降、AMP/ATP比值升高，进而诱导AMPK的Thr172磷酸化，尚未在各类实验模型中得到统一证实。作为经典能量感受器，AMPK在维持代谢稳态、调控线粒体适应性功能与细胞自噬中发挥重要作用。因此，将其视作氢气生物学效应中高概率整合节点，而非已完全确证的单一始动开关，更为严谨。

AMPK激活后，下游信号主要分为两大方向：线粒体生物发生、转录重编程。其一，AMPK可提升细胞烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）水平、增强SIRT1活性，促使PGC-1α、FoxO家族转录因子发生去乙酰化，上调NRF-1、NRF-2、TFAM等线粒体生物发生相关基因。其二，AMPK可通过直接磷酸化或间接调控，减弱部分表观调控因子对线粒体代谢相关启动子的抑制作用，启动适应性代谢转录程序。但该结论目前仅局限于特定实验模型，尚不具备普适性。简言之，AMPK是连接细胞能量变化与线粒体重塑的关键信号枢纽，并非所有表观遗传事件唯一的上游直接调控因子。

除此之外，AMPK可通过磷酸化抑制乙酰辅酶A羧化酶，减少胞内丙二酰辅酶A，解除其对CPT1A的抑制，促进脂肪酸β-氧化；同时抑制SREBP-1c活化，下调脂肪酸合成相关基因，使细胞代谢从合成代谢转向氧化代谢。该机制可解释脂滴减少、脂质代谢重塑等现象，但在不同疾病模型、病变阶段与干预条件下，效应强度、持续时间以及对AMPK的依赖程度均存在差异。因此，AMPK介导的脂质代谢重编程是氢气发挥代谢调控的重要候选机制，但并非所有条件下都成立的通用机制。

除磷酸化信号通路外，氢气介导的代谢重编程还与NAD⁺-Sirtuins轴密切相关。已有研究证实，AMPK可促进NAD⁺再生、提升SIRT1/SIRT3活性，并与PGC-1α、FoxO等分子形成协同调控网络，共同调节能量代谢与氧化还原稳态。在该网络中，AMPK激活使NAD⁺含量上升，进而增强Sirtuins活性，进一步改善线粒体功能与代谢适应性。不过多项研究表明，SIRT3并非所有干预措施发挥保护作用的绝对必需分子。该正反馈环路属于较为常见的作用模块，但并非普遍适用。

在氧化应激、代谢紊乱等多种模型中，SIRT3的去乙酰化功能贯穿线粒体能量代谢与抗氧化调控全过程。它可通过对三羧酸循环、氧化磷酸、NADPH稳态、活性氧清除相关多种线粒体代谢酶与抗氧化蛋白进行去乙酰化修饰，在病理应激状态下维持线粒体稳态。但现有数据显示，SIRT3是重要调控节点，并非决定能量代谢与抗氧化系统同步运转的绝对核心，其作用强度会受组织类型、损伤程度、NAD⁺代谢水平等因素影响。相较于转录调控，蛋白质去乙酰化等翻译后修饰应答速度更快，这也可能是氢气干预后线粒体氧化还原状态快速改善的机制之一。综合现有研究，AMPK-Sirtuins-线粒体酶通路是氢气早期代谢调控的重要作用模块，但该通路是否为氢气快速起效的统一分子基础，仍需结合时序分析、因果验证类实验进一步佐证。

如图3所示，氢气调控线粒体质量控制主要依托四大协同信号模块：

1. 激活AMPK-PGC-1α通路，启动线粒体生物发生，依靠NRF1/TFAM完成线粒体DNA复制，生成新线粒体；

2. 强化PINK1/Parkin介导的线粒体自噬，通过自噬体形成与溶酶体降解清除受损线粒体；

3. 激活Nrf2/ARE抗氧化转录通路，上调血红素氧合酶1（HO-1）、超氧化物歧化酶2（SOD2）等抗氧化基因表达；

4. 增强SIRT3依赖性线粒体抗氧化防御，通过SOD2、异柠檬酸脱氢酶2（IDH2）去乙酰化，提升活性氧清除能力，维持线粒体氧化还原稳态。

> 图3 氢气调控线粒体质量控制的核心信号网络

> 氢气通过多条相互关联通路协同调控线粒体质量，涵盖线粒体生物发生、线粒体自噬、抗氧化转录、线粒体抗氧化防御四大模块。

> (A) AMPK-PGC-1α介导线粒体生物发生：AMP/ATP比值升高激活AMP，进而促进PGC-1α活化与核转位，调控NRF1/TFAM依赖的线粒体DNA复制与线粒体新生；

> (B) PINK1/Parkin介导线粒体自噬：氧化应激、线粒体膜电位下降促使PINK1聚集、招募Parkin，引发泛素化，最终形成自噬体并由溶酶体降解受损线粒体；

> (C) Nrf2/ARE介导抗氧化转录：氧化还原或AMPK相关信号激活Nrf2并促使其核转位，启动ARE序列下游HO-1、SOD2等抗氧化基因；

> (D) SIRT3依赖性线粒体抗氧化防御：NAD⁺激活SIRT3，对SOD2、IDH2等线粒体抗氧化酶进行去乙酰化，增强活性氧清除能力，维持线粒体氧化还原稳态。

> 实线为已证实的信号通路，虚线为氢气的调控作用。

 6 临床前与临床证据验证

 6.1 代谢性疾病：能量代谢修复与胰岛素敏感性量化评估

针对非酒精性脂肪肝（NAFLD）、2型糖尿病（T2DM）的转化研究中，疗效评价体系已从单一组织病理指标，逐步转向多维度功能指标。除病理评分、血糖、血脂等传统指标外，线粒体呼吸功能、ATP生成量、氧化磷酸化效率、胰岛素敏感性等参数也被纳入综合评估体系，更全面反映氢气干预后的代谢变化。在非酒精性脂肪肝与2型糖尿病中，线粒体能量代谢异常通常与脂质蓄积、氧化应激加剧、胰岛素抵抗密切相关，主要表现为电子传递链功能紊乱、ATP合成效率下降、氧化还原稳态失衡。但需注意，不同疾病模型、不同病程阶段，线粒体氧化功能并非持续下降；部分疾病早期、代偿阶段，氧化代谢甚至会出现一过性升高。因此，线粒体功能异常是代谢疾病进展的重要机制，但并非所有条件下单向变化的决定性因素。

多项动物实验与早期临床研究表明，针对高脂饮食诱导的非酒精性脂肪肝、代谢综合征，氢气干预可改善线粒体能量状态，该变化更偏向线粒体功能重塑，而非全身性彻底重编程。动物模型中，氢气可提升氧化磷酸化偶联效率与ATP生成能力，部分恢复线粒体呼吸参数，提高泛醌含量、改善氧化还原状态，同时增强复合体I、II相关呼吸通量，缓解脂质过载引发的能量代谢失衡。但目前关于NAD⁺/NADH比值是否稳定改变、能量代谢相关蛋白组是否系统性修复、不同模型中相关变化是否一致，仍缺乏充分且统一的直接证据，相关机制仅作为潜在研究方向，尚未形成公认通路。

临床层面，富氢水干预8周以上的非酒精性脂肪肝患者，血小板线粒体功能、泛醌10水平得到改善；一项为期13周的氢氧吸入随机对照试验也证实，患者肝脏脂肪含量、血脂、肝功能指标均出现好转。不过人体研究中线粒体相关检测多采用外周替代指标或间接终点，无法完全等同于肝细胞线粒体氧化磷酸化功能的直接修复。总体来看，氢气可通过改善氧化还原环境、优化部分线粒体能量参数发挥代谢保护作用，其靶向线粒体的特性已得到一定临床支撑，但临床前机制与人体疗效之间的因果关联，仍需进一步完善。

血清β-羟丁酸（β-HB）是酮体代谢的重要指标，常被用作评估肝脏脂肪酸氧化、酮体生成的替代标志物。健康人群中，其水平与肝脏脂肪酸β-氧化程度高度相关；但在肥胖、非酒精性脂肪肝人群中，该指标虽仍有参考价值，也会受营养状态、肝脏病变阶段、线粒体代谢适应性等因素干扰。因此，β-羟丁酸仅能反映代谢改变趋势，不能完全等同于线粒体脂肪酸氧化通量。高脂饮食及相关代谢病模型中，β-羟丁酸升高往往伴随脂质氧化增强、脂滴负荷降低、线粒体呼吸参数改善，提示机体能量利用模式从脂质储存，转向脂质动员与酮体生成。但仅依据β-羟丁酸升高，不能直接判定代谢发生根本性重塑，该变化更倾向于代谢适应性调整。现有动物实验与部分临床研究发现，氢气可改善脂质沉积、氧化还原状态及线粒体相关指标，但仍缺乏以β-羟丁酸、酮体生成为核心终点，证实氢气可稳定激活脂肪酸氧化-酮体生成通路的直接证据。现阶段认为，氢气可通过优化氧化还原环境、促进脂肪酸氧化相关代谢适应，间接促使机体向更利于能量输出的代谢模式转变，但酮体生成是否为该过程的核心特征，仍需更多直接实验佐证。

肝脏、脂肪、骨骼肌的代谢改善，会共同促进全身胰岛素敏感性恢复。但组织层面功能好转，并不等同于胰岛素抵抗相关临床指标同步改善。现有随机对照试验与真实世界研究显示，长期饮用富氢水或吸入氢气，可改善部分糖脂代谢指标，部分队列中胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）出现下降；但也有对照研究未观察到组间显著差异。综上，氢气对代谢危险因素、胰岛素抵抗相关指标具备一定改善潜力，但疗效强弱、适用人群、结果可重复性，仍需大样本高质量研究加以明确。

现有临床研究提示，氢气可通过调控多组织器官的氧化还原状态、能量代谢与炎症反应，改善全身糖脂稳态，具备临床转化潜力。但目前各类研究在人群构成、给药方式、干预剂量、随访时长、评价指标上差异较大，且多数研究样本量偏小，结论多来源于探索性试验、回顾性研究或真实世界数据，暂不足以形成明确的临床诊疗建议。未来仍需开展大样本、长随访、设计严谨的高质量随机对照试验，明确氢气干预的远期疗效、安全性、适用人群与应用边界。

 6.2 神经退行性疾病：线粒体复合体活性与脑部能量储备

表2汇总了不同疾病模型中氢气的代谢与能量相关作用。总体而言，氢气可影响氧化磷酸化、线粒体膜电位、ATP生成、氧化还原稳态、脂肪酸氧化、糖酵解等多项线粒体与代谢相关指标。在代谢病、炎症模型中，氢气主要以改善线粒体功能、减轻氧化应激、恢复全身代谢稳态为主；在神经损伤、缺血再灌注、肿瘤模型中，其作用则更具场景特异性，同时包含线粒体保护与疾病特异性代谢重塑。

结合上述疾病特征，下文进一步探讨氢气在神经退行性疾病、缺血缺氧性损伤、肿瘤代谢调控中的作用。

针对帕金森病（PD）、阿尔茨海默病（AD）等神经退行性疾病，现有研究表明氢气的神经保护作用，部分依赖线粒体功能维持、氧化还原稳态改善与能量代谢适应，并非仅单一调控电子传递链环节。体外实验发现，氢气对线粒体电子传递的作用具有状态依赖性，会受底物环境、NAD⁺/NADH比值影响；特定条件下，氢气可抑制约50%复合体I来源的超氧阴离子生成，同时使线粒体膜电位小幅下降，通过减少电子异常泄漏减轻氧化损伤。但该结论主要来源于离体与细胞实验，尚不能视作神经退行性疾病的通用机制。大量神经损伤、神经退行性疾病模型证实，氢气干预后活性氧水平降低、线粒体功能改善、细胞凋亡减少，可同时缓解电子传递链异常与氧化应激，改善神经元能量危机。综上，氢气可通过提升线粒体电子传递效率、减少电子泄漏、减轻继发性氧化损伤发挥神经保护作用，但其对电子传递链特定复合体的直接调控效应，以及在帕金森病、阿尔茨海默病不同病程中的功能特征，仍需深入研究。

在缺血、缺氧或神经毒性应激条件下，氢气可通过保护线粒体、改善脑部能量代谢发挥神经保护作用。脑缺血再灌注、脓毒症脑病模型中，氢气可部分恢复线粒体膜电位、提升ATP水平、减轻氧化损伤，神经元损伤随之缓解，认知功能得到改善。代谢组学与质谱成像研究显示，脑缺血后三羧酸循环紊乱、ATP/ADP/AMP能量池分布不均，是脑部能量衰竭的典型特征。氢气可通过保护线粒体、缓解能量代谢继发性紊乱，维持脑部能量供应，但其对特定代谢通路的直接调控作用仍待验证。

肿瘤领域中，关于氢气对瓦博格效应（有氧糖酵解）的作用尚未形成统一结论。现有研究认为，氢气可通过改变氧化还原状态、线粒体功能与肿瘤微环境，间接影响糖酵解过程；但氢气能否持续减少乳酸蓄积、缓解微环境酸化、普遍削弱肿瘤细胞对有氧糖酵解的依赖，仍缺乏直接证据。乳酸蓄积与酸性微环境会促进肿瘤进展、抑制机体抗肿瘤免疫，因此氢气相关代谢效应值得深入探究，但目前尚不能将其认定为逆转瓦博格效应的成熟干预手段。另有研究发现，氢气可促进部分肿瘤细胞增殖，说明其作用具有明显的肿瘤类型与代谢背景依赖性。

临床常用¹⁸F-氟代脱氧葡萄糖正电子发射计算机断层显像（¹⁸F-FDG PET/CT），可通过最大标准摄取值（SUVmax）、肿瘤代谢体积（MTV）、肿瘤总糖酵解量（TLG）等指标评估肿瘤糖代谢活性，广泛用于疗效监测与预后判断。但该影像学指标仍属于间接检测结果，不能完全等同于细胞糖酵解通量与葡萄糖利用率的真实变化。目前氢气相关临床研究多依托CT、MRI影像、症状评分、肿瘤标志物作为评价标准，利用¹⁸F-FDG PET/CT探究氢气对肿瘤糖代谢影响的研究仍较少。因此，氢气对肿瘤代谢的影像学效应，仍需设计严谨的前瞻性试验加以阐明。

综合表2数据可见，氢气介导的代谢调控具有高度疾病依赖性与场景依赖性。尽管线粒体膜电位、ATP、活性氧、呼吸链等共性指标普遍受到影响，但在不同疾病模型、给药方式与实验条件下，效应方向与强度存在明显差异。

 7 结论与展望

 7.1 核心结论

重新审视氢气的生物学特性可知，仅将其定义为抗氧化剂已无法全面解释其功能。当前主流观点认为，氢气的生物学效应与氧化还原稳态、线粒体功能、能量代谢网络的协同调控密切相关，线粒体是其核心作用枢纽。在多种疾病模型中，AMPK、Sirtuins、PGC-1α、PPARα以及脂肪酸氧化、氧化磷酸化等代谢通路反复被证实参与氢气的作用过程。氢气可通过调控能量感知-线粒体质量控制-代谢通量这一连续过程，改善细胞能量状态，在一定程度上纠正糖脂代谢紊乱。但氢气的上游感应机制、对线粒体膜电位与氧化还原状态的直接作用方式，以及在不同组织、疾病中信号传导的特异性，仍未达成共识。尤其在肿瘤领域，氢气对瓦博格效应的相关研究结论不一，部分实验显示其在特定代谢环境下可促进肿瘤细胞增殖，作用的模型依赖性十分显著。综上，代谢重编程是氢气发挥广谱生物学效应的重要机制之一，但并非唯一、已完全确证的核心机制。未来需结合代谢流分析、线粒体时空动态检测、前瞻性临床研究，理清作用因果与适用范围。

 7.2 现存挑战与未来研究方向

目前研究已从AMPK、线粒体功能、氧化还原稳态、下游转录调控等多个层面描述氢气的代谢效应，但现有证据多为信号转导后的生物学表型，尚未找到氢气直接作用的初始分子靶点，这也是该领域最关键的机制短板。生理条件下氢气化学活性较弱，传统理化模型难以解释其在极低浓度下，如何启动广泛且特异性的信号传导。为此学界提出多项前沿生物物理假说：一方面，氢气可能作用于线粒体电子传递链中对氧化还原高度敏感的金属辅基、电子传递位点（如铁硫簇、血红素位点）；另一方面，氢气可通过改变生物大分子界面水、水合层的结构特性，间接调控蛋白质构象与膜蛋白变构偶联。但上述假说目前仅停留在理论与综述层面，缺乏结构生物学、原位功能实验的直接佐证。后续研究应聚焦氢气作用的初始理化事件，而非单纯拓展下游通路，推动氢医学从现象观察走向严谨的机制解析。

方法学层面，传统代谢组学依赖组织匀浆，仅能获取整体平均数据，无法反映病灶内部空间异质性。近年来空间代谢组、时空代谢组、原位质谱成像等技术快速发展，在肿瘤微环境、缺血脑组织研究中优势突出，可在保留组织原有结构的前提下，直观呈现代谢物的空间分布与动态变化。氢气的作用效应存在明显区域差异，例如肿瘤缺氧核心区与常氧周边、脑部缺血半暗带与邻近正常组织，在代谢敏感性、氧化还原阈值、能量重塑动力学上均各不相同。借助高分辨率时空代谢图谱，有望为氢气的双向调控效应提供可验证的机制解释，也为分层干预、个体化转化研究奠定基础。该方向仍需依托严谨的原位检测、动态追踪及临床关联实验进一步验证。

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