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呼出氢气是机体氧化还原代谢的重要指标

已有 208 次阅读 2026-9-8 07:26 |个人分类:氢气生物学|系统分类:科研笔记

呼出氢气是机体氧化还原代谢的重要指标

氢气（H₂）是肠道微生物发酵碳水化合物产生的常见产物，会顺着压力梯度进入血液，最终随呼气排出体外。由于人体细胞既不生成也不代谢氢气，经由体循环与气体交换，肺泡内的氢气会分布至全身各处，包括线粒体等细胞器。人体细胞线粒体内的电子传递链由一系列氧化‑还原（氧化还原）酶构成，负责推动三磷酸腺苷（ATP）的合成。电子传递链酶的催化活性、氢离子活度（pH）均在特定电化学电位下达到最优。但人体属于水溶液体系，整体必须保持电中性。由于细胞膜两侧离子分布不均，人体细胞的胞内与胞外之间存在膜电位。单电极电位只能相对于另一支电极（即参比电极）进行评估。本文测定了相对于标准氢电极（SHE）的电化学电位；研究发现，氢气分压是影响标准氢电极、pH以及可逆氢电极的基础因素。氢气分压并非用于表征人体内部环境的物理量，因此呼气氢气是反映人体氧化还原环境的一个外部变量。

Clinical Significance of Breath Hydrogen as an External Variable of the Redox Environment

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图文摘要

1 引言

氢气（H₂）是地球上含量第二高的还原性气体，仅次于甲烷。受大范围大气环流影响，大气中氢气浓度相对稳定，为530 ppb（十亿分之一）。大气中甲烷与非甲烷有机化合物的光化学氧化被认为是氢气的主要来源；而氢气的主要消耗途径包括土壤吸收以及与大气内羟基自由基发生反应[1‑3]。长期以来，氢气被视作一种“生物惰性气体”，常压条件下不会和生物分子发生反应[4]。惰性气体定义为：遵循亨利定律溶解于血液与组织，穿过生物体时本身不发生化学改变，因此可以在任意时刻从生物体内定量回收。该定义同样包含部分挥发性麻醉剂——这类物质虽可产生明确生理效应，但在体内不发生化学转化[5]。在急性氧化应激的培养细胞模型中，氢气可选择性清除羟基自由基，有效保护细胞，但不会和其他具备生理功能的活性氧发生反应[6]。据报道，20 ℃水溶液条件下，羟基自由基与氢气的反应速率常数为3.4 × 10⁷ dm³·mol⁻¹·s⁻¹[7]。值得注意的是，氢气是肠道微生物发酵碳水化合物的常见产物，因此可在肠气与呼出气体中被检测到。健康人空腹、未摄入碳水化合物时，呼气氢气浓度通常低于16 ppm（百万分之一），平均值约7 ppm[8]。呼气氢气检测并不能直接测定血液或结肠内的氢气浓度。但是，血液流经肺部之后，动脉氢气分压（PaH₂）会与肺泡气体、肺泡氢气分压（PAH₂）达到平衡[9]。

PaH₂ = P_AH₂ （1）

以二氧化碳为例：二氧化碳在组织生成，同样顺着压力梯度进入血液，再扩散进入肺泡。人体肺功能残气量（正常呼气末肺内留存气体容积）为2300 mL，潮气量500 mL，解剖无效腔150 mL，单次呼吸仅可置换约1/7的肺泡气体[10]。因此肺泡二氧化碳分压（PCO₂）高于大气，为40 mmHg；血液离开肺部时，动脉血二氧化碳分压同样为40 mmHg。氢气的行为与之类似：呼气末肺泡氢气分压与动脉血氢气分压达到平衡。若组织氢气分压较低，氢气就会从血液扩散进入组织；反之，若组织氢气分压更高，则氢气向血液扩散。只要气体存在，扩散过程就会持续，最终形成类似组织气体饱和状态的动态平衡。

利用呼气末氢气浓度，可以通过数学方式估算人体内的氢气分压。氢气不带电荷，且不在人体细胞内代谢，能够从肠腔扩散进入血液、各器官以及肺泡腔[11]。根据亨利定律，溶液达到平衡时，溶解气体的量与其分压成正比。298 K条件下，氢气在生理盐水中的本生吸收系数为0.015；即在1标准大气压（1.01325 bar）氢气分压下，每1 mL生理盐水可溶解0.015 mL氢气[12]。氢气的浓度低、溶解度小，这给解析其生理功能带来不确定性。但越来越多证据表明，氢气可以通过调节氧化‑还原（氧化还原）环境影响生物学过程。氧化还原环境被定义为存在于生物体液、细胞器、细胞乃至整个人体内，由各类氧化还原电对相互关联构成的网络[13]。基于上述背景，本文综述氢气基础生理机制的近年研究成果，重点阐述其在氧化还原环境当中的潜在作用。

2 内源性氢气的吸收、扩散与排出

肠道具备特殊解剖结构，自出生起即可形成厌氧环境，供肠道微生物定植[14]。个体之间、不同饮食条件下，肠道气体组分存在差异。肠气排出量为33‑125 mL，平均生成速率40.25 mL/h[15]。肠道气体主要成分为氮气（N₂）、氧气（O₂）、二氧化碳、氢气和甲烷。荟萃分析结果显示，氮气占比65.1 ± 20.89%，氢气占比2.9 ± 0.7%。氮气与氢气均属于惰性气体，不会在人体内和其他物质发生反应。结肠内6 h累积生成不超过76 mL的氢气就会被机体吸收[16]。尽管氢气在血液中溶解度较低，但仍会顺着分压梯度，从肠腔扩散进入血液，再由血液扩散至肺泡气[17]。因此氢气浓度从肠腔到血液，再到肺泡腔逐步降低。惰性气体达到平衡后，会依据自身在各相（气相、血液、组织）的溶解度在各相中重新分布。气体在液体中的溶解度通常有两种表达方式。本生溶解度系数（α）指：指定温度、1 bar分压（P₀）条件下，1 mL液体达到平衡时所溶解的气体体积（mL）。298.15 K时，氢气在生理盐水的本生溶解度系数为0.015 mL/mL。亨利定律适用于惰性气体在血液中的溶解。因此，任意分压P条件下，1 mL液体平衡后溶解的气体体积为本生系数 × P/P₀。假设结肠氢气浓度为2.9%，结合本生溶解度系数和亨利定律，可数学计算肺泡气氢气浓度，计算结果与健康人空腹呼气氢气平均7 ppm的数值接近，见图1。

[H₂肺泡] ≈ 0.029 × 0.015 × 0.015 = 6.5 × 10−6 (6.5 ppm) (2)

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> 图1 内源性氢气的吸收、扩散与排出。氢气是结肠内碳水化合物发酵的常见产物，扩散进入静脉血液；随后静脉血中氢气扩散进入肺泡气，肺泡氢气同时和动脉血达成平衡；经由体循环，动脉氢气实现对全身组织的气体饱和。

肺泡内气体经由肺通气呼出体外。呼气氢气检测所测量的就是与肺泡气相平衡的呼气末氢气浓度。气体跨膜扩散速率与该气体在溶剂中的溶解度、扩散系数成正比。氢气在水中的溶解度与氮气接近；氢气、氮气的扩散系数分别为5.2 × 10⁻⁵ cm²/s、2.0 × 10⁻⁵ cm²/s。当膜足够薄（约10 μm量级）时，扩散几乎瞬间达到稳态。麻醉医学与潜水医学中已有描述惰性气体跨毛细血管膜进入人体组织的多种数学模型[18]。常压环境下人体组织会被氮气饱和；潜水医学按照氮气半饱和时间，把人体划分为5个理论组织腔室[19]。结肠的氮气半饱和时间约90 min，而整个人体约30 min。因此，人体全身会在肺泡氢气分压6.5 × 10⁻⁶ bar条件下被氢气饱和。如果肺泡氢气分压下降，氢气就会从人体组织向肺泡气扩散，直至重新建立动态平衡。根据亨利定律常数7.8 × 10⁻⁴ mol/(L·bar)，在氢气分压6.5 × 10⁻⁶ bar条件下，可算出人体体液氢气浓度约为5.1 × 10⁻⁹ mol/L[20]。人体内氢气的绝对浓度极低，但与pH 7.4动脉血的氢离子浓度（$10^{-7.4}=39×10^{−9}\ \text{mol/L}$）处于同一数量级。

3 人体内pH与氢气分压对电化学电位的影响

人体约60%成分为水溶液，整体必须维持电中性[21]。因此，人体细胞、细胞器的胞内‑胞外之间存在膜电位，见图2。

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> 图2 细胞内液‑细胞外液之间的膜电位。膜两侧离子分布不均产生静息电位；Na⁺为钠离子，K⁺为钾离子。

细胞膜两侧离子分布不均，形成约70 mV静息电位[22]；细胞膜离子通道的开闭则产生动作电位[23]。线粒体基质与膜间隙之间pH差约0.4个单位，对应氢离子活度相差约2.5倍[24]。线粒体膜电位通常约‑180 mV，对应的氢离子活度相差可达1000倍。但是，单电极电位只能相对于另一支参比电极进行测定，因此电化学电位变化均采用相对于参比电极的电位差进行计算。

电化学电位的测量以标准氢电极（SHE）为参照：定义条件为铂电极、pH 0酸性溶液、氢气分压1 bar，该条件下电位为0.00 V[25]。pH的测定是利用玻璃电极获取待测溶液与标准pH溶液之间的电化学电位差[26]。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的建议，哈纳德电池一级pH标准溶液需要对氢气分压进行校正[27]。人体环境中，氢气与氢离子都不能直接作为电位标尺，因此37 ℃（310 K）条件下使用可逆氢电极（RHE）作为参比电极[28]：

ERHE = −0.059 × pH − 0.029 × log(H₂ partial pressure/1 bar) (V) (3)

常压环境中，氢气浓度$C(\text{H}_2)$可直接换算为氢气分压与1 bar的比值。pH2$定义为氢气逸度的负对数[29]：

pH2 = −log[H2 partial pressure/1 bar] = −log[C(H2)] （4）

生理条件下人体维持酸碱稳态。向磷酸盐缓冲液通入100 ppm氢气，受缓冲体系作用，pH由7.08显著变为7.18，同时氧化还原电位（ORP）下降56 mV[30]。依据亨德森‑哈塞尔巴尔赫方程：

pH = pKa + log10([A−]/[HA]) （5）

pH改变0.1，意味着10 mM磷酸盐缓冲液的$\ce{[HPO^{2-}_{4}]/[H_{2}PO^{-}_{4}]}$比值变化$10^{-0.1}$（约0.794）。磷酸盐缓冲体系电位会按照能斯特方程发生改变；这提示：除pH之外，机体内氧化还原状态同样存在缓冲效应，但体内各类氧化还原电对的比值仍然可以发生改变。

人体电化学电位变化可以借助可逆氢电极（尤其pH2$）进行计算。人体内氢气分压虽然很低，但平均氢气浓度已是大气的15倍（7.5 ppm对比0.5 ppm）；换算pH2$为1.18单位，对应可逆氢电极电位变化约34 mV。中性体液氢离子浓度本身就很低（pH 7对应$1×10^{−7}\ \text{mol/L}$），因此pH可以灵敏反映酸碱平衡。例如线粒体基质pH 7.4，膜间隙pH 7.8，就体现出氢离子浓度差异[31]。

Δ[H+] = 10−7.4 − 10−7.8 = 2.3 × 10−8 mol/L （6）

与此同时，细胞质与线粒体内部存在高浓度氧化还原电对，例如细胞质内10 mM氧化型谷胱甘肽/谷胱甘肽，线粒体基质250 μM氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）/还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）[32‑33]。这些氧化还原电对以及氧化还原酶的电化学电位均是相对于参比电极测定。当选用可逆氢电极作参比时，所测得的电位就是电化学电位。因此和一级pH标准溶液一样，在体测定电化学电位时，需要根据氢气分压做校正。此外，质子耦合电子转移反应（PCET）是呼吸作用的核心，其反应速率取决于氧化还原物质种类、温度、pH以及氧化还原辅因子电化学过程中的过电位[34]。氢气清除技术被用于游离组织移植术后的血流监测：吸入氢气之后，利用铂电极记录生成电流[35]。镀铂铂电极被极化至饱和甘汞电极电位时，产生的电流与溶解氢气浓度成正比；生理范围内氧分压、pH、温度、抗坏血酸浓度的干扰可以忽略[36]。尽管无法实现体内绝对标定，但将针状电极植入组织，就可以通过电流变化测定组织氢气饱和、去饱和速率。

4 氧化还原酶的电位及其反应速率

线粒体内膜上的电子传递链（ETC）由一系列蛋白复合体构成，负责将电子从NADH传递给氧气，驱动三磷酸腺苷（ATP）生成。每个复合体都带有氧化还原辅因子，包括金属复合物（铁‑硫簇、铜复合物）或有机分子（黄素、醌类）。电子传递链中，各类酶的氧化还原辅因子具备不同热力学与动力学性质；相对于标准氢电极，它们的电化学电位分布在水的稳定电位窗口区间：从NAD⁺/NADH的‑320 mV到O₂/H₂O的+820 mV（图3）[37]。催化辅因子深埋在酶蛋白空间结构内部，在生理电子传递过程中，这些酶相对于标准氢电极的电位不会改变。

Ecofactor = E0cofactor − ERHE, （7）

式中：$E_{辅因子}$为氧化还原辅因子原位电位；$E^0_{辅因子}$是其相对于标准氢电极的标准电位。若氢气分压发生变化，则各个复合体相对于可逆氢电极（参比电极）的电化学电位就会改变。

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> 图3 氧化还原阶梯展示电子传递链反应序列。该氧化还原梯度反映在氧化/还原电对比例与复合体氧化还原电位上。复合体内部氧化还原辅因子相对于标准氢电极（SHE）电位固定，但相对于可逆氢电极（RHE）电位会发生变化。FMN：黄素单核苷酸；FeS：铁‑硫簇；CoQH₂：泛醇；Cyt：细胞色素。

电化学领域中，把氧化还原酶固定在电极表面，是研究电子转移动力学的分析手段[38]。底物存在时，电极可以特异性检测底物释放的电子；再利用循环伏安法记录不同施加电位下的电流，得到近似S型曲线，极限平台电流与酶催化速率常数$K_{\text{cat}}$成正比。氧化、还原的速率常数可以用巴特勒‑沃尔默（Butler‑Volmer）方程描述[39]：

Kox = k0exp[(1 − α)F(E − E0RDS)/RT] and Kred = k0exp[−αF(E − E0RDS)/RT], (8)

式中：$E^0_{RDS}$为决速步氧化还原电位；$k_0$为标准速率常数；$\alpha$为决速步转移系数。在维持固定电位的生物传感器电极上，酶未达到饱和的区间内，催化电流与待测物（例如葡萄糖）浓度成正比，符合米‑曼动力学[40]。

current ∝ Kcat × [substrate] (9)

线粒体呼吸链电子传递全过程可拆解为三步：电子供体释放电子（D）、电子传递（T）、电子受体接收电子（A）[41]。该过程过于复杂，无法直接套用电子转移理论[42]；总反应通量能力由电子传递步骤T决定，可以写作[43]：

v0 = k+[ET][c1][c2+] (10)

式中：$c_1$为电子载体1还原态；$c_2^+$为电子载体2氧化态。电子传递链功能最主要的决定因素是二磷酸腺苷（ADP）浓度，反映ATP消耗（能量需求）水平[44]；也可以通过还原当量物质NADH、琥珀酸的浓度进行调控[45]。式中$k_+$代表步骤T的速率系数，$E_T$代表催化该步骤的氧化还原复合体。虽然我们无法向人体施加外部电化学电位，但可以把呼气氢气作为外部参考变量，测定可逆氢电极电位的改变。电子传递链内部氧化还原反应十分复杂，但可以将呼气氢气浓度作为外部变量，评估它的催化常数，见图4。

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> 图4 影响电子传递链（ETC）催化动力学的各类变量。即便ADP、NADH、O₂等其他变量难以控制，仍可以把呼气氢气作为外部变量监测电子传递链催化常数。

5 氢气分压对氧化还原与代谢反应的影响

氢气属于惰性气体，即便高压环境下也不与生物底物发生化学反应。HYDRA 10人体潜水实验中（71 atm/7200 kPa），受试者第4‑33天加压阶段通入氢气，氢气分压最高达到20 atm[46]。减压过程中心电图出现整体电压显著下降，其原因是微气泡形成，在心脏与电极之间形成物理阻隔。2007年大泽（Ohsawa）首次报道：2%浓度氢气可以清除羟基自由基，治疗大鼠脑缺血‑再灌注损伤。但是氢气和羟基自由基的反应速率常数低于大多数自由基‑自由基反应，而羟基自由基在体内的靶点——膜脂质、巯基蛋白又大量存在[47]；相关治疗窗口需要在再灌注之前进行评估。此后大量研究证实氢气具备保护与治疗效应[48]。已统计81项临床试验、64篇人体研究文献，在多种重大疾病领域观察到氢气治疗的积极潜力[49]；但氢气生理效应的介导机制，尤其是对氧化还原、代谢反应的调控作用，仍有待进一步阐明。

溶液pH会影响氢气氧化、氧气还原、碳还原等电化学反应速率[50]。pH对电化学反应的影响机制可以从传质过程、双电层结构、表面吸附效应解释。依据外层电子转移理论，部分氧化还原酶体系中pH变化2倍，电子转移速率常数可变化10倍[51]。吸入氢气后，将针状电极植入组织可以记录生成电流。无氢气条件下测得的残余电流通常为正值，小于体内3%氢气饱和时产生的负向电流。磷酸盐缓冲液中，通入100 ppm氢气，对比通入空气，氧化还原电位大约下降60 mV。当pH升高或者氢气分压上升，会造成可逆氢电极电位下降；以可逆氢电极作为参比，则各类氧化还原电对、氧化还原酶的电化学电位随之改变（图5）。氧化还原反应内部电对之间电位差、吉布斯自由能保持不变，但氧化还原反应方向可以由还原转变为氧化；随氢气分压升高、可逆氢电极电位降低，氧化还原酶的氧化速率常数可随之增大。

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> 图5 参比电极变化带来的电化学电位改变。(a)以标准氢电极（SHE）为参比，pH 0，pH2=0$；泛醌/泛醇（CoQ/CoQH₂）电位+0.03 V。(b)以可逆氢电极（RHE）为参比，pH 7，pH2=0$；CoQ/CoQH₂电位+0.45 V。(c)以可逆氢电极（RHE）为参比，pH 7，pH2=6$；CoQ/CoQH₂电位+0.27 V。

向离体线粒体体系加入氢气，琥珀酸驱动的电子传递方向发生反转，由NAD⁺还原转变为NADH氧化，同时活性氧生成被抑制[52]。动物实验中，长期吸入氢气可以降低大鼠体重与内脏脂肪量[53]。经鼻导管（300 mL/min）吸入氢气，可显著提升人体静息脂肪氧化水平，表现为呼吸交换比值下降；体脂百分比越高的个体，该效应越明显[54]。人体呼气丙酮浓度和减脂速率、糖尿病患者酮症状态存在相关性[55]。运动过程中吸入1%氢气，对比对照气体，受试者呼气丙酮水平升高、氧摄取量增加，但体内氧化应激、抗氧化活性没有明显改变[56]。

6 呼气氢气的临床意义

人体呼出气体是挥发性有机物与无机气体的复杂混合物，可用于多种疾病的无创诊断[57]。呼气氢气检测可作为生物标志物，应用于氧化应激、胃肠道疾病、代谢紊乱等场景的诊断[58]。呼气氢气来源于肠道微生物对碳水化合物的发酵，存在和膳食纤维摄入相关的昼夜节律变化[59]。不同医疗机构采用多种检测方法开展该项检查，但结果判读标准并不统一，造成呼气试验的应用与解读存在争议。北美相关共识文件基于现有最佳证据发布，用于规范呼气氢气检测方法，在一定程度上统一判读原则[60]。除胃肠道疾病外，呼气氢气作为生物标志物的潜力也不断被报道。睡眠之前各组呼气氢气水平没有差异；但慢性心力衰竭患者晨起呼气氢气低于非心衰人群；60‑85岁老年受试者低于20‑59岁年轻受试者[61‑62]。尤其很多研究关注运动‑代谢和呼气氢气的关联：运动结束后5 min呼气氢气水平下降，30 min回到接近基线，60 min再次出现下降[63]。呼气氢气浓度和由体细胞质量、细胞内水、全身总钾、糖原水平综合得到的细胞生物能量表型持续正相关[64]。

但需要明确：氢气不在人体细胞（内环境）内代谢，氢气是肠道微生物发酵碳水化合物的产物（来自肠腔这个外环境）。静脉血中的一小部分氢气会直接经过肺部而不被清除，因此肺泡氢气（呼气氢气检测的检测对象）会让动脉血与全身组织达到气体饱和。因此呼气氢气可以作为氧化还原环境的外部变量，和氧化还原酶功能、能量代谢存在关联（图6）。呼气氢气检测的局限性：尚没有形成统一的参考正常值，年龄、性别、每日排泄节律、饮食、运动均会影响结果，判读标准也未完全统一。目前呼气氢气测量主要应用于临床，由医务工作者与临床研究者判读。行业亟需标准化的采样流程，以及低成本、操作简便、快速便携的检测设备。

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> 图6 概念框架：呼气氢气作为人体全身氧化还原环境中可测量、可干预的外部变量。呼气氢气变化可影响人体内部氧化还原反应催化动力学；并且可以借助呼吸交换比值、氧化应激标志物等生理应答，评价体系电化学的电流‑电位特征。

7 结论

人体内代谢反应包含大量准可逆、不可逆多步过程。电子传递持续进行时，电子传递链内部电子转移步骤往往成为决速步，其动力学决定电化学应答。因此，需要结合参与反应物质浓度这类可控参数，来评估体系的电流‑电位特征。值得注意：氢气不被人体细胞合成、也不在细胞内代谢；作为肠道微生物发酵碳水化合物的产物，氢气会分布至全身。氢气属于还原性物质，会影响包括电子传递链在内各类氧化还原酶的电化学电位。因此，呼气氢气可以作为反映人体氧化还原环境的外部变量。后续研究应当利用可测量、可观察的呼气氢气指标，验证氧化还原代谢动力学，服务于疾病的临床诊断与治疗。