围手术期氢气吸入与椎间盘镜术后疼痛的关联研究

摘要

背景与目的：椎间盘镜术后疼痛，是手术带来的急性伤害性痛叠加原有神经根症状共同造成。分子氢（H₂）具备抗氧化、抗炎作用，但围手术期用于镇痛的临床证据有限。本研究评价围手术期吸入氢气与术后疼痛、镇痛药物消耗量之间的关联性。

材料与方法：本研究为开放标签、非随机预实验，分两个连续入组阶段共纳入37例患者（氢气组25例，对照组12例）。撰写论文时，氢气组12例原始结局记录无法找回；最终可溯源完整病例分析共25例（氢气组13例，对照组12例）。经鼻导管给予66.7%氢气+33.3%氧气混合气，总流量2 L/min，估算吸入氢气浓度约4%。采用数字疼痛评分量表（NRS）分别于术前、麻醉恢复室（PACU）入室时、术后1 h、6 h、12 h、24 h及术后1个月评估疼痛；采用广义估计方程进行纵向分析，Holm法校正多重比较。同步开展小鼠慢性压迫性损伤（CCI）探索实验（每组n=6），每日吸入氢气，连续14天，评价机械性痛觉过敏。

结果：分组‑时间交互作用有统计学意义（Wald χ²(6)=56.68，p＜0.001）。经Holm校正后，氢气组在PACU入室（差值‑3.21；校正p=0.002）、术后1 h（‑2.42；校正p=0.004）、术后1个月（‑3.45；校正p＜0.001）疼痛评分更低。氢气组术中芬太尼用量、补救性镇痛药使用也更低；纳入分析的受试者中未记录不良事件。小鼠CCI模型中，氢气处理小鼠患侧后爪缩爪阈值高于空气对照组。

结论：围手术期吸入氢气与部分时间点疼痛评分降低、镇痛药物消耗减少存在关联。该初步结论尚需随机对照试验进一步证实。临床试验注册：ClinicalTrials.gov NCT05476575。

Perioperative Hydrogen Inhalation and Postoperative Pain After Endoscopic Discectomy: A Pilot Non-Randomized Clinical Study with Exploratory Murine Data

1 引言

腰椎神经根受压所致慢性坐骨神经痛，可造成持续性神经根痛与功能损害。椎间盘镜髓核摘除术可以缓解神经根症状，但围手术期叠加了手术组织损伤带来的急性伤害性疼痛[1‑5]。因此，该类患者术后疼痛是急性手术伤害性痛与原有神经根症状的混合，并非单纯神经病理性疼痛。

炎症与氧化应激同时参与术后痛与神经病理性疼痛。组织、神经损伤会升高活性氧（ROS）、激活促炎信号、提高伤害感受器兴奋性，下游涉及核因子‑κB（NF‑κB）等通路[6‑13]。尽管临床术后疼痛是多因素导致，但上述机制为靶向氧化‑炎症信号的干预手段提供了理论依据。

分子氢（H₂）作为具有生物活性的气体，拥有抗氧化、抗炎效应。实验表明，氢气可清除高活性氧自由基，调控NF‑κB、NLRP3等炎症通路[14‑16]。

大量临床前研究证实，氢气相关干预在多种神经病理性疼痛、术后疼痛模型中存在镇痛效应[17‑21]，但围手术期氢气吸入的临床证据仍然有限。本预实验主要目的：评价椎间盘镜手术患者围手术期氢气吸入与术后NRS疼痛评分、术中芬太尼用量、补救镇痛药物使用的关联；同时设置小鼠CCI模型作为标准化神经痛模型，提供探索性的佐证数据。

2 材料与方法

2.1 研究设计概述。本研究包含两部分：①针对慢性坐骨神经痛行椎间盘镜手术患者的开放标签、非随机临床预实验；②小鼠慢性神经压迫损伤（CCI）探索动物实验。仅氢气组获得术前‑术后配对的外周血单个核细胞（PBMC）炎症应答数据，该部分放在补充材料，不作为临床研究主要机制终点。临床报告遵循非随机预实验与可行性研究报告规范[22]；动物实验参照ARRIVE 2.0指南[23]。

2.2 临床试验受试者与伦理审批。本研究遵循《赫尔辛基宣言》，经辅仁大学医院伦理委员会批准（方案编号FJUH110133，2021‑09‑17），并在ClinicalTrials.gov前瞻性注册（NCT05476575）。入组前获取书面知情同意。纳入保守治疗无效、拟行椎间盘镜手术的慢性坐骨神经痛患者，按两段连续时间入组：氢气干预队列（2021‑10‑28至2022‑03‑10，n=25）；之后为无氢气对照组（2022‑03‑24至2022‑07‑07，n=12）。无随机化、无交替分配，干预分组由入组时间段决定。研究结束两年多后整理文稿，氢气组有12例原始记录无法从档案调取；无法溯源重建的数据不纳入分析。最终可溯源完整病例共25例：氢气组13例，对照组12例。排除标准：(1)美国麻醉医师协会（ASA）分级＞Ⅳ级；(2)严重心、肺、肝、肾功能不全；(3)自身免疫疾病；(4)年龄＜20岁；(5)年龄＞75岁；(6)拒绝氢气吸入；(7)妊娠；(8)贫血（血红蛋白＜10 g/dL）。

2.3 临床氢气吸入方案。采用国产氢气发生器（BYT‑JP‑H03，上海潓美医疗科技）电解水产生66.7% H₂、33.3% O₂混合气；经鼻导管输送，总流量2 L/min，术中全程供给，手术结束停止。氢气输出流量约1.33 L/min（2 L/min×0.667）。注册方案标注约4%为估算吸入浓度（混入环境空气稀释后），并非机器出口浓度。假设自主呼吸吸气流量约30 L/min，理论吸入氢气分数约4.4%，方案中取整为4%。鼻导管属于开放系统，实际吸入氢气受潮气量、呼吸频率、吸气时间、经口呼吸、环境空气混入影响；本研究未直接实测吸入氢气浓度。对照组经鼻导管给予常规氧‑空气混合气。所有患者采用丙泊酚、咪达唑仑、芬太尼维持轻‑中度镇静（OAA/S镇静评分3‑4分），标准化麻醉监测。

2.4 研究结局指标。主要临床结局：经伦理批准方案预设的术后NRS疼痛评分（0分无痛，10分最剧烈疼痛），检测节点：PACU入室、术后1 h、6 h、12 h、24 h、术后1个月。次要结局：术中芬太尼消耗量、病房补救镇痛药物使用情况。所有纳入分析患者执行统一术后镇痛方案：曲马多、对乙酰氨基酚、非甾体抗炎药；爆发痛时使用静脉阿片类药物。仅氢气组采集配对PBMC标本，相关探索结果见补充材料。

2.5 动物伦理与饲养。动物实验经辅仁大学机构动物伦理委员会批准（方案A11079），遵循3R原则与ARRIVE 2.0报告规范[23]。8‑12周雄性C57BL/6小鼠（台湾乐斯科），每笼3‑5只，12 h光暗循环（7:00开灯），自由进食饮水；每组6只。仅使用雄性小鼠，未评估性别差异。

2.6 慢性神经压迫损伤（CCI）模型手术。参照已发表方法建立神经病理性疼痛模型[24‑25]。Avertin腹腔麻醉（工作液20 mg/mL，0.2 mL/10 g体重）。大腿中段暴露右侧坐骨神经，3‑0丝线打3个松结扎，结扎间距约1 mm。

2.7 动物氢气吸入方案。CCI手术当日起，小鼠置于带通气孔密闭舱内，每日吸入66.7%H₂/33.3%O₂混合气1.5 h，连续14天。对照组放入相同舱室，呼吸环境空气。对照组未做氧气匹配：氢气组吸入氧分数约33.3%，对照组为环境空气21%。

2.8 行为学检测。由对分组设盲的实验人员检测CCI术后第0天（术前基线）、第3、7、14天机械性痛觉过敏，检测时段09:30‑17:00。基线检测前连续2天，每日适应环境2 h。Von‑Frey纤维丝刺激双侧后爪足底，每处刺激5次，间隔15 s。缩爪阈值（PWT）定义为5次刺激中≥3次出现缩爪的最小刺激力。同时检测患侧、健侧爪子。

2.9 统计学分析。连续临床变量以均值±标准差表示，两组比较采用独立样本t检验；样本量小，分布假设无法严格验证，仅作描述性分析。稀疏2×2分类资料采用Fisher精确检验。NRS纵向疼痛评分采用广义估计方程GEE，高斯分布，恒等连接函数；受试者ID为个体变量，时间作为组内分类因子；模型纳入分组、时间、分组‑时间交互项。工作独立相关矩阵，稳健（三明治）协方差，Ⅲ型Wald卡方检验。分组‑时间交互项作为主要纵向检验指标，判断两组疼痛随时间变化模式是否不同。基于模型，各预设时间点计算氢气‑对照组差值；6个术后时间点采用Holm逐步降阶法校正，控制一类错误。效应值报告均值差及95% Wald置信区间（置信区间未做多重比较校正）；术前对比不纳入Holm校正集。样本量设计假设：单时间点组间疼痛差3分，标准差2.5，每组至少12例可达到80%检验效能，α=0.05；未对交互作用做效能估算，因此分析属于探索性。动物缩爪阈值GEE分析：高斯分布，恒等连接；动物ID作为个体变量，可交换工作相关矩阵，稳健协方差；患侧、健侧爪子分开建模；各时间点氢气‑空气对比Holm校正；第0天基线不参与校正。p＜0.05判定为差异有统计学意义。临床GEE与主要统计使用IBM SPSS 26.0。

3 结果

3.1 人群基线特征与主要临床结局。2021‑10‑28至2022‑07‑07共入组37例；1个月随访截止2022‑08‑07。氢气组12例原始记录无法溯源予以剔除，最终完整病例25例：氢气组13例，对照组12例。两组基线人口学与临床资料可比（表1）。纳入分析人群无不良事件报告。术中芬太尼用量：氢气组265.38±99.24 μg，对照组347.92±93.82 μg；均值差‑82.54 μg，95%CI ‑162.61~‑2.47，p=0.044。补救镇痛使用率：氢气组5/13（38.5%），对照组10/12（83.3%），Fisher精确检验p=0.041。

3.2 术后疼痛NRS评分。GEE纳入25例受试者全部175次重复测量。术前基线疼痛两组接近：氢气组8.15±1.07，对照组8.17±1.03；GEE估计差值‑0.01，95%CI ‑0.80~0.78，p=0.975。分组‑时间交互项显著（Wald χ²(6)=56.68，p＜0.001），提示两组疼痛随时间变化轨迹不同。Holm多重校正后，组间差异有统计学意义节点：PACU入室（均值差‑3.21，校正p=0.002）、术后1 h（‑2.42，校正p=0.004）、术后1个月（‑3.45，校正p＜0.001）；术后6 h、12 h、24 h无统计学差异。6、12 h的95%CI不含零与Holm校正后p值大于0.05并不矛盾。

3.3 小鼠CCI探索实验结果。患侧（手术侧）爪子：分组‑时间交互显著（Wald χ²(3)=36.11，p＜0.001），提示两组机械痛阈值变化轨迹不同。基线（第0天）两组阈值相当（氢气‑空气差值‑0.06 g；95%CI ‑0.27~0.15；p=0.576）。CCI造模后，空气对照组患侧出现进行性痛觉过敏：第0天2.03±0.04 g降至第14天0.39±0.20 g；氢气组维持更高缩爪阈值：第3天+1.04 g（95%CI 0.18‑1.90，Holm校正p=0.018）；第7天+2.59 g（95%CI 1.56‑3.61，校正p＜0.001）；第14天+2.20 g（95%CI 1.37‑3.04，校正p＜0.001）。健侧非手术爪：分组‑时间交互无统计学意义（Wald χ²(3)=0.72，p=0.869），两组阈值随时间几乎无变化。本实验从CCI手术当天即开始氢气吸入，评价的是预防、减轻痛觉过敏发生，并未测试氢气能否逆转已经形成的痛觉过敏。

4 讨论

本预实验主要临床发现：氢气队列与对照组的术后疼痛纵向变化轨迹存在差异。显著的分组‑时间交互（Wald χ²(6)=56.68，p＜0.001）证明两组疼痛随时间演变模式整体不同。多重校正后，组间差异最明确时间点为PACU入室、术后1 h、术后1个月；同时氢气组术中芬太尼用量更低，补救镇痛更少，与疼痛结果方向一致。统计学上，显著交互代表两组疼痛演变模式不一样；各时间点对比是用来定位、量化整体轨迹差异。PACU差值‑3.21分，术后1 h‑2.42分，校正后仍然显著；6 h、12 h效应方向不变（‑1.81、‑1.72），但未达到统计学显著（p分别为0.071、0.081）。

氢气镇痛的可能机制：调控氧化还原敏感的炎症与神经免疫通路，抑制外周伤害感受器敏化和中枢敏化。基础实验证实氢气清除高活性氧、减轻氧化损伤[14]，并广泛调控炎症信号通路[15‑16]。足底切口痛动物实验提示氢气上调Trx1，抑制ASK1/p38/JNK磷酸化、MMP‑9活性，降低IL‑1β成熟、小胶质细胞活化，减轻机械痛敏[21]；切口痛同时涉及TNF‑α/p38 MAPK/NF‑κB与钠通道通路[28]。在神经痛模型，氢气干预同样降低氧化应激、胶质细胞活化、促炎细胞因子，改善机械痛敏[18,20]。以上支持氧化‑炎症介导镇痛的生物学假说，但本临床研究未直接检测脊髓信号、伤害感受器敏化或关键介质，无法确定单一作用机制。

本研究时间模式不能简单理解为有或无镇痛作用。早期最大组间差异出现在PACU、术后1 h，紧接术中氢气停止之后；时间上吻合氢气急性效应，但因为非随机、未设盲，不能证明因果。之后两组使用相同多模式镇痛方案，手术减压本身也会缓解原有部分神经根痛。氢气组术后第一天疼痛基线已经降到2‑3分，下降空间有限；对照组疼痛随时间逐步降低。加上样本量小、多重比较校正，共同解释6 h、12 h差异不显著，24 h两组趋于接近。因此6、12 h校正后无统计学意义，不能解读为效应突然消失。

术后1个月再次出现组间差异，需要与早期术后结果分开解读。人体吸入氢气后血氢浓度会快速下降[29]。本研究1个月的差异，主要来自对照组24 h到1个月疼痛回升，氢气组维持在2‑3分。存在多种互不排斥解释：围手术期急性镇痛消退后残留神经根症状复现；恢复轨迹差异；早期炎症调控带来远期效应；分段入组带来时间混杂；或是单纯抽样变异。因此1个月结果属于产生假说，不能证明单次术中氢气暴露存在持久直接镇痛作用。PBMC仅做氢气组组内前后对比，无平行对照组，手术本身也会抑制细胞因子应答[30]，该部分仅用于启发后续对照研究，不能归因于氢气。

小鼠CCI实验提供独立的生物学佐证，尤其针对临床疼痛中的神经痛组分。重复测量显示，基线可比前提下，氢气处理小鼠患侧爪子在3、7、14天维持更高缩爪阈值；健侧无此现象。该结果与既往氢气减轻神经痛敏、降低氧化应激‑胶质活化‑炎症因子的动物实验方向一致[18,20]。但动物与人体模型并不完全等同：CCI是标准化外周神经损伤；而椎间盘镜术后疼痛混合切口急性痛、术后炎症、残留或好转的神经根痛。干预模式差异巨大：小鼠CCI术后连续14天每日吸氢气；患者仅术中吸入。另外动物对照组未做氧气匹配：氢气组同时吸入更高氧浓度，舱内H₂/O₂也未实测。

疼痛评分更低同时伴随术中芬太尼更少、补救镇痛更少，多指标方向一致，增强观察结果内部一致性。但本研究未设盲，镇痛药物使用可受主观期待偏倚影响；确证性试验必须采用盲法分配，并预先规定镇痛方案。氢气组受试者未观察到不良事件，与吸入氢气总体安全特征相符。治疗浓度下氢气不会代谢产生有毒中间产物，无明确器官剂量限制性毒性。健康人长时间吸入、脑卒中患者持续监测下吸入，均未见显著血流动力学、呼吸、实验室指标异常[29,31]。大动物循环骤停模型围手术期使用也可良好耐受[32]。本研究使用开放鼻导管，4%吸入氢气只是理论估算，没有实测FiH₂、FiO₂，剂量可重复性、安全性表征存在局限。

关于氢气燃爆风险，需要区分房间整体浓度与导管局部浓度。房间层面安全余量充足：氢气输出约1.33 L/min（0.08 m³/h）；手术室机械通风按照ANSI/ASHRAE/ASHE标准170至少每小时20次换气，气体持续被排走。氢气在空气中爆炸下限为4%体积比；要达到该下限，需要把1小时全部氢气输出密闭混合在约2 m³空间，远小于常规手术室体积。氢气密度小，向上飘散向天花板排风；设备按需电解产气，室内无高压氢气钢瓶存储。

风险主要集中在导管出口局部：未稀释混合气处于可燃区间，主要风险源是点火源，而非全身毒性。已报道氢气吸入设备事故大多来自设备内外漏气[33]。该风险和手术室富氧环境风险属于同一类燃料‑氧化剂‑点火源问题，现有手术室防火框架可以直接套用[34]：气源与电刀、激光设备保持距离；头部附近避免布单形成密闭气袋；使用前管路接头检漏；面部附近使用电外科设备时暂停供气。本研究手术为俯卧位腰椎手术，鼻导管远离术区；但该布置不能直接照搬到头颈部、气道手术，点火源和气源会相互邻近[34]。本研究完全遵循手术室常规防火流程，纳入分析病例未发生不良或燃爆事件。但本研究并未实时监测手术室环境氢气浓度，无法报告实测环境暴露；仅能证明该给药方式耐受性尚可，不能替代专门的前瞻性安全评价。未来试验应直接测量吸入与环境氢气浓度；制定氢气专属操作流程，包括检漏、环境连续报警（报警阈值设置在爆炸下限的一定比例）。

本研究存在诸多局限，限制因果推断：其一，按连续时间段分配分组，未随机，受试者与研究者均未设盲；即使入组时间临近，仍存在选择偏倚、实施偏倚、期待偏倚、时间混杂。其二，氢气组12例原始记录丢失，仅剔除该组无法溯源数据，无法排除选择偏倚，偏倚方向和大小无法评估。其三，仅25例用于纵向分析；稳健Wald属于大样本渐近统计，小样本解释需要谨慎。其四，NRS不能区分切口急性伤害痛、残留神经根痛、神经病理性痛；未设盲下容易受主观期待干扰。其五，方案预设的1周随访在可溯源数据集缺失，影响24 h‑1个月之间疼痛变化的解读。其六，没有实测实际吸入氢气浓度，手术室环境氢气也未监测。其七，PBMC炎症分析缺少同期平行对照组，无法确认氢气特异性抗炎效应。其八，动物实验疼痛表型、给药方案和临床不一致；对照组未做氧气匹配，氢气组同时暴露更高氧；仅用雄性小鼠；动物实验只评价预防痛敏发生，没有测试已经形成神经痛之后氢气是否有效。综上，临床与动物结果生物学方向一致，但均属于初步探索；免疫相关结果仅作描述。

下一步应当开展前瞻性、分配隐藏、双盲、假干预对照随机试验：采用氧气匹配、外观完全一样的对照供气系统；实测FiH₂、FiO₂与环境氢气；标准化围手术期阿片与非阿片镇痛；预先定义纵向分析目标与多重比较策略；使用可以区分神经或神经根痛、急性术后痛、功能恢复的评估工具[35]；两组同步时间点采血，预设炎症‑氧化还原生物标志物，正式检验氢气暴露‑标志物‑阿片用量‑疼痛之间关联；重点复现PACU、1 h早期效应信号，并验证1个月组间差异是否在随机人群中仍然存在。

5 结论

这项小样本、开放标签、非随机预实验显示：椎间盘镜手术围手术期吸入氢气，与术后疼痛纵向变化轨迹改变存在关联；多重校正后，PACU入室、术后1 h、术后1个月组间差异最为明显，同时伴随术中芬太尼用量下降、补救镇痛减少。小鼠CCI动物实验结果提供方向一致的生物学佐证。

但分段时间分配入组、氢气组部分原始记录丢失、样本量小、未设盲、未实测吸入氢气浓度，动物与临床模型、干预方案存在差异，因此不能对疗效和机制做出因果推断。本结果属于产生科学假说的初步发现，需要开展随机、盲法、假干预对照试验；标准化氢气给药、标准化镇痛方案、预设纵向分析流程、均衡采集机制生物标志物，进一步验证。

Sung, C.-H.; Ko, W.-C.; Kung, C.-C.; Hung, C.-F. Perioperative Hydrogen Inhalation and Postoperative Pain After Endoscopic Discectomy: A Pilot Non-Randomized Clinical Study with Exploratory Murine Data. Medicina 2026, 62, 1785. 

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