摘要：氢是自然界含量最丰富的化学元素，无色、无嗅、无味、具有一定还原性的双原子气体。近几年临床医学研究揭示氢气是细胞和器官重要的生理性调节因子，具有选择性抗氧化、抗炎症和抗凋亡等作用。氢气作为一种新的医学领域治疗性气体，越来越受到人们的关注，有望在不久将来大量应用于疾病的治疗和预防。本文综述了氢气在医学领域作为治疗性气体的最新研究进展。

关键词：氢气; 氧自由基; 抗氧化; 进展

0 背景介绍

氢气是自然界最简单的元素，无色、无嗅、无味、具有一定还原性的双原子气体，通过核聚变产生氦为太阳提供能量。氢气的溶解度比较低，且不能被机体大量吸收，所以，人们一直没有重视氢在高等生物体内的作用。自Ohsawa等^[1]发现氢气具有抗氧化抗凋亡的特点，可以通过选择性的中和羟自由基保护脑缺血再灌注损伤和休克以来，氢气作为治疗性医学气体成为研究热点。大量的临床医学和动物实验研究表明，氢气进入机体可以作为毒性活性氧（ROS）的选择性清除剂对受损伤细胞产生保护作用。本文主要对氢气在人体中的生理学作用、疾病保护作用的可能机制、使用氢气的可行性治疗方案及氢气在不同疾病中的研究进行综述作。

1 氢气在人体中的生理学作用

人体内自身没有可以产生氢气的氢化酶，没有产氢的细胞。但是，大肠中许多厌氧菌通过摄入食物中未消化完全的多糖等碳水化合物来获取能量，在氢化酶的作用下可产生大量氢气。正常情况下人体每天可以产生12升氢气^[2]。大肠中的细菌可以通过3种方式清除氢气。分别为：（1）降解氢气为硫化氢；（2）氢气转化为甲烷；（3）氢气生成硝酸盐，其中最重要的方式是转化为甲烷。部分未被清除的氢气可以扩散到血液中并进入血液循环，最后通过呼吸作用离开人体^[3]。最近有一项研究提出氢气可能是人体中的信号分子，与NO、CO、H₂S有类似生理作用^[4]，被称为是第四种气体信号分子^[5]。但从严格意义上讲，由于氢气不能被自身细胞制备，无法实现效应程度的调节，而这些所谓的信号分子效应只是对某些信号分子产生影响，而对这些效应的具体分子过程也不了解，因此目前判断氢气是否为信号分子，尚为时过早。

2氢气治疗作用的可能机制

现阶段对氢治疗疾病的机制有三种推测，但都需进一步深入研究。一是氢气的选择性抗氧化作用对于不同组织和细胞均具有保护作用。羟自由基和过氧化亚硝酸盐有很强的氧化作用，氢气作为自由基的清除剂，可以直接与这两种强氧化剂发生反应，清除强氧化剂对核酸、DNA和脂质的过氧化损伤，保护蛋白质功能。氢气产生细胞保护的第二种可能机制是调节某些基因和蛋白的表达，特别是有人发现氢气可以调节抗氧化酶诸如过氧化氢酶、超氧化物歧化酶或者血红素加氧酶-1活性^[6,7]。也有推测氢气可以通过抑制Caspase-3发挥抗凋亡特性^[8]。Mao和chen等证明氢气可以通过下调促炎因子来抑制氧化应激引起的组织炎症^[9,10]。第三是信号机制，亚硝酸阴离子能调节多种信号系统，这些信号系统是否间受到氢的影响，值得深入研究。

3氢气治疗的潜在优势

氢气是一种安全、高效、非常有潜力的治疗性医学气体，相比现存其它药物具有许多优点。第一，氢气可以选择性的清除羟自由基和亚硝酸阴离子。第二，氢气渗透性强，可以轻易抵达次级细胞器诸如线粒体和细胞核，而它们恰恰是产生ROS和DNA损伤的部位^[1]。第三，内源性的NO信号通路可以调节肺血管活性以及白细胞与内皮细胞的相互作用，因此氢气可能对维持内源性NO有正面作用^[11]。氢气与其它气体在治疗浓度时的低反应性使得氢气可以合并其它气体进行治疗，如吸入性麻醉气体^[12]。最后，氢气治疗在体外不会影响超氧阴离子和过氧化氢。巨噬细胞和中性粒细胞可以通过吞噬作用产生ROS来杀伤某些细菌。而超氧阴离子和过氧化氢在巨噬细胞和中性粒细胞中具有重要的生理功能^[1]。

4氢气的给药方式

4.1吸入

当氢气浓度低于4%时，氢气没有爆炸的危险。然而，安全性始终需要保证，氢气的浓度需要进行及时的监控，并通过相应的仪器设备进行监测^[13]。氢气可以通过呼吸循环机、呼吸面罩或经鼻插管吸入。这是最直接的给药方式。氢气的安全性在潜水领域已经被证实，氢氦混合气体中氢气含量49%、氦气含量50%、氧气含量1%，以此预防深度潜水时的减压病和氮麻醉^[14]。

4.2饮用富氢水

虽然呼吸氢气作用很迅速，但是作为疾病的预防和治疗手段，呼吸方式难以持续性的给药，并有一定危险性。相比之下，饮用氢气水等溶液具有明显的优势，因为更便携、使用方便和安全性高^[15]。从本质上考虑，饮用富氢水和呼吸都可以实现氢气的摄取，研究也表明饮用富氢水疗效与吸氢气类似^[16]。电解水、高压氢溶解和金属镁棒产氢均可作为制备富氢水的手段。

4.3注射氢气溶液

虽然口服氢水安全方便，水中溶解的氢很容易逸出，大量的氢气经过胃肠道时损失掉，使得控制氢气的给药浓度不易于实现。通过注射氢气溶液可以精确的控制氢气的给药浓度，而且作为一种药物的概念给临床应用提供更理想的想象空间^[17]。

5 氢气治疗的副作用

为了证实氢气水溶液的安全性，Saitoh等^[18]在大鼠身上评估了可能的体内基因毒性以及慢性毒副作用（20 ml/Kg每天，连续管饲28天，氢气浓度0.45-0.57 mM）。血液学检测结果部分有统计学改变，比如母鼠中嗜碱性细胞数。临床生化参数虽然有一定改变，如天冬氨酸氨基转移酶和丙氨酸氨基转移酶在雄鼠中下降，然而改变不具有统计学意义，且变化也未超出正常值。氢水组母鼠中脾脏重量显著增加，但是脾脏与身体重量之比没有改变，解剖学和组织病理学研究也没有发现异常改变。人体实验发现，氢水治疗组天冬氨酸氨基转移酶和丙氨酸氨基转移酶下降，而γ谷胱甘肽转移酶和总胆红素升高。但是以上改变亦没有超出临床的正常值。在一些临床效应观察的研究中，发现少部分饮用氢气水的患者发现大便稀疏、肠蠕动增加、以及头痛的不良效应^[19]。

6氢在临床疾病中的研究

自从常压氢气生物抗氧化作用被发现以来，研究者们开始探索氢在多种疾病中的治疗作用。

6.1 氢在脑部疾病的研究

Ji^[20]等在脑创伤大鼠模型与氧化损伤研究中发现， 2%的氢气在大鼠脑损伤后5分钟到5小时连续吸入，采用Evans Blue测定血脑屏障通透指数、测定干湿比含水量、行为学检测运动能力、SOD、 CAT、MDA等指标，检测血脑屏障、脑水肿、神经功能和损伤体积等氧化指标。研究结果发现，呼吸氢气对脑创伤的治疗效果明显。通过对抗氧化酶和氧化损伤指标的检测发现，氢气能增加脑组织抗氧化能力，减轻脑创伤后脑组织氧化损伤。Sato^[21]等用富氢水治疗维生素C合成障碍的SMP30/GNL基因敲除小鼠，其大脑低氧一复氧后的超氧化物阴离子形成明显降低。Nagata^[22]等持续含氢水灌胃治疗能减低脑氧化应激，防止慢性束缚应激引起的学习记忆能力下降。Fu^[23]等在帕金森病模型中，半饱和氢水能明显减轻大鼠6-羟基多巴胺诱导的黑质-纹状体变性，延缓帕金森病的发病进程。在同样的模型中，Fujita K^[24]等的研究显示给小鼠0.08 ppm的氢水即可减轻1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶诱导的多巴胺神经元的损失，预防或最大化减轻氧化应激和神经元变性对帕金森病患者生活方式有关的风险。Nagatani K^[25]等将160只雄性C57 BL/6J小鼠分成假手术组、模型组和治疗组3组，模型组动物给45分钟双侧颈总动脉结扎。治疗组呼吸1.3%氢气。结果发现氢气治疗组动物7日生存率为50%（n=10），而对照组只有8.3%（n = 12），两组比较有统计学差异（P = 0.0232）。形态学结果表明氢气可以减少脑缺血再灌注24小时后海马CA1区神经细胞损伤，减少细胞自噬数量，降低脑水肿。脑组织氧化指标8-OHdG和MDA检测结果均不同程度降低。Ono^[26]等开展了一项静脉注射氢气饱和生理盐水联合Edaravone治疗脑干梗死的临床研究，并和单独使用药物Edaravone进行对照，其中静脉注射氢气饱和生理盐水患者8名，使用Edaravone治疗患者26名。采用MRI对相对扩散加权成像、局部表观扩散系数和假性扩散成像和系数正常时间等评价治疗效果。结果发现，和单纯使用Edaravone相比，氢气联合使用Edaravone上述MRI检测指标均获得更好的改善。提示氢气对人类脑缺血治疗的前景良好。

6.2氢在五官疾病的研究

视网膜缺血再灌注损伤在短时间内即可导致眼内压升高，氧化应激产物4-羟基壬烯醛和8-羟基-2脱氧鸟苷等含量增多，引起神经元的损害。Oharazawa^[27]等的研究发现含氢盐水滴眼液局部用药能有效保护急性视网膜缺血一再灌注损伤引起的神经损害。SaitohY^[28]等在对人舌癌细胞HSC-4的生长研究中发现，用富氢水处理过的铂金纳米胶对正常舌上皮细胞DOK无明显抑制，但是能抑制人舌癌细胞HSC-4的生长，并且他们预测这与富氢水增强了铂金纳米胶的抗氧化能力有关。Qu J^[29]等为探索氢气是否对硅巴因诱导的听神经病具有治疗作用。氢气在呼吸气体中的浓度分别为1%、2%、and 4%，蒙古沙土鼠分别在硅巴因注射后1小时和6小时呼吸60分钟氢气混合气。在硅巴因诱导前和7天后，用听觉脑干诱发电位检测动物听力状态，用畸变产物耳声发射(DPOAE) 测定听细胞功能。7天后用形态学分析耳蜗和神经节。Tunel染色和caspase3免疫组织化学染色评价神经节细胞凋亡情况。结果发现，硅巴因可以诱导脑干听力诱发电位的低单音和短纯音（click and tone）在4、8、16Hz听阈移位，呼吸2%和4%的氢气能显著改善该作用。形态学结果表明2%氢气可减轻硅巴因诱导的神经节损伤和细胞凋亡。但对听毛细胞没有影响。结果表明，氢气可以改善硅巴因诱导的听神经病。

6.3 氢在心、肺疾病的研究

Hayashida K^[30]等在离体灌流心脏的大鼠动物模型中，呼吸2%氢气可以增强低氧一复氧后的左室功能，减轻大鼠心肌缺血再灌注损伤，氢气能快速到达濒临缺血的心肌部位，减少心肌梗死面积。Sun Q^[31]等在同样的动物模型中，用含富氢水治疗，同样能减少心肌梗死面积，证明了氢能保护心肌缺血一再灌注损伤。Li^[32]等用饱和氢气的生理盐水溶液在肺缺血再灌注损伤中的研究中，利用兔模型，阐明氢气可以降低氧化和炎症指标MDA、MPO、TNF-a、IL-8水平降低。同时可以提高缺血再灌注中降低的抗氧化酶SOD。Yu YS^[33]等在研究中，用8周龄雄性自发性高血压大老鼠，年龄匹配的Wistar-Kyoto为对照，随机分成氢气治疗组，对照治疗组，氢气治疗组给每天每次腹腔注射6 ml/kg，连续3月。结果发现氢气治疗对血压无明显影响，但对左心肥大具有治疗效果。富氢水可以降低左心室氧化应激，提高抗氧化酶GPx、GST、catalase和SOD等活性,抑制NADPH氧化酶活性，下调Nox2 和Nox4的表达。另外氢气对炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α和 MCP-1有抑制作用，并可以通过IκBα降低NF-κB活性。

6.4氢在肝脏疾病的研究

Daisuke Kawai^[34]等研究发现饮氢气水可以治疗非酒精性脂肪肝病，并可以降低脂肪肝病后相关肝癌的发生。他们用蛋氨酸-胆碱缺乏（MCD）饮食小鼠脂肪肝模型，将动物随机分成三个试验组：对照水组、氢气水组和吡格列酮组。检测了血清丙氨酸转氨酶水平、肝组织表达TNFa、IL-6和脂肪酸合成相关基因、氧化应激指标8-OHdG、凋亡TUNEL阳性细胞等。氢气水组和吡格列酮组比对照组上述指标均显著下降。氢气组肝脏胆固醇下降幅度比吡格列酮组小，但是在血清抗氧化指标和肝脏PPARa表达均强于吡格列酮组。然后作者又在STAMR种系小鼠脂肪性肝病相关肝癌发生的经典动物模型中，采用同样的分组方式8周后测得肝脏肿瘤发生的数量与对照组相比，氢气水组和吡格列酮组均显著下降。最大肿瘤体积氢气水组显著小于其他两组。Kang^[35]等对肝癌放射治疗患者开展了一项随机安慰剂对照试验，接受放射治疗的49名恶性肝癌患者，连续6周每天饮1.5-2.0升浓度为0.55-0.65 mM的氢气水，患者总过氧化氢水平升高、血清抗氧化能力下降和生活质量下降等均获得明显改善。生活质量方面，氢气对患者食欲下降有非常显著的改善。Fukuda K^[36]等在肝脏缺血再灌注损伤模型中，给动物呼吸2%氢气，通过监测细胞凋亡、血清转氨酶值及氧化应激等指标提示，呼吸2%氢气可以抑制肝缺血再灌注损伤引起的肝细胞死亡及自由基的毒性作用。

6.5氢在肾脏疾病的研究

Cardinal^[37]等证明长期饮用富氢水可以导致局部或者全身氢气分子含量增加，在血清和肾脏均检测到氢气分子含量增高。他们在肾移植术后患者肾功能保护的研究中发现，饮用富氢水可以治疗肾脏移植后肾脏损伤。Nakashima-K,N^[38]等给接受化疗大鼠呼吸1%氢气或者饮用氢水均可明显减轻化疗药顺铂引起的肾氧化应激和损伤，动物死亡率和体重减轻减少，体外细胞实验和在体瘤负荷实验表明氢水对化疗效果无明显影响。S0NG ^[39]等将健康、雄性的C57BL/6小鼠随机分为3组，每组10只。。假手术组(SO组)小鼠仅接受中线开腹、双侧肾蒂游离及关腹操作；缺血再灌注组(IR组)小鼠用无损伤动脉夹同时钳夹双侧肾蒂，阻断45 min，制成肾脏IR损伤模型，并于肾脏缺血同时经尾静脉注射生理盐水，5 ml/kg；实验组小鼠制成肾脏IR损伤模型，并于肾脏缺血同时经尾静脉注射含饱和氢气生理盐水，5 ml/kg。各组小鼠于肾脏再灌注6 h时后检测到实验组血清BUN和Scr水平明显低于IR组(P<0.05)。实验组肾组织病理改变较IR组明显减轻，其肾小管损伤评分明显低于IR组(P<0.01)。肾小管上皮细胞凋亡明显轻于IR组(P<0.05)。实验组肾组织内MDA含量低于IR组(P<0.05)。实验组小鼠肾组织内中性粒细胞和巨噬细胞的浸润较IR组减少(P<0.05)。实验组TNF-a、IL-6、IL-1β和IL-17mRNA的水平均低于IR组(P<0．05)。

6.6氢在内分泌疾病中研究

Kajiyama^[40]等将30例二型糖尿病患者随机分为安慰剂对照和6名糖耐量异常患者的临床研究。患者每天饮富氢水或普通水连续8周，用13种生物标志分析脂肪和糖代谢。结果显示饮用富氢水患者所有的生物指标都向正常值发展，但只有部分指标具有统计学差异（扩大样本也许有更多指标存在差异）。具有显著性改善的生物指标包括：负电性低密度脂蛋白胆固醇、小密度脂蛋白和尿液糖含量、前列腺素。6名糖耐量异常患者中4例口服葡萄糖耐受试验恢复正常，由于样本数量少和观察周期短，该6名糖耐量异常患者没有进行统计学分析。该研究结果提示，人体临床治疗效果远低于动物研究的效应。Nakao^[41]等报道了氢气水治疗20例代谢综合症的临床初步观察。氢气的浓度可以达到0.55-0.65 mM（70-80%饱和）。受试者连续8周平均每天饮用氢气水1.5-2.0L。结果发现，受试者尿液中SOD升高39%，巴比妥酸反应产物（TBARS，一种脂质过氧化标志）下降43%，高密度脂蛋白胆固醇升高8%，总胆固醇和高密度脂蛋白胆固醇比值下降13%。谷草转氨酶(AST)和谷丙转氨酶（ALT）活性无明显改变，γ-谷氨酰转移酶活性升高24%。尽管该研究不属于双盲对照，但生化指标的改善比其他临床研究结果更明显。

6.7氢在其它疾病中的研究

Buchholz BM^[42]等在他们的试验中证明呼吸氢气可减轻小肠移植的损伤，并减低移植引起的临近器官的炎症反应。Zheng X^[43]等用含氢盐水静脉注射可使肠收缩功能好转、氧化应激和凋亡减轻，从而减轻大鼠肠缺血一再灌注损伤。Kajiya M^[44]等给小鼠饮用饱和氢水7天，可显著减轻DSS诱导的炎症性肠病。Nakayama^[45]等对8个血液透析患者12个疗程的开标安慰剂对照交叉实验和21个血液透析患者78个疗程的开标实验。两项研究均发现，透析液中溶解氢气可以降低透析前后的收缩压，短期试验中发现，患者血浆中甲基胍（正常人血浆中甲基胍含量甚微，尿毒症时可高达正常值的80倍以上）显著下降。长期试验中发现，代表炎症反应程度的MCP-1和MPO均显著下降。Kinji等观察了一项14个肌肉病患者的开标试验，14名患者包括肌肉营养不良症（肌肉萎缩）、多肌炎/皮肌炎和线粒体肌肉病等，患者每天饮用氢气饱和水1升，连续12周，另外22名皮肌炎和线粒体肌肉病进行8周开标双盲随机对照试验，分别连续8周饮用0.5升氢气饱和水或对照（脱气）水。开标试验结果发现，乳酸/丙酮酸比值、空腹血糖、基质金属蛋白酶3（MMP3）和甘油三脂均显著降低，其中是反映线粒体电子传递系统功能敏感的生物标志物乳酸/丙酮酸比值比对照组下降28%，代表炎症反应程度的MMP3下降27%。双盲对照试验结果发现，只有线粒体肌肉病患者血清乳酸水平显著改善，但线粒体肌肉病患者乳酸/丙酮酸比值和皮肌炎患者MMP3虽然仍有下降，但均无统计学差异。

7 未来研究方向

氢气的治疗作用在医学领域是一个全新的研究方向。因此，现有资料缺乏氢气分子体内的作用方式和通路调节研究。根据已有的研究结果，氢气的作用最有可能是通过其自由基清除特性来实现，但是此机制需要深入研究。然而，自由基清除特性不能完全解释氢气已有的广泛作用，氢气作为信号分子的机制需要进一步证实。未来的研究需要着眼于氢气作为生物分子其具体的作用机制上。基于基础研究的结果，需要进行合理设计大规模的临床前瞻性研究来验证和确定氢气的最佳剂量、给药时机和给药方式。最重要的是需要对氢气的药代动力学、生物学和毒性有更全面的了解。

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