氢气是纠正线粒体异常的新工具

本文围绕线粒体基本功能和部分线粒体相关疾病，探讨了氢气通过线粒体功能改善实现疾病治疗的可能性。是对前文关于氢气和线粒体内容的补充。

线粒体功能的紊乱和氧化应激被认为是包括线粒体疾病在内的各种疾病发生和发展的分子基础。氢气在预防和支持治疗患有心血管疾病、帕金森病、代谢综合征、呼吸系统疾病、接受放射治疗的肿瘤患者、脑梗塞、糖尿病、类风湿性关节炎等患者方面显示出益处。然而，氢气在线粒体层面上的确切分子机制尚未完全理解。我们提出了氢气在线粒体呼吸链功能中的新机制。氢气可能是线粒体呼吸链Q循环的电子和质子的供体，从而可以通过氧化磷酸化维持辅酶Q水平并随后产生ATP。研究表明，氢气可以改变线粒体呼吸链系统的电子流方向，这取决于NAD+/NADH比率。我们还发现，氢气对非酒精性脂肪肝病患者的血小板线粒体生物能量功能有积极影响。氢气的应用似乎是针对线粒体疾病的靶向治疗的新策略。

前言

线粒体是几乎所有真核细胞中都能找到的亚细胞器官。线粒体不仅作为遗传信息的中心，也是中间代谢的核心整合器：氧化磷酸化、脂肪酸氧化、三羧酸循环、糖异生、尿素循环和酮生成。线粒体是生物体从碳水化合物、脂肪和蛋白质产生能量的主要场所，线粒体也是活性氧物种产生的主要地点。线粒体功能的紊乱和氧化应激被认为是包括线粒体疾病在内的各种疾病发生和发展的分子基础。人们正在寻找和开发针对受损线粒体再生的靶向诊断和治疗方法。大量研究表明，氢气似乎是线粒体疾病的一种新的治疗策略选择。

氢气是一种新的治疗分子

关于氢气作为一种具有抗氧化特性的天然物质的效果的第一项工作发表于2007年。氢气是一种无味、无臭、无色的小型分子。它可以深入扩散到细胞内部，轻松穿越血脑屏障，并消除大脑中的自由基。氢气中和游离氧自由基，选择性地中和羟基自由基(OH)，间接减少一氧化氮(NO)的产生和过氧亚硝酸盐自由基(ONOO_)。氢气不会中和超氧阴离子自由基(O2•−)、过氧化氢(H2O2)以及一氧化氮(NO)。氢气是非极性的双原子化合物，由两个质子和两个电子组成的气体分子，与其他抗氧化剂相比，氢气分子量为2，是分子量最小抗氧化剂。

氢气的分子量=2；维生素C=176；维生素E=431以及辅酶Q10=863，见图4.1。

图4.1 氢气和其他抗氧化剂的分子量比较。

氢气是在医学中广泛使用的物质。氢气的有益效果已在预防和支持治疗各种疾病的患者中得到证实，例如心血管疾病、帕金森病、代谢综合征患者、呼吸系统疾病、接受放射治疗的肿瘤患者、脑梗塞、糖尿病、类风湿性关节炎。所有这些疾病都与线粒体紊乱有关。吸入混合气(67% 氢气, 33% O2)改善了COVID-19患者呼吸困难、咳嗽、胸闷和胸痛，这可能是因为减轻了COVID-19引起的炎症反应。氢气在COVID-19中的积极作用的解释还与其属性有关，作为一个小的非极性分子，可以轻松迅速穿透组织和细胞。氢气可以抑制促炎细胞因子，选择性减少ROS的产生，并改善线粒体生物能量学。氢气在COVID-19治疗中的作用机制并不完全清楚，尚需要进一步研究阐明。

氢气可以通过几种方式应用，如吸入、饮用富含氢气的水、使用含有氢气的盐水溶液、含有氢气的水浴或眼药水——一种含有氢气的盐水溶液。氢气的好处包括抗氧化效应、抗凋亡和抗炎作用、基因表达的调节、防止过度激活的焦亡——程序性细胞死亡（炎症性死亡）。

氢气抑制炎症、氧化应激，减少细胞凋亡，它调节细胞分化等多种信号通路的基因表达，影响细胞能源代谢。最近研究发现，一种新的线粒体功能的介质，线粒体未折叠蛋白反应——mtUPR，对于氢气增强癌细胞增殖很重要。

线粒体特征和氢气

细胞中线粒体的数量取决于细胞的类型、功能、大小以及细胞所属的器官/组织的能量需求。血小板是直径为3-4微米的小血细胞，含有少量线粒体，从2到8个不等；而直径为110-120微米的卵母细胞则接近有10万个线粒体。在心肌细胞中，线粒体大约占细胞体积的38%。

线粒体由四部分组成，每个部分都有其特定的功能。外线粒体膜（OMM）是光滑的，将线粒体与细胞质空间分隔开，对分子量小于10,000的分子稍有选择性和通透性。OMM是从细胞质向线粒体转运蛋白质的场所。从基质中转运蛋白质需要位于接触点、线粒体渗透性转换孔（MPTP）处的复杂的TIM/TOM系统。内线粒体膜（IMM）将膜间隙与基质分隔开。IMM的折叠（嵴）用来增加这层膜的表面积。在线粒体内膜中定位有呼吸系统，与通过氧化磷酸化（OXPHOS）形成ATP相关。呼吸链系统包含五个功能复合体、辅酶Q循环和细胞色素c、c1。复合体I——NADH-辅酶Q还原酶；复合体II——琥珀酸-辅酶Q还原酶；复合体III——辅酶Q-细胞色素c还原酶；复合体IV——细胞色素氧化酶；复合体V——ATP合酶。细胞色素c和辅酶Q是呼吸链系统中的两个移动组分[20]。

复合体I、III和IV以更稳定的形式组织在超级复合体中，称为呼吸体。在超级复合体中，电子载体（辅酶Q和细胞色素c）具有较短的扩散距离，因此通过复合体的电子转移更为有效。超级复合体被认为可以减少氧化损伤并提高代谢的安全性[21]。氢气能迅速穿过生物膜，包括线粒体膜。

线粒体自由基和氢气抗氧化

线粒体是活性氧自由基（ROS）的主要来源之一。超过90%的细胞内ROS，如超氧阴离子（O₂·-）、过氧化氢（H2O2）和高度活性的羟基自由基（·OH）在呼吸链系统中形成。其他活性氧种类包括单线态氧（1O2）和过氧亚硝酸盐（ONOO·）。线粒体也是活性氮种类（RNS）的来源，如一氧化氮（NO·）和二氧化氮（NOO·）。一氧化氮调节心血管系统、中枢神经系统和免疫系统。NO与细胞色素氧化酶一起通过线粒体减少氧气消耗和ATP产生。线粒体一氧化氮通过与超氧阴离子的快速反应被消耗，形成过氧亚硝酸盐阴离子（ONOO−）。一氧化氮与泛醌醇产生泛半醌自由基，随后形成超氧阴离子[22]。线粒体通过抗氧化系统保护自己免受ROS无控制形成的侵害，包括锰超氧化物歧化酶（MnSOD）、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、细胞色素c和辅酶Q10[23, 24]。在各种涉及氧化应激的病理条件下，氢气的抗氧化作用已被证实[25, 26]。高浓度的NO可以触发与衰老相关的炎症过程[27]。

线粒体动力学、沉默信息调节蛋白和氢气

线粒体是通过将脂质和碳水化合物转化为三磷酸腺苷（ATP）来产生真核生物大部分能量的必要细胞器，这一过程通过氧化磷酸化（OXPHOS）完成。线粒体是高度动态的结构，由四个过程控制：1. 生物合成，创造新的线粒体并增加它们的数量/或体积；2. 线粒体裂变，是一个多步骤的过程，允许一个线粒体分裂成两个子线粒体。线粒体裂变异常与疾病有关；3. 线粒体融合，是指两个相邻线粒体锚定，然后融合它们的外膜的过程。通过融合形成少量大型和延长的线粒体。融合的丧失导致线粒体网络碎片化；4. 线粒体膜电位的丧失，可以通过选择性降解损伤的线粒体的自噬作用。线粒体灵活性的丧失与代谢疾病相关[28,29,30]。

线粒体ROS的产生与昼夜节律钟有关，线粒体动态过程（裂变、融合、生物合成和自噬）高度依赖于一个合适的昼夜节律，该节律受到干扰会导致线粒体呼吸功能的改变[31]。

线粒体沉默信息调节蛋白是NAD+依赖性蛋白——去乙酰化酶，通过与线粒体蛋白的相互作用和修改其数量对正常的线粒体功能至关重要[32]。三种沉默信息调节蛋白定位在线粒体中：SIRT3参与脂肪酸氧化、酮生成、氧化磷酸化、抗氧化作用和氨基酸代谢，它与复合体I（CI）和复合体III（CIII）相互作用。SIRT4结合腺苷酸转位酶。SIRT5与细胞色素c相互作用。沉默信息调节蛋白在预防炎症、肥胖、糖尿病、神经退行性疾病、心血管疾病和肿瘤性疾病等疾病的有益效果已被证实[32]。沉默信息调节蛋白是参与应激期间代谢调节、衰老、ATP形成、凋亡和细胞信号传导的传感器[33, 34]。氢气对沉默信息调节蛋白的影响需要进一步研究。

氢气和线粒体昼夜节律

昼夜节律是指生物体遵循接近24小时周期的生理、心理和行为变化。人们认为昼夜节律的发展是对地球自转和公转的反应[35]。昼夜节律影响衰老、新陈代谢、健康和疾病，包括线粒体疾病。代谢率与体型和体温有关。与线粒体相关的昼夜节律影响医学的许多领域，如衰老、神经学、心脏病学、糖尿病、新陈代谢。昼夜时钟与细胞代谢、进食周期相耦合。在各种疾病中，如癌症、心血管疾病、糖尿病和神经退行性疾病，通过间歇性能量限制或限时喂食来实现热量限制。人们认为线粒体是这些过程的组成部分[36]。线粒体经历振荡，一种周期为24小时的昼夜节律，或者是一种周期为12小时的半日生物节律。在哺乳动物中，昼夜节律由位于下丘脑的视交叉上核（SCN）调节。SCN将昼夜节律同步到大约24小时，与确切的24小时日常节律同步。SCN可以通过各种信号级联同步身体不同外周组织时钟。昼夜时钟调节睡眠、温度、体育活动和食物摄入[37]。

线粒体和细胞的昼夜生物节律对生物体、健康和衰老至关重要。关于线粒体和细胞核昼夜节律的重要氧化还原、生物能量学和温度调节的假设已发表。睡眠主要保护线粒体，清醒则保护细胞核。在睡眠期间—融合重塑线粒体，激活免疫、炎症和热休克反应。在清醒期间—高代谢率诱导氧化应激和氧化还原失衡[37]。昼夜节律性调节线粒体的形态和它们在细胞质中的分布。昼夜时钟节律性地调节NAD+的生物合成和线粒体的能量产生能力。受损的线粒体缺乏昼夜节律性。线粒体NAD+还决定了SIRT1和SIRT3去乙酰酶的活性[38]。

氢气在线粒体活性的正向调节方面表现出色，它影响了各种癌细胞的线粒体能量产生和细胞死亡（凋亡、自噬、焦亡、铁死亡），以及昼夜节律[39]。昼夜变化—线粒体OXPHOS和辅酶Q的昼夜时钟的级联可能有助于理解大脑和心肌功能改变的病理发生以及触发急性脑攻击或急性心肌梗死的机制[35]。在24小时日常周期中，心脏肌肉线粒体呼吸链复合物的功能发生变化。在实验动物中，已经证明了孤立的心脏肌肉线粒体存在12小时和24小时的生物节律，线粒体呼吸链系统的复合物I和复合物II在24小时内显示2个峰值（高峰）和2个低谷（低谷）[41, 42]。在16/29至19/31小时以及4/18至7/38小时之间，12小时心脏线粒体呼吸链功能和OXPHOS产生的ATP减少，以及CoQ10-CLOCK的变化可能有助于解释触发急性心脏病发作的机制[42]。研究表明，氢气的作用独立于昼夜时钟[43]。

氢气和线粒体衰老

衰老是一个导致线粒体ATP产生减少、线粒体脱氧核糖核酸（mtDNA）损伤、线粒体蛋白氧化、线粒体动力学失调的过程。这些衰老变化导致心血管疾病、代谢疾病和神经退行性疾病等疾病的发生。因此，线粒体是氢气在预防和治疗与衰老相关的各种疾病中效果的重要治疗靶点[44, 45]。

氢气在线粒体衰老中的有益效果已经得到证实[46]，在帕金森病和阿尔茨海默病等神经退行性疾病中也是如此。临床研究显示氢气疗法在脑梗死、血脂异常、内皮功能障碍、动脉粥样硬化、心血管疾病和代谢综合征中有益[40]。

氧化应激可能在衰老中起关键作用。ROS和RNS是由有氧细胞产生的。ROS的主要产生是在线粒体电子传输系统中，主要是复合物I和III。ROS主要由内源性途径在线粒体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶中产生，或由吸烟、饮酒、重金属和辐射等外源效应产生[47, 48]。氢气减少ROS的产生，抑制线粒体电子传输系统中的电子泄漏。氢气防止线粒体复合物I中的超氧化物生成，并降低线粒体膜电位[49]。这些氢气的能力展示了一种延缓线粒体衰老和与衰老相关的线粒体疾病新途径。

氢气和线粒体氧化磷酸化

氢气是一种具有巨大医学应用潜力的新型抗氧化剂，能够改善线粒体疾病的病理状态。研究显示，氢气在培养细胞中对羟基自由基具有清除作用，在大鼠缺血再灌注模型中对心肌和脑损伤具有保护作用，对帕金森病模型、动脉粥样硬化模型具有预防和治疗作用，能预防抗癌药物顺铂的不良反应，以及在肾移植模型中具有保护作用[50]。

在肾脏疾病的实验模型中，氢气抑制促炎细胞因子表达的能力得到了证明。氢气在实验性肾疾病大鼠模型中（由顺铂、环孢素A诱导的肾毒性），在自发性高血压大鼠的肾损伤中，以及在预防败血症急性肾损伤方面，都显示出积极效果[51]。氢气能选择性地减少氧化应激[3]。在创伤性脑损伤的实验模型中，饮用氢气水可能逆转水肿形成、tau蛋白病变、神经炎症和基因表达的影响。另一项研究表明，氢气增加了线粒体基础呼吸，但对ATP产生率没有影响[52]。

氢气可以通过多种机制预防线粒体氧化应激，例如通过阻断线粒体渗透性转换孔的开放，或通过调节线粒体动力学。氢气可以通过刺激线粒体电子传输系统增加ATP产生，增加线粒体辅酶Q的产生，并增强抗氧化剂保护来针对线粒体[53, 54]。最近证实，摄入富含氢气的水（HRW）能刺激大鼠心脏线粒体呼吸链系统，增加与CI和CII底物相关的ATP产生[53]。血浆中的CoQ9、心肌线粒体和心肌组织增加，血浆中的MDA减少[54]。

有学者提出了氢气在线粒体Q循环和线粒体呼吸链功能中的新机制[49, 53]。Q循环包含三种形式的辅酶Q：氧化型辅酶Q（泛醌）、自由基型（半醌）或还原型（泛醇）。氢气可能是Q循环中的电子和质子的供体，从而可以刺激辅酶Q的产生，并通过氧化磷酸化随后产生ATP[9, 53]，见图4.2。这些结果表明，氢气可能有助于预防/治疗心肌线粒体功能紊乱的疾病状态。

图4.2 氢气对线粒体呼吸链功能的影响[53]图例：H2–氢气；呼吸链复合物I、II、III、IV、V；Q循环–辅酶Q循环；cyt c细胞色素c；e−–电子；H+–质子；NADH–还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NAD+–烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；FADH2–还原黄素腺嘌呤二核苷酸；O2–氧气；水–水；ADP–腺苷二磷酸；Pi–无机磷酸盐；ATP–腺苷三磷酸；O2.−–超氧阴离子；H2O2–过氧化氢；·OH–羟基自由基；DNA–脱氧核糖核酸

在人类医学中，氢气减少了2型糖尿病患者的氧化应激，对潜在的代谢综合征患者有益，在MELAS（线粒体疾病）患者中降低了血乳酸和丙酮酸[50]。氢气在预防认知能力下降、动脉粥样硬化、过敏反应、炎症、氧化、青光眼模型、辐射损伤以及其他器官（大脑、肝脏、肾脏、心脏、肺、胰腺、肠道）损伤方面也显示出积极效果[17]。氢气在急性大鼠氧化应激诱导的大脑损伤模型中选择性地减少了羟基自由基。吸入氢气显著抑制了脑损伤。作者提出，氢气可以作为一种有效的抗氧化剂广泛应用于医学领域[1]。

最近展示了氢气影响线粒体呼吸链功能的可能新机制。线粒体呼吸链的复合物I与膜结合金属（镍、铁）—氢化酶靠近。如果氢化酶在复合物I中缺乏这些金属，氢气就不能被复合物I利用[3]。已经报道了无金属酶激活的frustrated Lewis pair（FLP）机制，其中Lewis碱和酸的组合可以激活氢气。如果在复合物I—CoQ线粒体呼吸链中激活了氢气，它可以改变电子流的方向，从Q循环开始向两个方向流动：从CoQ到NAD+作为RET（逆向电子传递）或通过将醌转化为醌醇作为FET（正向电子传递）；并将醌醇向前传递到复合物III和/或Q池[55]。氢气已被证明可以改变电子流的方向，这取决于NAD+/NADH比率。氢气可以中和半醌自由基，减少在呼吸链复合物III中产生的超氧阴离子，并抑制线粒体的氧化损伤[49]。氢气在线粒体水平上的确切分子机制尚未完全理解。

氢气对非酒精脂肪肝线粒体功能障碍的作用

肝脏是最重要且代谢活跃的器官，含有大量的线粒体。肝细胞参与合成代谢（糖异生、脂肪生成、谷氨酰胺生成）和分解代谢（糖酵解、脂解、尿素生成）活动。肝细胞中的线粒体在这些代谢途径中扮演关键角色。

非酒精性脂肪肝病（NAFLD）中的线粒体功能障碍：由各种因素引起的线粒体的形态和功能损伤可以导致肝损伤。其中一种肝线粒体疾病是非酒精性脂肪肝病（NAFLD）。NAFLD是一种慢性肝病，由肝脏中过量脂肪积累而引起，从单纯性脂肪变性进展到与小管炎症和肝细胞气球样变相关的非酒精性肝炎（NASH），可能伴有纤维化。线粒体功能障碍和氧化应激是NAFLD发展和进展的主要因素。其特征是不同程度的线粒体超微结构损伤、异常形态变化、呼吸链活性降低、线粒体ATP减少、外膜通透性增加、氧化应激介导的mtDNA缺失以及线粒体β-氧化受损。线粒体功能障碍如何促成NAFLD的确切机制仍未完全理解。

线粒体功能障碍影响肝脏脂质稳态，促进ROS产生和脂质过氧化，细胞因子释放和细胞死亡，从而有助于NAFLD的发病机制。NAFLD与晶状体包涵体有关。氧化与磷酸化的解耦联、自由基产生的增加和脂质过氧化导致细胞损伤。

在NAFLD患者中，显示CI连接的泄漏呼吸更高，CI连接的氧化磷酸化能力更低。CII连接的ET能力降低。氢气补充疗法提高了血小板线粒体氧化磷酸化效率（用参数1-L/P描述）、增加了内源性辅酶Q10水平并降低了NAFLD患者的氧化应激。

图4.3 氢气对NAFLD患者血小板线粒体氧化磷酸化效率、辅酶Q10和氧化应激的影响。图例：1-L/P–氧化磷酸化效率，C–对照组；NAFLD–接受氢气辅助治疗前的NAFLD患者组；H2+ NAFLD–接受氢气辅助治疗后的NAFLD患者组。**p < 0.01 与对照组相比，+ p < 0.05 与NAFLD组相比。

氢气靶向线粒体疾病治疗的新视角

线粒体疾病以肌肉无力、能量产生不足、自由基增加和有毒代谢物形成等临床特征为特点。原发性线粒体疾病通常在遗传层面上引起，可能是由于核DNA损伤或mtDNA突变所致。线粒体紊乱的次要原因包括各种外部因素，如缺血/再灌注、心血管疾病、神经退行性疾病、肾功能衰竭、胰腺和肝脏损伤、糖尿病、败血症、感染、肿瘤疾病、吸烟、饮酒、压力和衰老。

多项研究记录了氢气对许多器官和系统的保护作用。然而，氢气治疗效应的分子机制细节仍不清楚。目前尚不知道氢气是否可用于昼夜节律调节、铁死亡或焦亡调节。基于多项研究关于氢气对个体身体器官损伤的线粒体呼吸系统的有益效果，氢气的应用似乎是针对线粒体疾病靶向治疗的新治疗策略。