氢气是抵御辐射损伤的保护因子

市川悠介 1,* 佐藤文平 1 武藤善治 2,3 佐藤文武 1

《Medical Gas Research》，2027 年 1‑2 月，第 17 卷第 1 期

摘要

已知氢气可将羟基自由基选择性转化为无害的水分子，进而减轻氧化应激。由于氢分子质量与质子、中子相近，还可减缓环境辐射中的中子与质子速度，发挥物理屏蔽防护作用。凭借清除自由基的化学效应与物理辐射屏蔽的双重作用，氢气能够保护细胞结构完整，有望促进生物长寿。氢气可以在环境辐射造成生物分子损伤的起始阶段进行干预，在组织、细胞层面提供全面防护，独特地降低辐射带来的损伤。本文系统梳理氢气抗氧化与辐射防护的现有研究成果，阐述其缓解氧化应激、保护细胞免受环境辐射损伤的作用，并提出全新假说：氢气具备广谱抗辐射损伤能力，有望助力实现生物长寿。

引言

人类不仅会接触 X 射线这类医用人工辐射，还持续暴露于宇宙射线、土壤与建筑材料所含放射性物质带来的环境辐射 1⁻2。地球环境辐射剂量整体偏低，日常生活中人体难以感知其影响；但宇宙射线会对飞行员、宇航员造成严重健康威胁 3。飞行员的飞行时长受到管控；宇航员执行太空任务期间会出现衰老加速现象。这提示，即便是地球上的低剂量环境辐射，长期累积也可造成细胞损伤、加速衰老。

环境辐射诱发细胞损伤存在两种机制。第一种是辐射自身能量带来的直接损伤。第二种为间接损伤：辐射与体内水分子作用，生成高活性羟基自由基（・OH）。羟基自由基属于强氧化剂，可对 DNA、脂质、蛋白质造成不可逆破坏⁴。日常生活完全规避辐射暴露并不现实，因此有效的防护策略，既需要辐射屏蔽手段，也需要高效清除体内生成的羟基自由基。理想的辐射防护剂应当同时具备削弱辐射本身、清除辐射继发产生的羟基自由基两种能力。

近年来，氢气凭借可将羟基自由基转化为无害水的独特能力，受到医学界关注⁵。氢分子体积极小，极易穿透细胞膜与细胞器，扩散至人体广泛组织区域，高效缓解局部氧化应激⁵。此外，氢气可以降低重离子、中子的动能，提示其在体内、体外均具备潜在辐射防护效应⁶。因此，氢气可针对辐射诱导的氧化应激以及辐射直接损伤实现双重防护，是抗衰老、维护机体健康的极具前景的手段。

当前很多还原论研究只聚焦衰老的某单一环节，难以维持整体细胞与组织稳态。与之不同，氢气可直接清除辐射产生的羟基自由基，使细胞维持低损伤状态，对整个生物体提供全面保护。即便追求长寿目标，氢气也可以作为现有干预手段之外一种独特且具备互补价值的方案。

本文系统综述氢气抗氧化、抗辐射的现有研究，探讨氢气缓解辐射介导氧化应激的作用；进一步分析氢气促进生物长寿的潜在机制，剖析所有生命体都要面对的衰老与死亡这一基础科学难题，加深我们对于延长健康寿命、自然寿命可行性的理解。

方法

撰写本文时，检索 PubMed、Web of Science、Google Scholar 数据库，收集截止 2025 年 7 月的文献。检索关键词组合：hydrogen、molecular hydrogen、oxidative stress、radiation、cosmic radiation、hydroxyl radical、radioresistant bacteria、anti‑aging。纳入同行评审英文文献，研究主题为氢气对氧化应激、辐射损伤、衰老的相关效应；排除非同行评审文献（例如会议摘要）、无关研究、缺少机制数据的文章。同时回溯纳入文献的参考文献列表，筛选更多相关研究。

羟基自由基：细胞损伤的重要来源

细胞组分损伤主要由羟基自由基驱动。如同汽车发动机燃烧汽油与氧气获取动力，生物细胞依靠线粒体呼吸产能：利用氧气氧化食物来源的糖代谢产物⁷，该过程即线粒体呼吸。汽车发动机燃料不完全燃烧会积累炭黑，造成机件损耗；同理，被称作细胞 “发动机” 的线粒体发生氧化不完全，就会生成羟基自由基，继而造成线粒体损伤。

线粒体内，电子、质子向氧分子转运生成过氧化氢；过氧化氢在亚铁离子（Fe2⁺）等过渡金属离子参与下，经芬顿反应产生羟基自由基（反应式 1）⁸。电离辐射使水分子发生水辐解，同样可以生成羟基自由基（反应式 2）⁹。哺乳动物细胞含水量很高，受辐射之后细胞内部就会产生羟基自由基。X 射线等辐射暴露后出现的线粒体功能下降、基因组不稳定，主要就来源于细胞内水分子辐解所生成的羟基自由基 1⁰。

反应式：

环境辐射

日常生活中的辐射并不仅仅来自放疗医疗设备。宇宙外层空间来的宇宙射线是一大重要辐射源 1。例如国际空间站宇航员每日接受 0.5‑1.0 mSv 的低剂量宇宙辐射 2。根据联合国原子辐射效应科学委员会 11、国际辐射防护委员会 12 权威评估，地球普通人每年受到天然本底辐射大约 2.4 mSv。原初宇宙射线大部分被地球大气阻挡，难以抵达地表；但宇宙射线和大气粒子相互作用产生的次级辐射会持续穿透人体。大气可以防护宇宙辐射，但防护并不彻底 13。

除宇宙来源之外，土壤中的天然放射性物质带来陆地辐射 1⁴；建筑材料中也含有微量放射性元素，我们身处室内时，墙壁、屋顶会持续释放辐射。本文将这类天然本底辐射统称为环境辐射。

苏格兰物理学家查尔斯・汤姆逊・里斯・威尔逊发明的云室，可以直观显现环境辐射 1⁵，网络上有大量云室演示视频，可以直观感受日常辐射暴露水平。已经证实：地球上人体衰老进程是缓慢发生的；而宇航员身处太空，宇宙辐射暴露增加，衰老会加速 3。虽然环境辐射产生的羟基自由基总量通常低于正常呼吸代谢；但放疗后线粒体中可以观测到超氧阴离子、过氧化氢等活性氧升高 1⁶。人体含水量约 60%，环境辐射可通过细胞内水分子辐解生成羟基自由基 3。在极度缺水环境，水分子匮乏，羟基自由基很难生成。因此，水熊虫、休眠摇蚊幼虫这类可以进入脱水隐生状态的生物，具备极强的高辐射耐受能力 1⁷⁻1⁸。原因就是细胞内水分大幅减少，抑制水辐解产生羟基自由基。反观人类，细胞含水量丰富，环境辐射产生的羟基自由基可以近距离接触染色体 DNA，攻击脱氧核糖碳原子，造成 DNA 链断裂。如果断裂发生在抑癌基因，突变就会扰乱细胞周期调控，诱发肿瘤 1⁹。

如果羟基自由基攻击 DNA 以及其他生物大分子带来的累积细胞损伤，是衰老以及难治疾病的底层诱因，那么清除细胞内羟基自由基，就有望成为对抗衰老及其相关疾病的策略（图 1）。下一部分将讨论长期环境辐射暴露扰乱机体稳态的相关内容。

长期环境辐射暴露扰乱生物稳态

埃隆・马斯克旗下 SpaceX 提出人类火星定居长远计划，但太空强宇宙辐射是宇航员面临的重大健康威胁 2⁰。即便不离开地球，穿透大气层的次级宇宙辐射暴露，也和肿瘤、心肌梗死、先天畸形发生率上升、死亡率升高存在关联 3。在地球生物演化史中，次级宇宙辐射参与过大灭绝事件，地质时间尺度上还会提升 DNA 突变发生概率。

有研究显示，巴西圣保罗人群总死亡率与次级宇宙辐射暴露存在统计学显著相关 21。人体虽具备应对外界应激的稳态反馈机制，但面对细胞内水辐解源源不断生成的不受控羟基自由基，依然十分脆弱。这类自由基化学性质活泼，无差别攻击 DNA 等各类生物分子，不受机体调控。

存在颇具争议的 辐射兴奋效应（hormesis） 假说：认为小剂量辐射如同弱毒素，会带来有益的刺激效应 22。但作者认为该结论仅来自细胞、动物实验，在人类身上尚未得到证实。即便是低剂量辐射，产生的羟基自由基依旧会给细胞组分带来随机性潜在有害损伤，造成不可预测的生物学后果。例如肿瘤放疗副作用，辐射除杀伤肿瘤，也会损伤周围正常组织；即便是精准放疗技术，依旧很难完全规避旁效应损伤。而目前一个很有前景的手段就是利用氢气选择性清除羟基自由基，在中和羟基自由基的同时，不干扰其他具备生理功能的活性氧。

“症状前疾病” 概念：机体病理过程已经启动，但尚未出现可观测临床症状 23。本文提出假说：长期环境辐射暴露会逐步侵蚀生理稳态，进入症状前疾病状态，并最终发展成为显性难治疾病。

实现长寿需要思考的问题

近年清除衰老细胞的 衰老裂解药物（senolytic） 研发竞争十分激烈 2⁴。该类药物研发思路：靶向细胞内外特定基因产物，通过抑制或激活靶分子清除衰老细胞。但药物必然存在副作用；衰老裂解药物清除衰老细胞，本身就意味着药物会对细胞产生一定毒性。例如从荜澄茄中提取的胡椒龙葵碱，通过升高细胞内活性氧水平来清除衰老细胞 2⁵；该物质下调抗氧化蛋白氧化抵抗蛋白‑1，而氧化抵抗蛋白‑1 调控多种抗氧化酶表达 2⁶。抑制氧化抵抗蛋白‑1 会升高细胞活性氧，因此依靠下调该蛋白的药物，能否真正延缓衰老，尚存疑问。

调控衰老的核心思路，并不是 “清除衰老细胞”，而是 “维持细胞年轻状态”。如果羟基自由基是衰老加速的驱动物质，那么就需要构建可以安全清除羟基自由基的微环境，让损伤较轻的细胞持续保持年轻状态。

最小双原子分子 —— 氢气

人类持续受到环境辐射侵袭，推动机体逐步衰老、机能变差。环境辐射进入人体，与体内水分子反应，生成不受控的羟基自由基。而氢气就是清除体内羟基自由基的 “守护分子”2⁷。已有大量文献证实氢气可以改善人、动物的辐射损伤 2⁸⁻2⁹。本文从新视角阐述两大核心作用机制。

机制一：辐射穿透生物体，使细胞内水分子裂解产生羟基自由基；氢气是为数不多可以和羟基自由基发生反应，并将其转化为水分子的物质（图 2）⁵。羟基自由基氧原子带有单个未成对电子，反应活性极强，属于生物体系中氧化能力最强的活性氧之一⁴。它活性极高，可以夺取共价键稳定分子上的氢原子，立刻无差别破坏膜脂质、DNA、蛋白质等关键生物大分子。

氢气是两个氢原子通过 σ1s 成键轨道共用电子形成的相对稳定双原子分子 3⁰。H‑H 键解离能约 436 kJ/mol，常态下性质稳定；但可以和羟基自由基这类高活性自由基反应。羟基自由基靠近氢分子中的氢原子，夺取氢，自身转变为水分子（图 2）。该反应被认为是体内羟基自由基解毒的潜在途径。理想状态下，在羟基自由基不可逆损伤 DNA、脂质等关键细胞组分之前，就被氢气选择性清除。因此体内充足的氢气供给，是缓解氧化应激的重要策略⁵,31。

氢气作为最小双原子分子，可以轻松穿透细胞膜，到达全身各处细胞与细胞器，从脑组织一直到肢体末梢。它既可以清除全身细胞呼吸产生的羟基自由基，也可以清除全身环境辐射诱发生成的羟基自由基，守护年轻细胞。如果衰老本质是羟基自由基造成细胞熵增加，氢气清除羟基自由基，就可以维持细胞稳态，抑制细胞熵增（图 2）。

氢气把辐射水裂解生成的羟基自由基还原为水分子，在细胞、动物辐射模型中可以显著改善辐射损伤 2⁸。例如氢气可以提升放疗肝癌患者生存质量，降低调强放疗晚期肿瘤患者的造血系统损伤 2⁹,32。

机制二：氢气本身具备辐射减速屏蔽效应。可以降低银河宇宙辐射重离子、太阳高能粒子质子，以及宇宙射线‑物质相互作用产生的中子动能，对侵入体内细胞的辐射起到屏蔽效果，保护机体生物大分子不被辐射破坏⁶。氢气辐射防护效率高的原因：氢原子质量和中子、质子接近，碰撞过程能量传递效率最高，能够有效减速入射辐射；质量更大的原子核能量传递效率低，屏蔽效果有限。因此高氢含量材料辐射屏蔽性能最优。航天项目研发环境辐射屏蔽材料，就大量选用富含氢原子的材料 33。尤其氢气受辐照时不易分解，不会产生次级辐射，是理想辐射防护剂 33。后文提出假说：机体内生成的氢气可发挥环境辐射屏蔽作用，参与生物辐射防御。

耐辐射细菌耐辐射机制的新假说

耐辐射细菌，即对辐射具备高耐受能力的细菌。最早在 γ 射线灭菌罐头食品中发现耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans），后续陆续发现多种耐辐射微生物 3⁴⁻3⁵；这类细菌同时对过氧化氢耐受 3⁶。现有解释耐辐射的假说包括 Rec 家族 DNA 修复相关基因 3⁷、锰复合物 3⁸、热休克蛋白 3⁹，但都无法完整解释其耐辐射特性。过去认为耐辐射奇球菌耐辐射来自强大 DNA 修复能力，现在研究发现：保护蛋白质免受辐射氧化损伤，比保护 DNA 更加关键3⁸。

除耐辐射奇球菌之外，严格厌氧的超嗜热古菌（深海、热泉）同时耐高温、耐辐射 3⁹⁻⁴3。在生物学功能层面，氢气在微生物体系中地位，如同它在元素周期表中的位置一样关键⁴⁴。地球大气尚未出现氧气的远古时代，原始微生物利用热液流体与地幔矿物反应溶解在海水中的氢气获取能量。原始微生物拥有氢化酶代谢氢气；耐辐射奇球菌同样携带氢化酶⁴⁵。氢化酶分为两类：[FeFe] 双核铁活性位点、[FeNi] 铁‑镍活性位点。氢化酶催化氢气参与可逆氧化还原反应，既可以分解氢气，也可以裂解水产生氢气（反应式 3）⁴⁶。原始生命在富氢环境利用氢气产能；氢匮乏环境，通过还原质子生成氢气。可以说原始生命的胞内、胞外，都长期处于富氢环境⁴⁷。

拥有氢化酶的细菌属于厌氧菌，不代谢氧气，因此不会遭受氧代谢产物羟基自由基的攻击。本文提出假说：这类厌氧微生物的耐辐射能力，来源于抵抗水辐解产生的羟基自由基。对于深海超嗜热古菌与耐辐射奇球菌，假说如下：富氢的微环境抵御外界辐射；微生物胞内氢化酶产生氢气，快速将水辐解生成的羟基自由基还原为水分子，保护 DNA 与蛋白质免受辐射损伤。

人体肠道定植拟杆菌、厚壁菌等携带氢化酶、可产氢的细菌；这类细菌有益于人体健康，抑制衰老⁴⁸。有意思的是，动物肠道样本中也检出奇异球菌属微生物⁴⁹。已有研究分析耐辐射奇球菌表面糖蛋白与人体健康的关联，但糖蛋白和人体健康的确切关系尚不充分。如果耐辐射奇球菌有益于人体，或许可以从这类微生物共有的氢化酶、氢气代谢角度去解析。

氢气疗法用于减轻宇宙射线诱发的创伤性脑损伤的潜力

除肿瘤、心血管疾病，宇宙辐射对中枢神经系统的危害是宇航员重大健康风险。来自太空的环境辐射穿透大脑，生成羟基自由基，加速神经元衰老，提升帕金森病等神经退行性疾病发病风险（图 3）⁵⁰⁻⁵1。

战争、恐怖袭击爆炸事件幸存者，冲击波可以造成颅脑损伤，即创伤性脑损伤（TBI），引发高级脑功能障碍⁵2。除爆炸冲击之外，长期宇宙辐射暴露也会损伤维持中枢稳态的小胶质细胞，诱发创伤性脑损伤⁵3⁻⁵⁴。

氢气可以有效抑制神经退行性疾病细胞衰老，对创伤性脑损伤同样具备改善潜力⁵⁵。氢气能够透过血脑屏障到达脑深部组织，把羟基自由基还原成水分子；减轻神经组织严重 DNA 损伤与氧化应激，促进创伤性脑损伤修复，减轻慢性炎症。定期吸入氢气，可持续保护大脑，对抗长期环境辐射造成的脑损伤（图 4）。

人体肠道细菌虽然可以产氢，帮助细胞抵御环境辐射，但内源产氢量不足以对抗辐射带来的衰老效应。因此需要外源性摄入氢气（例如吸入），发挥抗衰老作用⁵。

氢气作为下一代清洁能源备受关注；它的洁净属性同样适用于医学⁵⁶。如同汽车用氢气替代碳基燃料，减少积炭、延长发动机寿命；氢气把羟基自由基还原为水分子，保护细胞的 “发动机” 线粒体，避免线粒体老化，维持细胞年轻状态，最终助力细胞长寿。

结论

本文综述表明：环境辐射通过细胞内水分子辐解生成羟基自由基，造成细胞损伤，加速衰老。氢气具备独特能力，可以选择性将羟基自由基转化为无害水分子，同时还能衰减、屏蔽辐射本身，兼具辐射防护与抗衰老双重作用。不同于传统以清除衰老细胞为目标的策略，氢气提出新范式：保护功能完好的年轻细胞，维持其原始状态。

耐辐射细菌、代谢氢气的肠道菌群相关证据提示，在生物演化历程中，氢气很可能发挥了广谱的生命抗辐射保护作用。氢气可自由扩散至全部器官与亚细胞结构，有望改善创伤性脑损伤、神经退行性疾病等神经系统疾病。研究成果不仅关系健康寿命提升、疾病预防，也为人类太空探索面临的难题提供潜在方案。

在居住舱内维持安全浓度氢气，持续低水平吸入氢气，是缓解氧化应激、抑制辐射介导细胞损伤的可行方案。该方案可作为传统物理屏蔽手段的补充，为极端环境下人类生存提供可持续策略。

总而言之，氢气不应仅仅被视作一种抗氧化剂，更是守护生命抵御辐射的守护分子。

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