氢气作为治疗用医学气体的最新研究

张翠连 肖文良 张红颖

·综述与讲座·

氢气作为治疗用医学气体的最新研究

张翠连 肖文良 张红颖

氢分子；抗氧化；氧化应激

氢是最轻、最丰富的化学元素，通过核聚变产生氦为太阳提供能量来源。Ohsawa等[1]发现，氢能选择性的中和羟基，具有抗氧化、抗凋亡作用，可以保护大脑免遭缺血再灌注损伤和中风。氢气能发挥清道夫作用，选择性的减少活性氧种类，发挥有效的细胞保护作用。本综述概述氢在人体中的生理作用以及其作为治疗应用的可行性和可能机制。

1 氢气的化学性质和工业应用

氢气是一种无色、无嗅、无味、非金属且极度易燃的双原子气体，其分子式H2。1671年，Robert最先用稀盐酸和铁反应，人为的生产出氢气。游离的氢在地球上含量相对稀少，尽管宇宙众元素中将近75%为氢，但作为地球大气的组成，其含量不足百万分之一。氢气在加热或是存在催化剂的情况下极易与氧或其它氧化剂反应。1937年，“兴登堡”号飞艇爆炸证明了氢的反应活性。氢气应用的安全性已经被证实，氢气在空气和纯氧中的安全浓度分别是<4.6%和<4.1%体积分数。

目前，氢的两个最大的用途是生产肥料和加工为化石燃料。氨通过氢和氮的聚合反应产生，并成为地球上有机物营养需求的肥料前体。氢还可以被用做能量载体，将化学能量转变为机械能。

2 氢分子在人体中的生理作用

人体细胞不能产生内源性的氢，而大肠中的厌氧微生物却可以通过氢化酶降解碳水化合物产生每天多于12 L的氢气[2]。一旦进入循环，氢气只能通过肺排出体外。因此，通过氢气呼气测试用以反映胃肠道蠕动、评价小肠细菌的繁殖[3]。

氢气在人体内有三条清除途径：排气、经全身循环后由呼吸排出和肠道细菌的代谢。肠道微生物代谢氢途径：氢气的硫化、转换氢气为甲烷或是用氢气产生醋酸盐。最新研究显示，氢气在人体可能发挥着信号传导调节剂的作用，甚至被称为“第四个气体信号分子”[4]。

3 氢气用作治疗的可能机制

氢气的组织和细胞保护作用机制中，其选择性抗氧化的作用最为突出。氢选择性的减少羟基和过氧亚硝基，后两者有非常强的氧化作用，导致DNA断裂，脂类的过氧化和蛋白质失活。其中，氢气中和羟基的作用更强。氢气细胞保护作用的另一个机制可能是其增加了抗氧化酶类；再次，氢气通过抑制细胞凋亡蛋白酶-3的活性发挥其抗凋亡特性[5]；最后，氢通过下调前炎性因子，使炎性组织损伤诱发的氧化应激被抑制[6]。

4 氢气治疗的优点

(1)氢气高度的扩散性质使其能到达亚细胞结构，例如线粒体和细胞核，它们是活性氧产生和DNA损伤的主要部位[1]，但同时也是药物很难达到的地方。(2)在治疗浓度下氢气与其他气体的低反应性可以使氢气与其他治疗气体一起应用，包括吸入用麻醉剂。(3)体外实验证明氢气治疗并没有消除O2-或H2O2，后两者对巨噬细胞和中性粒细胞杀菌起很重要的作用[1]。

5 氢气的用法

5.1 吸入剂 氢气可以通过呼吸环路传送气体被吸入，例如面罩或鼻导管。氢气在空气中和纯氧中的浓度小于4%时并不会引发爆炸的风险。氢气应用的安全性已经被证实，吸入含49%的氢气，50%的氦和1%的氧的混合气体，可以用来预防在深海潜水中的减压病和氮麻醉[7]。

5.2 口服富氢水 尽管吸入氢气起效快，然而这种应用方法在日常生活中或是在疾病防治中需要连续应用的情况下并不实际。相对而言，富氢水便携，容易应用并且安全。口服富氢水与吸入氢气有同等的效果[8]。富氢水有很多制作方法，包括在纯净水中溶解电解产氢、高压将氢溶解于水以及利用水与镁反应。

5.3 注射富氢盐水 尽管口服应用安全、方便，但氢气在水中挥发倾向，进入胃肠道的氢气一部分也会丢失，从而使应用氢气的浓度不易控制。通过注射富氢溶液应用氢气可以更精确浓度的应用氢气。

6 氢气在各种疾病模型中的研究

6.1 中枢神经系统 Ohsawa等[1,7]发现，吸入氢气通过清除有害的活性氧来减小局灶脑缺血再灌注损伤模型大鼠的梗死面积。氢气通过扩散可以轻易的透过血脑屏障，所以氢气成为保护颅内神经的很有前景的治疗气体。

新生儿脑损伤的一个主要原因是围产期的缺血缺氧损伤引起的神经细胞的死亡。Cai等[9]报道吸入2%的氢气或注射富氢盐水，能降低caspase-3和caspase-12活性、减少神经细胞凋亡发挥脑保护作用。另外，脑缺血缺氧损伤后持续应用氢气5周，可以出现精神行为功能的改善。Matchett等[10]用新生鼠中度和重度脑缺氧模型得出了相悖的结果。吸入2.9%的氢气并不减少梗死面积或是脑脂质过氧化反应，但在成年鼠大脑中动脉闭塞引起的局灶脑缺血模型中出现有益的倾向。这些不同的报导可能是由于不同的实验条件，例如缺血缺氧损伤程度、动物的年龄、氢气的浓度和暴露时间不同。

氢气对神经变性疾病的防治作用。Fu等[11]报导，纹状体内注射儿茶酚胺能的神经毒素6-OHDA诱导的大鼠帕金森病模型，无论在定位注射6-OHDA之前或之后口服富氢盐水，都能有效的预防大鼠黑质纹状体变性的进展。因此，氢气可能有延缓帕金森病进展的作用。

阿尔茨海默病，与淀粉样蛋白级联、氧化应激和缺氧导致的胆碱能神经及递质的减少有关。大脑中β-淀粉样蛋白的堆积引发级联反应，最终导致神经功能障碍、退行性变和痴呆。Li等[12]发现在淀粉样蛋白β1-42引发的类阿尔茨海默病大鼠模型中，连续腹腔内注射富氢盐水2周，可以通过预防神经炎和氧化应激改善认知和记忆功能。

6.2 心血管系统 研究证实，氢气治疗能抑制心肌的缺血再灌注损伤、心脏移植引起的冷缺血再灌注损伤以及动脉粥样硬化的形成而起到保护作用。研究发现大鼠短暂的冠状动脉左前降支闭塞引起的缺血再灌注损伤，应用富氢水能通过降低血清和心肌中的MDA浓度，减弱caspase-3的活性，减小梗死面积发挥心脏保护作用[5]。

心脏移植伴随的缺血再灌注损伤，是目前认识到关于早期移植后功能障碍和慢性排斥反应[13]以及移植后冠状动脉疾病发生的主要原因[14]。Nakao等[15]利用同种异体大鼠心脏移植模型分别给予6 h或是18 h的冷缺血处理后，发现吸入2%氢气能减轻心肌损伤。另外，同时应用H2和CO能起到协同保护作用。

动脉粥样硬化和相关的心血管疾病代表了炎症和氧化应激状态，以受累血管炎症细胞和氧化产物蓄积为特征。Ohsawa等用载脂蛋白E基因敲除大鼠模型，口服氢气溶液(0.6 mmol/L)6个月能预防动脉粥样硬化的形成，部分上是通过减轻这类大鼠的氧化应激反应及其对血管的不良反应[16]。

研究表明，富氢盐水通过失活Ras-ERK1/2-MEK1/2和AKt通路及抑制ROS减轻血管平滑肌细胞的增殖及大鼠颈动脉球囊损伤后新生内膜的增生[17]。

6.3 肺脏 活性氧和抗氧化防御系统的失衡与特定的肺脏病理状态相关，例如肺炎，呼吸机相关肺损伤(VILI)和急性呼吸窘迫综合征。研究已经证实应用大鼠模型吸入2%的氢气能通过其抗氧化和抗炎作用减轻VILI。

长时间暴露在高浓度氧引起高氧肺损伤而导致呼吸功能衰竭。高氧症在2%氢气治疗下，显著减轻高氧肺损伤，这种保护作用可能是由HO-1介导的。

远离器官的损伤和有害的全身炎症继发的急性肺损伤是一种危机事件。Mao等[6]发现，肠缺血再灌注损伤引发的肺损伤大鼠模型，与单纯盐水治疗相比，富氢盐水能减少肺组织中性粒细胞浸润、脂膜的过氧化反应、NF-κβ活性以及降低前炎性因子水平。

6.4 肾脏系统 顺铂是应用于多种恶性肿瘤治疗的有效化疗药物，其疗效呈剂量依赖性。在发挥最大的抗肿瘤效果的高浓度下，顺铂本身会引起ROS的蓄积，后者在顺铂引发的肾脏毒性中起关键作用。Nakashima-kamimura等[8]发现，富氢盐水能减轻顺铂诱导的肾脏毒性。顺铂应用于在体带瘤大鼠或是体外肿瘤细胞，氢气能对抗顺铂介导的肾脏毒性而发挥保护作用，但它并没有减弱顺铂的抗肿瘤活性。

肾脏移植者绝大多数终末衰竭是由于慢性移植性肾病，以不断加重的肾功能衰竭、肾性高血压和蛋白尿的为特征。研究发现给肾脏移植的啮齿类动物模型口服氢水能预防慢性移植性肾病。

6.5 肝脏 延长肝脏的暖缺血时间可加重再灌注后的氧化应激引发严重的组织损伤。在2007年，Fukuda等[18]对大鼠模型的研究表明，吸入2%～4%的低浓度氢气，通过减轻氧化应激反应从而抑制肝脏细胞死亡、降低血清中ALT和肝脏MDA的水平，减轻肝脏的暖缺血再灌注损伤。

Kajiya等[19]研究发现Con A引起的大鼠肝炎模型中，肠道细菌释放的H2能抑制炎性反应；体外实验中，H2能抑制Con A介导的T细胞活性，从而降低TNF-α和IFN-γ的产生引起组织损伤。

阻塞性黄疸是一种危机生命的疾病，研究证实，阻塞性黄疸中过度的氧化应激能加重肝损害。Liu等[20]观察了大鼠结扎胆管引起阻塞性黄疸从而导致肝损害模型注射富氢盐水后的效果，与标准盐水相比，应用富氢盐水治疗能显著降低血清AST和ALT水平，降低组织MDA含量，降低髓过氧化物酶活性，降低前炎症因子和HMGB1水平，改善包括肝坏死在内的组织病理学变化。

6.6 胰腺 活性氧及其诱导剂在触发重度急性胰腺炎及中性粒细胞和巨噬细胞的移动和聚集中起重要作用。Chen等[21]的研究表明大鼠尾静脉注射富氢盐水，能明显降低L-精氨酸诱导的大鼠急性胰腺炎的严重程度。

6.7 肠 肠道的缺血再灌注损伤常发生在多种临床情况。与空气治疗相比，手术期间吸入2%的氢气可以减轻由于移植引起的小肠蠕动减慢，降低上调的炎性介质，这与明显减少脂质过氧化有关。

DSS诱导的啮齿类动物的大肠炎是人类肠炎性疾病的经典动物模型。口服富氢盐水(0.78 mm)能显著的减轻临床症状，预防上皮隐窝结构的破坏，从而预防DSS诱导的大鼠肠炎的形成[22]。

肠易激综合征患者，产氢细菌较产甲烷细菌占优势者有较高的腹泻发生率。因此，产氢细菌可能是以腹泻为主症的IBS患者治疗方面的治疗靶点。

6.8 眼睛 短暂的高眼压，将导致视网膜的缺血再灌注损伤，并能引起细胞的坏死和凋亡而明显使视网膜神经细胞层厚度变薄。Oharazawa等[23]将氢气滴眼液，在缺血再灌注期间持续在大鼠眼表面滴注(4 L/min)，滴眼液中的氢气能迅速渗透至玻璃体，清除羟基使视网膜免受缺血再灌注损伤起到保护作用。

6.9 听力系统 活性氧能引起耳蜗细胞和听力感觉神经的损伤。Kikkawa等[24]应用抗霉素A，使ROS产生的耳毒性直接损伤耳蜗毛细胞模型，发现高浓度的富氢介质能显著的降低ROS的产生，特别能减少细胞羟基的产生。

6.10 过敏反应 研究表明应用大鼠模型，给予口服富氢盐水能减轻速发型过敏反应，通过抑制FcεRI相关Lyn的磷酸化反应并控制下游的信号分子，后者能抑制NADPH氧化酶活性并减少过氧化氢的生成[24]。这提示着氢气的有益作用不只是体现在它的基团清除活性，还表现在调节特殊的气体信号通路。

6.11 代谢 代谢综合征与心血管疾病和2型糖尿病有关，而氧化应激在代谢综合征发病机制中起着关键性的作用。Kajiyama等[25]用富氢溶液(900 ml/d)治疗2型糖尿病患者，疗程为8周，使氧化应激的一些生物标志物水平下降，并能提高2型糖尿病患者的糖代谢。

研究表明，α-糖苷酶抑制剂可能有降低糖耐量受损或2型糖尿病患者患心血管疾病风险的作用，这种益处部分可以归功于这种药物通过增加胃肠道H2的产生而降低氧化应激。

6.12 感染 活性氧的过度产生和抗氧化防御系统的下降在感染和败血症的发病机制中起重要作用。在2009年，Xie等[26]发现，在大鼠模型中，氢气有降低氧化产物的水平、增加抗氧化酶活性、降低血清和组织中HMGB1的水平的能力，从而减轻多种微生物引发的败血症及其相关的器官功能损害。

6.13 肿瘤形成 研究表明，人类的肿瘤细胞可以产生更多的活性氧，它使肿瘤细胞有潜在的促进细胞增殖能力，加速DNA合成、血管形成、侵入和转移。Dole等[27]发现高压氢气治疗可以减小无毛白化病大鼠鳞状细胞癌皮肤肿瘤的体积。研究表明与正常细胞相比，氢气能在人舌癌细胞发挥快速的抗氧化活性而抑制其增殖。

6.14 防辐射效能：放射治疗作为特定类型癌主要或辅助的治疗方法已广泛应用于临床，然而放射线会引起胃肠道和造血系统严重损伤。Qian等[28]发现体外辐照之前，用富氢介质处理细胞能显著的抑制电离辐射引起的淋巴细胞的凋亡并增加细胞活力。在大鼠模型辐射之前给予腹腔注射富氢水，能降低氧化应激水平、增加血清内源性抗氧化酶活性，减轻辐射损伤，从而保护胃肠道细胞。

过量的电离辐射可以引起组织器官损伤从而引起急性辐射综合征。电离辐射使人体产生各种活性自由基，其中一半以上为羟基，它能引起细胞损伤。研究发现，氢气尤其是在氢水的形式下，能选择性的清除羟基，在预防医学中可能成为新型的辐射保护剂。

7 氢气治疗的不良反应

氢气不良反应包括在体的致突变、遗传毒性和大鼠模型亚急性的口部毒性。在血液和临床化学参数有一些有统计意义的变化。因为这些改变仅发生在一个性别或是临床正常范围内，这些改变并不能认为生物学意义显著，故可以忽略不计。

在人体，接受口服富氢溶液组有相似的临床化学参数改变，包括天门冬氨酸氨基转移酶和丙氨酸氨基转移酶的降低和γ谷氨酰转移酶和总胆红素的增高，所有这些参数仍在可以接受的临床范围内。另外，腹泻、肠蠕动的增加、烧心、头疼可能与氢气的治疗存在联系。

氢气治疗的观念是一个新的研究领域，因而对氢分子在体内的相关路径和进程了解的很少。从先前的数据看，氢气的有益作用部分上是由于其基团的清除特性，然而，氢气作为一个信号分子的生物学机制可能为另一途径。未来的研究需要阐明的是氢气作用的详细机制。以基础研究的结果为基础，设计合理、大规模的临床研究，来优化氢气应用剂量、时间和途径。

氢气治疗在一系列疾病的治疗选择中有很好的前景。治疗用气体的种类在不断增长，尽管仍需要进一步的研究，但是氢气作为新型的、创新性的治疗工具对当代的医疗需求起到巨大影响。

1 Ohsawa I,Ishikawa M,Takahashi K,et al.Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals.Nat Med,2007,13:688-694.

2 Strocchi A,Levitt MD.Maintaining intestinal H2 balance: credit the colonic bacteria.Gastroenterology,1992,102:1424-1426.

3 Di CM,Marinaro V,Argnani F,et al.Hydrogen breath test for diagnosis of lactose malabsorption: the importance of timing and the number of breath samples.Can J Gastroenterol,2006,20:265-268.

4 George JF,Agarwal A.Hydrogen: another gas with therapeutic potential.Kidney Int,2010,77:85-87.

5 Sun Q,Kang Z,Cai J,et al.Hydrogen-rich saline protects myocardium against ischemia/reperfusion injury in rats.Experimental biology and medicine(Maywood,N.J.),2009,234:1212-1219.

6 Mao YF,Zheng XF,Cai JM,et al.Hydrogen-rich saline reduces lung injury induced by intestinal ischemia/reperfusion in rats.Biochem Biophys Res Commun,2009,381:602-605.

7 Abraini JH,Gardette-Chauffour MC,Martinez E,et al.Psychophysiological reactions in humans during an open sea dive to 500 m with a hydrogen-helium-oxygen mixture.Journal of applied physiology(Bethesda,Md.: 1985),1994,76:1113-1118.

8 Nakashima-Kamimura N,Mori T,Ohsawa I,et al.Molecular hydrogen alleviates nephrotoxicity induced by an anti-cancer drug cisplatin without compromising anti-tumor activity in mice.Cancer Chemother Pharmacol,2009,64:753-761.

9 Cai J,Kang Z,Liu K,et al.Neuroprotective effects of hydrogen saline in neonatal hypoxia-ischemia rat model.Brain Res,2009,1256: 129-137.

10 Matchett GA,Fathali N,Hasegawa Y,et al.Hydrogen gas is ineffective in moderate and severe neonatal hypoxia-ischemia rat models.Brain Res,2009,1259:90-97.

11 Fu Y,Ito M,Fujita Y,et al.Molecular hydrogen is protective against 6-hydroxydopamine-induced nigrostriatal degeneration in a rat model of Parkinson's disease.Neurosci Lett,2009,453:81-85.

12 Li J,Wang C,Zhang JH,et al.Hydrogen-rich saline improves memory function in a rat model of amyloid-beta-induced Alzheimer's disease by reduction of oxidative stress.Brain Res,2010,1328:152-161.

13 Knight RJ,Dikman S,Liu H,et al.Cold ischemic injury accelerates the progression to chronic rejection in a rat cardiac allograft model.Transplantation,1997,64:1102-1107.

14 Tanaka M,Mokhtari GK,Terry RD,et al.Prolonged cold ischemia in rat cardiac allografts promotes ischemia-reperfusion injury and the development of graft coronary artery disease in a linear fashion.The Journal of heart and lung transplantation : the official publication of the International Society for Heart Transplantation,2005,24:1906-1914.

15 Nakao A,Kaczorowski DJ,Wang Y,et al.Amelioration of rat cardiac cold ischemia/reperfusion injury with inhaled hydrogen or carbon monoxide,or both.The Journal of heart and lung transplantation : the official publication of the International Society for Heart Transplantation,2010,29:544-553.

16 Ohsawa I,Nishimaki K,Yamagata K,et al.Consumption of hydrogen water prevents atherosclerosis in apolipoprotein E knockout mice.Biochem Biophys Res Commun,2008,377:1195-1198.

17 Chen Y,Jiang J,Miao H,et al.Hydrogen-rich saline attenuates vascular smooth muscle cell proliferation and neointimal hyperplasia by inhibiting reactive oxygen species production and inactivating the Ras-ERK1/2-MEK1/2 and Akt pathways.Int J Mol Med,2013,31:597-606.

18 Fukuda K,Asoh S,Ishikawa M,et al.Inhalation of hydrogen gas suppresses hepatic injury caused by ischemia/reperfusion through reducing oxidative stress.Biochem Biophys Res Commun,2007,361:670-674.

19 Kajiya M,Sato K,Silva MJ,et al.Hydrogen from intestinal bacteria is protective for Concanavalin A-induced hepatitis.Biochem Biophys Res Commun,2009,386:316-321.

20 Liu Q,Shen WF,Sun HY,et al.Hydrogen-rich saline protects against liver injury in rats with obstructive jaundice.Liver Int,2010,30:958-968.

21 Chen H,Sun YP,Li Y,et al.Hydrogen-rich saline ameliorates the severity of l-arginine-induced acute pancreatitis in rats.Biochem Biophys Res Commun,2010,393:308-313.

22 Kajiya M,Silva MJ,Sato K,et al.Hydrogen mediates suppression of colon inflammation induced by dextran sodium sulfate.Biochem Biophys Res Commun,2009,386:11-15.

23 Oharazawa H,Igarashi T,Yokota T,et al.Protection of the retina by rapid diffusion of hydrogen: administration of hydrogen-loaded eye drops in retinal ischemia-reperfusion injury.Invest Ophthalmol Vis Sci,2010,51:487-492.

24 Kikkawa YS,Nakagawa T,Horie RT,et al.Hydrogen protects auditory hair cells from free radicals.Neuroreport,2009,20:689-694.

25 Kajiyama S,Hasegawa G,Asano M,et al.Supplementation of hydrogen-rich water improves lipid and glucose metabolism in patients with type 2 diabetes or impaired glucose tolerance.Nutr Res,2008,28:137-143.

26 Xie K,Yu Y,Pei Y,et al.Protective effects of hydrogen gas on on murine polymicrobial sepsis via reducing oxidative stress and HMGB1 release.Shock,2010,34:90-97.

27 Dole M,Wilson FR,Fife WP.Hyperbaric hydrogen therapy: a possible treatment for cancer.Science,1975,190:152-154.

28 Qian L,Cao F,Cui J,et al.Radioprotective effect of hydrogen in cultured cells and mice.Free Radic Res,2010,44:275-282.

10.3969/j.issn.1002-7386.2014.11.051

050051 石家庄市，河北医科大学第三医院心内一科(张翠连、肖文良)；河北省廊坊市第四人民医院药剂科(张红颖)

肖文良，050011 河北医科大学第三医院；

E-mail：18533112982@163.com

R 195

A

1002-7386(2014)11-1716-04

2013-11-12)