氢气医学 博士学位论文【2024英】
最近关于氢医学的新闻非常多，但大多数都是负面的，主要是新闻报道了一些氢疗馆夸大宣传，声称氢治疗疾病效果的情况。不过，学术界关于氢气治疗疾病的研究确实非常多，也非常热门。最近英国有一篇博士学位论文就是围绕这个学术方向的。该博士学位申请人在过去几年也发表了大量相关学术论文。该博士学位论文对氢医学进行了整体全面介绍，参与研究范围也非常广泛，有效应观察也有机制探讨，有学术综述也有个人观点，有动物效应也有植物学研究。简直是一本百科全书形式的学位论文。不过我觉得这也没有问题。英国人历史上就比较喜欢从哲学角度看学术，这从牛顿时代就这样。英国还有个著名学者伯特兰·阿瑟·威廉·罗素就是数学家和哲学家，且曾经因为写了一本哲学书获得了诺贝尔文学奖。本文作者也叫罗素。
标题：氢气和氢氧混合气体的生物活性及其治疗潜力研究
作者：格蕾丝·罗素
正文字数：39,256字
本文是为了满足英格兰西部大学布里斯托尔分校应用科学学院哲学博士学位要求所提交的论文。
本研究项目部分由英国水燃料工程公司资助，并与之合作进行。
英格兰西部大学应用科学学院，布里斯托尔
提交日期：2024年7月
摘要
氢气和氢氧混合气（66% H2/ 33% O2）能够缓解成人多种疾病的影响。作为一种抗炎和抗氧化剂，据报道氢气的使用可以通过减轻过度炎症反应和降低氧化应激来促进恢复。
由于目前尚未明确氢气活动的具体机制，缺乏主要目标的识别，再加上给药方法（例如剂量和剂量频率，以及治疗的长期效果）方面的困难，需要对氢气进行研究以证明其是否应该以及如何合理有效地融入医疗保健中。
为了更好地理解氢气活动背后的分子机制，并确定氢气是否可以作为有效的营养品使用，本论文采用了一系列生物信息学、理论和实证方法探讨了氢气的作用方式及其影响。还讨论了氢气如何到达远端躯体部位，以及随后的细胞效应。
在使用氢氧混合气评估氢气对永生化B淋巴细胞、线虫和种子的影响之前，评估了HydroVitality™碱性水电解器的气体纯度、流速和注入限制。将细胞暴露于溶解在细胞培养基中的氢氧混合气中，发现单次注入即可抑制TK6恶性细胞的复制。进一步分析显示Sub G1期DNA显著增加，表明凋亡增加。此外，本论文中描述的证据指出了复合体1（线粒体）亚单位与古老古菌和细菌种类的氢化酶之间可能存在的进化关系。
总之，本研究涵盖了一系列理论，包括氢气的进化需求、氢气如何在植物和人类中在分子层面相互作用，以及氢气给药对恶性细胞的影响，通过提供新颖的实验方案和创新理论深入探讨了氢气的生物活性。
第一章：氢气的多功能医疗潜力
1.1 治疗性气体
治疗性和医用气体定义为专门制造并包装用于医疗保健设置的气态产品。常用的医用气体包括氧气（O2）、医用空气（含78%氮气(N2)，21%氧气，0.9%氩(A)，以及0.1%主要由二氧化碳(CO2)、氦(He)、氢(H2)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)组成的混合物）。氮气和碳气化合物（例如，一氧化二氮(N2O)和一氧化碳(CO)）也被用作提供剂量依赖性的麻醉和抗炎益处的治疗（Müller, 2015, Ryter, 2020）。这些气体在医疗保健中的需求导致了复杂的输送装置在医院内的构建，专门设计用于将多条气体线分配到多个设施，包括手术室、恢复区和病房（Salah, Osman, and Hosny, 2018）。医用气体经常被用作医院护理中的麻醉剂、诊断剂和治疗剂（Rosewarne, 2005），并且经常被开处方作为慢性病患者的家庭治疗（Saleem等，2023）。
虽然关于氢气治疗和疗法在哺乳动物生理学中的有益效果的研究相对成熟，但最近的研究已经从氢气扩展到了氢氧（一种由66% 氢气和33% O2气体组成的混合物）作为潜在的治疗剂，这两种气体（氢气和氢氧）都在本论文中予以考虑。
氢（H）是周期表的第一个元素，约占宇宙元素质量的75%。它是已知最轻的（重量： 1.00784g/mol）原子粒子。尽管如此，由于地球的重力无法保留原子氢，它通常与其他元素结合，形成如水(H2O)和烃（有机）化合物等分子（Coppola等，2011）。在自然条件下，氢气由两个原子组成，形成双原子氢气气（分子量： 2.016g/mol）（Di Lullo, Oni and Kumar, 2021）。由于其电荷中性、非极性和低分子量，氢气在生物系统中高度可扩散，通过血液/大脑、胎盘和睾丸屏障、脂质膜、细胞质液体以及进入包括细胞器在内的细胞隔室相对不受阻碍（Barancik等，2020）。氢气的这一特性是有利的，因为传统的抗氧化剂缺乏这些能力，因此可能在治疗上效果较差（Ichihara等，2015）。
内源性氢气由肠道微生物（如梭状芽孢杆菌和大肠杆菌种类的细菌）对碳水化合物养分的发酵产生，其中氢气的形成主要来自丙酮酸、甲酸或还原吡啶核苷酸（即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/黄素腺嘌呤二核苷酸(NADH/FADH)）的氧化（McKay, Holbrook and Eastwood, 1982）。
因此，氢气可以影响细胞内的酸碱或氧化还原化学。相反，内源性氢气的含量不足以具有治疗优势，氢气的药物应用主要通过三种替代方法进行：吸入氢气，溶解在水中的氢气（富氢水：HRW），或通过盐水/氢气静脉输注（富氢盐水：HRS）（Russell等，2021）。
氢气被美国食品和药物管理局（2014年）归类为“普遍认为安全”（GRAS）产品，并在欧盟（EU委员会规定1129/2011第C组I部分）和英国（食品标准局，2018年）被视为食品补充剂（E949）。此外，吸入氢气被认为是一种生物学安全和非侵入性过程，多年来一直用于预防深潜员高压神经综合症，没有记录到不良效应（ZetterstrÖm, 1948）。
1.1.1 氢气作为医疗气体的简史
摘自出版物《氢气作为药物：给药方法评估》（Russell等，2021年）
自从Henry Cavendish在18世纪中期到晚期（1766年）发现氢以来，氢已被证明作为一种医疗气体在动物和人类中都有很好的耐受性（Hancock和LeBaron, 2023年）。许多关于这些新发现气体的最初研究是在1700年代末由Antoine-Laurent Lavoisier、Carl Wilhelm Scheele和Joseph Priestly等杰出科学家进行的（图1.1）。
图1.1 氢气医学研究时间线。线性图表描绘了关于氢气及其医疗应用的主要发现。
在1940年代，Arne ZetterstrÖm因创造了Hydrox气体而受到赞誉，这是一种氢气和氧气的混合物（分别为96%和4%），它允许深海潜水员下潜至500米的深度，通过预防减压病（ZetterstrÖm, 1948）。氢氧混合物可以压缩进钢瓶，因为氧气的低浓度使得这种组合物不易燃，这一因素使得这种氢气输送方法对于探索、工业使用和潜艇救援非常有用。
尽管氢气作为吸入治疗的普及和证明效果，但在1975年之前，医学研究的进一步进展并未取得进展，当时Dole及其同事意识到高压给药（95% 氢气/8大气压）持续10-14天可以减少小鼠模型中的鳞状细胞癌（Dole, Wilson and Fife, 1975）。尽管这一发现具有革命性，但医学氢气研究再次停滞，直到二十年后该领域的关键文章发表（Shirahata等，1997），其中展示了通过电解水产生的氢气可以保护脱氧核糖核酸（DNA）免受氧化损伤。然而，对医学氢气的研究再次陷入停滞，直到2007年Ohsawa在日本生物化学与细胞生物学系，日本医学院的实验室报告了氢气在啮齿动物模型中缺血再灌注损伤的抗氧化效应（Fukuda等，2007; Ohsawa等，2007）。自那以后，人们对氢气作为一种医用气体的效果重新产生了兴趣，这个有希望的医学领域的研究正在迅速发展。
近二十年后，现在越来越多的文献记录显示，氢气在植物（Russell, Zulfiqar and Hancock, 2020; Hancock, Russell and Stratakos, 2022）、动物（Tsubone等，2013; Yamazaki等，2015; Sobue等，2017; Ji, Zheng and Yao, 2019）和人类（Senn, 1888; ZetterstrÖm, 1948; Ostojic, 2015; Ge等，2017; Ono等，2017; Nogueira等，2021）中具有强大的细胞保护作用，在这方面，氢气既有预防性也有治疗性的潜力。
1.2.2 氢气作为抗氧化剂
可以说，细胞的氧化状态是在疾病或受伤期间最基本被破坏的细胞过程。作为现代人，我们在日常生活中接触到氧化剂，从生活方式选择如摄入酒精和加工食品，到化学品和防腐剂、吸烟以及车辆排放（Sharifi-Rad等，2020）。活性氧和活性氮物种（ROS/RNS）能够影响包括基因转录和线粒体活动在内的基本过程，通过修改必要的蛋白质和保护膜。这些分子在化学上是不稳定的，对氢原子有很强的亲和力。抗氧化剂可以抵消损害性的氧和氮活性物种的影响，然而，像抗坏血酸（维生素C）这样的抗氧化剂虽然短期内有效，但如果大量服用会在体内积累，导致不良反应，包括消化不适、肾脏或肝功能异常（Doseděl等，2021）。由于氢气高度扩散，这种积累不会发生，多余的氢气会被呼出（Hammer等，2022），因此氢气疗法可能比传统的营养补充剂具有更大的治疗价值。对氢气影响的研究表明，其具有围绕线粒体的细胞保护作用。在这里，氢气已被证明能有效地降低ROS/RNS水平（即羟基自由基(•OH)和过氧亚硝酸盐(ONOO-)）（Ohsawa等，2007; Ohta, 2012; LeBaron等，2019a; Ishibashi, 2019; Ohta, 2021）。由于它们对氢原子的高亲和力，•OH和ONOO-导致细胞膜氧化、DNA损伤、蛋白质修饰以及糖组降解（Di Meo and Venditti, 2020; Juan等，2021）。这种氧化应激与加剧的炎症反应相互关联，已知这会进一步破坏细胞完整性。此外，线粒体膜完整性的改善也被识别为显著减少功能障碍能量动态的因素，这种能量动态会增加细胞压力和ROS产生（Ishihara等，2020）。重要的是，尽管氢气已被证明能有效减轻有害自由基物种，但氢气直接还原潜力也受到质疑（Penders, Kissner and Koppenol, 2014; Hancock and Russell, 2021; Li等，2021），这将是本论文第4章第4.2节讨论的主题。
研究氢气对基因转录的影响显示，氢气展现出激活核因子红细胞2相关因子2（Nrf2）的特性，这是一种已知通过与抗氧化反应元件（ARE）结合来诱导基因转录的蛋白质（Fang等，2020）。ARE是一种顺式作用增强子序列，负责表达200多种细胞保护性肽、蛋白质和酶。一旦从其伴侣蛋白Kelch样ECH相关蛋白1（KEAP1）释放出来，Nrf2可以转移到细胞核中，刺激几种蛋白质的转录和翻译，其中许多增强了抗氧化能力（Ulasov等，2022）。这些包括过氧化氢酶（CAT），它去除过氧化氢（H2O2），超氧化物歧化酶（SOD），它去除超氧化物，以及其他酶和小的氧化还原活性分子，如谷胱甘肽（GSH）、血红素加氧酶（HO-1）和各种过氧化物酶（-Px）（Liu等，2021）。尽管氢气相互作用的分子靶点尚未明确，进一步的研究还注意到氢气疗法影响凋亡，并在多种疾病模型中具有抗氧化和抗炎作用，包括呼吸系统、代谢性和肿瘤性疾病（Ge等，2017）。
现在广泛接受的是，氢气在生物系统中减少氧化和亚硝化应激（Han等，2016；Trivic等，2017；Chen等，2019a；Zhu, Cui和Xu, 2021; Deryugina等，2023a），通过这样做可以减少非恶性细胞中的凋亡和炎症反应，尽管这里的主要机制仍然未知。由于这种双原子分子的物理性质（第1章，第1.2节），它不太可能被视为典型的信号分子，依靠受体结合机制或电化学吸引来调节细胞反应（在第4章讨论）。鉴于氢气影响了平衡细胞的还原/氧化状态（Shirahata等，1997；Ohno等，2012；Ishibashi, 2019）、影响基因转录（Fang等，2020）和线粒体功能（Ishihara等，2020）等基本活动，值得探索氢气基疗法是否可能影响其他多样化的途径（第4章，第4.3和4.4节）。
1.2.3 氢气作为凋亡的调节剂
凋亡是一种固有的细胞机制，负责在发育过程中、感染或疾病期间去除细胞。这一重要途径也以不引发炎症反应的方式消除恶性细胞以及癌前和病毒感染组织，因此凋亡可以被视为一种受调控的细胞死亡形式（Zamaraev, Zhivotovsky和Kopeina, 2020）。这个基础和保护性的进程有三个主要的触发因素，称为外在途径、内在途径和细胞毒性T细胞途径（Gatzka和Walsh, 2007）（图1.2）。
图1.2 凋亡启动的机制。左：外在途径响应环境分子刺激。中：内在途径，或线粒体激活途径。右：通过T细胞连接激活。
外在途径激活凋亡涉及恰当命名的“死亡受体”（例如，TNF相关凋亡诱导配体受体1（TRAIL-R1/死亡受体4（DR4）），它们从周围环境接收信号，通过内在信号级联将信息传递到细胞核（Lossie, 2022）。这种激活通常是辐射损伤（例如，晒伤）、毒性（例如，细菌毒素或毒药）或引发增强免疫反应的感染的结果。相比之下，内在或线粒体依赖途径通常由缺氧或ROS/RNS水平升高激活，通常是代谢不稳定和DNA损伤的结果，这在癌症、心血管疾病和2型糖尿病等疾病中很常见（Lossie, 2022）。
T细胞启动的凋亡涉及细胞毒性T细胞，即淋巴白血球（WBCs），它们是免疫反应的一部分，特别是在寄生虫和病毒感染期间。这些T细胞的表面有特定的蛋白质（CD8+），可以识别其他细胞表面的抗原分子（Zhu, Petit和Van den Eynde, 2019）。这一特殊特性赋予了选择性，并允许免疫细胞有效地靶向并摧毁受感染细胞，而不损害未受感染的组织。
无论哪种途径启动凋亡，每种途径都汇聚在执行途径上，这是决定细胞生存的决定性步骤（Wilson, 1998）。对氢气吸入的研究识别出胞质中执行者胱天蛋白酶（例如，胱天蛋白酶3/7）的激活减少。例如，多项研究报告了启动者（例如，胱天蛋白酶12）和执行者胱天蛋白酶活性的减少（Xie等，2012；Liu等，2015；Qiu, Liu和Zhang, 2019；Nogueira等，2021），以及核因子kappa轻链增强子激活的B细胞（NFκB）的减少，这是一种转录因子，负责上调免疫反应和促炎活动，Satta等（2021）在分析富氢血液透析液时认识到这一点。其他疾病模型显示氢气保护DNA免受氧化损伤，避免了凋亡级联的启动。在这里，研究已经识别出8-氧代-7,8-二氢-2'-脱氧鸟苷（8-oxo-dG）的减少，已知其在复制过程中诱导突变。这种氧化驱动的突变可能产生无法有效执行其指定功能的缺陷蛋白。氢气有助于减轻形成8-oxo-dG加合物的过量氧自由基（Hirayama等，2018），从而减少了内在和外在激活的凋亡的可能性。有趣的是，由于氢气还被证明可以减轻过度的炎症反应（Gharib等，2001；Lu等，2022；Lin等，2022），我们可以合理地假设T细胞启动的凋亡也减少了，尽管如果我们要完全理解氢气在凋亡中的作用，还需要进一步的研究投资。
1.2.4. 氢气作为炎症调节剂
炎症可以由受伤、感染或疾病触发，并且可以促进许多健康状况的病因学、症状（例如，疼痛、温度等）和进展。在此，促炎分子（例如，肿瘤坏死因子α（TNF-α））向免疫系统发出信号，产生并释放补体蛋白，一种具有包括高热、肿胀和功能丧失在内的一系列生理效应的复杂免疫调节级联反应（Belon等，2021）。
细胞应激可以由包括化学吸入、受伤或感染等环境因素，或局部和全身性氧化应激以及代谢功能障碍等内部因素引起的广泛刺激引起（Chatterjee, Jungraithmayr和Bagchi, 2017）。对这些刺激的反应，细胞开始产生并释放一系列促炎细胞因子，包括趋化因子（例如，单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1））、干扰素（例如，γ干扰素（Ifγ））和白细胞介素（例如，IL1-β、IL-6）。当细胞因子释放到血液中时，它们通常会损害血管壁的细胞。这种对细胞上皮的攻击增加了血管的渗透性，进而导致化学信号增加和白细胞迁移，从而延续了炎症级联反应（Chatterjee, Jungraithmayr和Bagchi, 2017；Hanna和Frangogiannis, 2020）（图1.3）。
图1.3炎症过程。炎症过程的图形解释。增加的血流、血管渗透性和白细胞脱颗粒导致热、功能丧失、红斑、疼痛和肿胀的主要症状。
在病毒或呼吸道感染期间，白细胞（WBCs），主要是单核细胞和中性粒细胞，反复释放细胞因子（例如，Il-6、TNF-α）和氧自由基，对入侵的病原体或功能失调的细胞造成伤害。这种活动经常影响附近的健康体细胞，对邻近组织造成进一步损伤。IgM抗体，在先天免疫反应中也高度表达，通过淋巴细胞（B和T细胞）免疫细胞激活触发适应性免疫。
为了说明炎症在人类疾病中的相关性，临床研究已将先天和适应性免疫反应与恶性疾病的起始和进展联系起来（Chen等，2020a；Chen等，2020b；Rochette等，2021），神经病变（例如，帕金森病、痴呆）（Pajarez等，2020；Wang等，2020a）、代谢性疾病（例如，糖尿病、高脂血症）（Beverly和Budoff, 2020；Singh等，2023），以及关节和肌肉退化（例如，关节炎、肌少症）（Simmonds等，2008；Damiano等，2019）。
许多报告描述了氢气治疗的抗炎效果，支持的科学证据表明氢气抑制了氧化应激和促炎肽的生物标志物（LeBaron等，2019a；Ishihara等，2020；Nogueira等，2021）。
这些保护机制不仅通过与多个细胞过程的相互作用完成，如上所述，还通过调节负责启动促炎细胞因子生物合成的p38/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）/细胞外信号调节激酶（ERK）信号级联的激活来实现。此外，已知MAPK的磷酸化增加了与压力相关的信号传导，而氢气已被证明在巨噬细胞中抑制此类磷酸化事件（Begum等，2020）。然而，氢气在缓解炎症中的主要作用目标仍然未知，进一步精细分析氢气分子相互作用对于获得这一知识非常重要。
1.3. 氧气
氧气的需求对于高等生物的生存至关重要，平均体重（73-88公斤）的人每分钟大约消耗2000毫升O2，标准温度和压力下（第8章，表8.1）。为了突出O2在紧急护理中的广泛使用，在英国（UK）的救护车服务中，每年向≥200万患者提供O2。这相当于所有紧急呼叫的约34%（Dhruve, Davey和Pursell, 2015；O’Driscoll等，2017）。
氧气产品也在医院护理中约五分之一的患者中使用。在这种设置中，O2吸入被规定用于一系列危及生命的条件，包括那些导致呼吸迅速受抑的情况，如过敏反应、阿片类药物过量和肺炎（Dhruve, Davey和Pursell, 2015）。通过提供O2治疗，临床医生可以增加肺泡中的氧张力，减少呼吸系统的负担（O’Driscoll等，2017）。尽管在紧急医学中广泛使用，但重要的是要注意，氧气也用于缓解慢性呼吸系统疾病，如哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）、囊性纤维化和儿童呼吸系统疾病（Jacobs等，2020）。
1.4. 氢氧气体
1977年，澳大利亚/保加利亚慈善家、工程师和发明家尤尔·布朗教授（Ilia Valkov）获得了一种无需分离隔膜的新型且经济高效的电解槽专利（Rao, Babu和Rajesh于2018年回顾）。据报道，这项发明具有90-95%的液态到气态转换效率。1979年，工程和开发专家哈拉尔德·哈尼希在给奥地利政府的一封信中计算出，布朗教授的电解槽每千瓦时（Kwh）可以产生多达13.62立方英尺（ft3）的气体，他认为这接近于热力学完美的效率14.28 ft3/Kwh（Hanish和Grundel，1979年），这是一个理论上被认为实际上不可能达到的概念。在解决这种挥发性气体混合物的安全问题上，哈拉尔德·哈尼希表示，布朗教授手中的混合物的安全性已向他“确凿地”证明，尽管未描述如何证明。《信件》最后强烈建议投资布朗教授在澳大利亚的公司Water Fuel Holdings（Hanish和Grundel，1979年）。
基于尤尔·布朗教授原始概念的氢氧发生器在经济上是可行的，用途广泛，通常用于工业目的，包括作为燃料和燃料添加剂（Bhave, Gupta和Joshi，2022年），用于化学制造和建筑行业使用的气体生成（Okolie等，2021年）；以及潜在的医疗环境。
使用氢氧气体发生器进行的研究很少，而且已经进行的研究由于治疗组规模适中而受到限制（Guan等，2020年；Zheng等，2021年；Kong等，2022年；Tanaka和Miwa，2022年）。已发布的初步人体试验数据集中在COPD（Zheng等，2021年）和冠状病毒传染病2019（COVID-19）（Guan等，2020年）等呼吸条件，或各种形式的癌症的治疗和康复（Chen, Lu和Xu，2020年；Kong等，2022年）。尽管氢氧的使用尚未被广泛接受，但呼吸试验数据的结果强烈表明，氢氧吸入是常规治疗的有效辅助手段，在某些情况下，可能优于单独的氧气治疗（Guan等，2020年）。对于恶性疾病，氢氧被注意到通过减少厌食、恶心和身体不适（自我报告）来提高IV期癌症患者的生活质量，研究进一步表明血清疾病标志物的减少和肿瘤大小的缩小（Chen等，2019b；Chen等，2020a；Chen等，2020b）。然而，如果要证实这些发现并在更广泛的医疗领域被接受，将需要进行更多的体外和体内建模。
1.5 给药方法
改编自《氢气作为药物：给药方法评估》（Russell等，2021年）目前，有多种给药方法可用于氢气给药（Russell等，2021年），所有这些方法根据给药机制和分散途径的不同，可能会有不同的效果。这就提出了一个问题：“哪种方法或哪些方法的氢气给药将在缓解某些疾病方面最有效？”
目前，医疗背景下的个别治疗可以包括静脉应用HRS、摄取HRW和吸入氢气，单独或与氧气结合，即氢氧。氢气的局部和高压应用也被证明对皮肤老化（Tanaka和Miwa，2022年）、软组织损伤（Yoon等，2011年；Tarnava, 2021年）、减压病(Bjurstedt和Severin, 1948年；Kot, 2014年)和癌症（Dole, Wilson和Fife 1975年；Chen, Lu和Xu，2020年）等条件有疗效。此外，随着公众对氢气作为一种生活方式增强产品的好处的好奇增长，许多饮食补充剂旨在通过胃肠道内的微生物相互作用增强氢气的产生。
每种用于增加氢气细胞可用性的方法将根据给药途径将不同浓度的氢气输送到细胞中，并具有独特的目标。例如，摄取HRW在胃肠系统（Ostojic, 2021年）、肝脏（Xia等，2013年；Korovljev等，2019年）和大脑（Mizuno等，2017年；Todorovic等，2021年）中描述了许多有益效果，后者被认为是肠-脑轴通讯和二级信使分子上调的结果（Ostojic, 2021年）。相比之下，氢气的吸入针对替代组织，因为氢气通过肺实质吸收到血液中，然后分布在全身（Yamamoto等，2019年）。这种应用方法不仅对哮喘、COVID-19和COPD（Wang等，2020c年）等呼吸条件有益，而且对缺血再灌注损伤、肝脏疾病或代谢疾病引起的菌群失调也有益（Ichihara等，2015年；Ge等，2017年）。
此外，利用生物相容性镁微马达和涂有聚合物聚乳酸-共-乙醇酸（PLGA）的透明质酸的纳米粒子递送氢气的研究，为氢气的定向递送提供了一种新颖机制（Xu等，2021年）。以下部分（第1.5.1 – 1.5.7节）描述并评估了医疗背景下用于递送氢气的方法。
1.5.1 富氢水（HRW）
研究集中在含氢水对广泛条件下氧化应激的影响上，这些研究大多取得了良好的效果（Yoritaka等，2013年；Ostojic, 2015年；Botek等，2019年；Kawamura, Higashida和Muraoka, 2020年）。含氢水是治疗多种疾病的多功能选择，因为它便携且可以通过多种方式生产。例如，通过水与镁（Mg）的反应可以产生氢气（H2），如下所示：
Mg (s) + 2 H2O (aq) → Mg2+ (OH)2 (aq) + H2 (g)
这是一种置换反应，其中镁从水中置换出氢气。产生的气体随后扩散到周围的水中，直到达到约1.6 ppm的饱和点（标准气压和温度）。使用这种方法生产含氢水在商业上很受欢迎，因为无论是含镁片剂还是产氢水瓶都便于常规摄入氢气。通过将扩散石连接到氢气发生系统上（第2章，第2.2节），氢气也可以在压力下被注入水溶液中。
尽管迄今为止，关于摄入含氢水作为药物效果的研究已确立良好，但关于摄入含氢水用于医疗条件的大规模临床数据评估仍有限。提供证据证明氢气在大群体中的功能，将加强含氢水应被视为安全有效的医疗用途产品的断言。另一个可能增加监管机构对氢气认可犹豫的因素是，关于含氢水对多种条件的剂量效应研究仍在进行中。尽管已确定每天摄入0.8-0.9 mmol可提供抗氧化效果（Nakayama, Kabayama和Ito, 2016年；Settineri等，2016年；LeBaron等，2019a年），但缺乏标准化的治疗剂量和协议。然而，在分析当代研究结果时，含氢水的细胞保护作用及更广泛的系统效应引人入胜，需要进行大规模和长期的临床调查。
由于氢气通过摄入含氢水的摄取途径，最显著的效果已在影响胃肠道及其支持器官的条件下描述，如GERD（Franceschelli等，2018年）、IBD（Chen等，2013年）和代谢综合症（Nakao等，2010年）。为了说明含氢水饮用对消化系统的有利影响，一项为期八周的开放标签试点研究报告显示，摄入1.5L的氢气（55-65mM）增加了代谢综合症患者内源性SOD水平，并减少了MDA的产生水平（Nakao等，2010年）。在一项评估氢气对肠道蠕动运动影响的实证研究中，观察到肌肉收缩强度的减少，表明结肠转运减少（Chen等，2011年）。此外，一项涉及84名GERD患者的12周临床研究，电解还原水（pH>7），含有未定量的溶解氢，减少了与氧化应激相关的生物标志物水平（例如，MDA, 8-oxo-dG（Franceschelli等，2018年）。尽管没有记录氢气的浓度，作者得出结论，通过摄入电解还原水（ERW），可以迅速减少GERD的症状，改善整体生活质量。
除了用含氢水治疗疾病外，许多研究分析了运动前饮用含氢水的锻炼后效应（Nakayama, Kabayama和Ito, 2016年；Sha等，2018年；Botek等，2022a年），这些研究描述了抗氧化活性的显著增加、乳酸积累的减少（Aoki等，2012年；Ostojic, 2015年）以及运动员通气能力的改善（Kawamura, Higashida和Muraoka, 2020年）。这里，每日摄入含氢水被注意到支持运动后恢复，减轻ROS诱导的炎症，并帮助恢复和预防肌肉损伤（LeBaron等，2019b年；Kawamura, Higashida和Muraoka, 2020年）。
1.5.2 氢气吸入
改编自出版物《气体的相互作用：生物系统中的氧气和氢气》（Russell, May和Hancock, 2024年）。
氢气和氢氧吸入可以是一种简单、有效且便携的给药方式，已经设计了几种产品通过电解水产生含氢气体。吸入是一种非侵入性的氢气输送方式，可以通过雾化器、鼻导管或覆盖口鼻的面罩进行适应使用。
氢气和氢氧吸入疗法都被证明在呼吸系统（LeBaron等，2019b年；Guan等，2020年；Alharbi等，2021年）和心血管系统（LeBaron等，2019a年；Barancik等，2020年；Singh等，2023年）中有积极效果，这很可能是因为应用方法与这些特定组织密切相关。非侵入性吸入输送机制是一种有效且高效的方式，可全身提供氢气，可用于急性和慢性条件治疗。
关于人体研究中氢气的吸收和分布，特别是通过吸入的临床数据仍然很少。尽管如此，一项关于啮齿动物模型的开创性研究（Yamamoto等，2019年）指出，连续吸入3%的氢气导致氢气在不同器官中的分布有显著差异（表1.1），优先积聚在肝脏、大脑和肠系膜脂肪细胞中。遗憾的是，该研究没有涵盖心血管和肺组织，这些组织很可能是吸入疗法的直接目标。
表1.1. 氢气在雄性Sprague-Dawley大鼠内脏器官中的分布。
数据摘自（Yamamoto等，2019年）。
在表1.1的基础上，来自猪模型的数据指出，氢气浓度在动脉血中迅速减少，半衰期为92秒，但在静脉血中的扩散时间逐渐变慢（半衰期：门静脉-310秒；下腔静脉-350秒），表明氢气以血流依赖的方式在全身输送（Sano等，2020年）。在肝脏中，如表1.1所示，氢气浓度最高，为29μmol/L，糖原可能作为一种氢气储存分子，在体内保留大量氢气（第4章，第4.3.4节），推测这是由于碳水化合物聚合物具有保持氢气在复合物内的结构特性（Zhang, Xu和Yang, 2020年）。由于糖原在肝脏中保留氢气的能力，氢气在肝系统中的活动可能会延长，这可能解释了为什么这种独特的组织对氢气给药特别敏感（第4章，第4.3.4节）。在非酒精性脂肪肝病的哺乳动物模型中，用4%和67%的氢气吸入治疗被证明可以减少脂肪合成和沉积，以及血清ALT、天门冬氨酸转氨酶（AST）和乳酸脱氢酶（LDH）的水平（Kamimura等，2011年）。高剂量的氢气（67%）被定义为对脂肪沉积影响最大，而低浓度（4%）的效果在肝脏酶谱分析中更为突出（Liu等，2020a）。然而，不仅是肺和肝系统可能是通过吸入传递的氢气的主要目标。在动物中，通过氢气吸入还证明了可以减轻由LPS引起的败血症（Fu等，2009；Xie等，2014；Qi等，2021年）。在这里，氢气被证明可以缓和由血液传播感染引起的急性炎症反应（Qi等，2021年）。除了全身性感染外，还有越来越多的证据描述了氢气吸入对更广泛的心血管系统的有利影响（Tamura等，2016；Chi等，2018；Zhang等，2018；LeBaron等，2019a；Barancik等，2020）。早期报告表明，对于ST抬高型心肌梗死患者，吸入1.3%的氢气可以在给药后6个月恢复左心室建模（Katsumata等，2017年）。术中吸入氢气被证明可以减少生物标志物脂质过氧化、二烯和三烯共轭物以及Schiff碱的水平，这种效果在手术后1天最为明显（Danilova等，2021年），表明氢气可以作为心脏手术中的一种有效且安全的抗氧化剂使用（Tamura等，2016；LeBaron等，2019a）。在慢性心力衰竭模型中，氢气吸入被证明可以显著减少外周血细胞和心肌细胞中的凋亡和氧化损伤（Sim等，2020年；Chi等，2018年），同时氢气还可以刺激胆固醇从心血管系统的泡沫细胞中流出（Song等，2012年），从而减少与动脉粥样硬化和心血管疾病相关的死亡风险。
由于注意到氢气吸入的细胞保护和整体特性具有全身效应，因此体育产业内对这种各自的氢气输送方法的兴趣正在发展。在这里，临床研究揭示了运动时呼吸1%的氢气持续20分钟会增加呼吸乙酸酯浓度，这是一种非侵入性脂质代谢标志物，表明这种方法的应用促进了有利的脂质代谢（Hori等，2020年）。同样，连续七天吸入4%的氢气提高了跑步速度并降低了血液中胰岛素样生长因子-1的水平，这是一种调节葡萄糖转运的调节剂。还观察到促炎标志物CRP和铁蛋白（一种急性期炎症反应物）的显著降低（Javorac等，2019年）。这与氢气可以积极影响先天免疫反应的假设一致。此外，实验室模型中记录到炎症生物标志物（例如，TNF-α、IL-1β、IL-6）；凋亡标志物（例如，caspase-3、B细胞淋巴瘤-2 (Bcl-2)）和热休克蛋白（例如，HSP70）的减少，以及SOD活性的增加（Nogueira等，2021年）。
1.5.3 摄入和吸入的组织差异
尽管直接吸入含氢气体会在血液中提供更大数量的氢气，但血浆中氢气的饱和极限相对较低，为1.6mg/L (0.8mM)，在5分钟后达到峰值浓度，并在60分钟内返回基线水平。动物模型中的药代动力学观察强烈表明，氢气通过简单扩散分布，因为氢气水平在动脉血流中迅速减少，而在静脉血中未见此现象（Sano等，2020年）。进一步的调查揭示，与饮用含氢水相比，大脑、心脏和骨骼肌可以相对较多地吸收氢气（Liu等，2014年）（图1.4）。
图1.4展示了通过吸入（左）和摄入（右）氢气的主要目标系统。
相比之下，饮用HRW主要影响肝脏、胰腺、脾脏和肠道器官（Liu等，2014），两种给药方式都导致肝脏中氢气水平增加（Liu等，2014；Sano等，2020）。氢气吸入疗法针对的是与HRW不同的组织，因为氢气通过肺实质吸收进入血液，然后分布在全身。这一现象使得通过吸入给药的氢气对哮喘、COVID-19和COPD等呼吸系统疾病非常有益，治疗时症状明显改善（Russell、Nenov和Hancock于2021年综述）。氢气吸入疗法还可以减少由中枢神经系统损伤或疾病引起的生理压力，吸入氢气被证明有助于从创伤性脑损伤（Ono等，2017年）和退行性认知衰退（Nishimaki等，2018年）中恢复。此外，氢气吸入被证明可以改善心脏功能并减少因心脏骤停导致的神经认知衰退（Tamura等，2020年）。这表明氢气被吸收进肺毛细血管，然后随血流直接到达心脏，并通过颈动脉输送到大脑。
吸入氢气后30分钟对组织样本的分析显示，骨骼肌中的氢气水平和保留量远超任何内脏组织，包括大脑和肝脏（Nogueira等，2018；Shibayama等，2020年）。支持这一假设的临床证据表明，氢气可以帮助从身体疲劳中恢复，评估了27名患者吸入氢气的效果，并证明了有益的健康效果，包括在急性COVID-19患者康复过程中增强的身体和呼吸功能，与安慰剂组患者相比（Botek等，2022c）。因此，氢气吸入疗法可以在身体运动和疾病恢复期间提供益处，有证据表明氢气的抗炎和抗氧化特性可以增强身体表现并减轻运动后和恢复期的疲劳指标（Da Ponte等，2018；Botek等，2022b）。
与氢气吸入疗法相比，HRW提供了较少但可计算的氢气剂量。然而，市售HRW可能含有不同量的氢气，范围从0 mg/L 氢气到超饱和水平>15mg/L 氢气，典型饱和水平为1.6mg/L 氢气（Singh等，2021年）。因此，即使每天消耗3L HRW，最大剂量也只有45mg/天氢气，远低于吸入疗法。一项观察每天摄入0.92mg 氢气的HRW水两周效果的临床研究指出，在耗尽测试中生物标志物没有显著变化。只有HRW组维持了高强度运动的最高功率输出（Da Ponte等，2018年），表明氢气可以增强骨骼肌功能。进一步的研究表明，在剧烈运动前摄入5mg 氢气可以降低亚极限有氧运动期间的心率，尽管其他参数如最大摄氧量（VO2）和呼吸率未受影响（LeBaron等，2019b）。相比之下，其他临床研究发现了矛盾的证据，表明HRW可能改善通气能力和降低血液中的乳酸水平（Drid等，2016；Botek等，2021年）。因此，是否摄入HRW能有效缓解骨骼肌压力仍有争议，临床证据仍然存在矛盾。显然，目前关于使用HRW作为体能补充的信息尚无定论，需要在这一领域进行更多研究。
总结来说，氢气吸入疗法已被充分证明是一种高效的抗炎和抗氧化治疗手段，与HRW相比，能够向体内提供更高量的气体。由于氢气分子的简单扩散机制，吸入的主要效应通常在大脑、心血管系统和肺部的近端器官中被注意到，骨骼肌也从氢气吸入中受益。关于HRW对骨骼肌肉的影响的临床证据目前尚无定论。然而，支持HRW作为胃肠相关疾病治疗方法的数据正在增加（这是氢气吸入尚未深入研究的因素）。
1.5.4 饮食补充剂
最近，人们对作为氢气产生细菌前生物基质的产品越来越感兴趣（Chatterjee, Jungraithmayr和Bagchi, 2017; Yu等，2020），特别是Bacteroides和Firmicutes物种（Hylemon, Harris和Ridlon, 2018）。例如，姜黄，Curcumina Longa L.多年生植物的根，长期以来一直被用作胃肠疾病和炎症状况的补救措施（Soleimani, Sahebkar和Hosseinzadeh, 2018），许多报告现在表明姜黄可以调节肠道微生物群的组成，以利于宿主（Zam, 2018）。初步研究表明，姜黄的有益效果可能是通过姜黄发酵产生的氢气的微生物流出实现的（Shimouchi等，2009）。与传统医学补充剂（如姜黄）一起，增加日常膳食纤维和菊粉的摄入量也被证明可以通过为氢气产生物种的代谢活动提供不可吸收的碳水化合物基质来积极影响微生物平衡（Soleimani, Sahebkar和Hosseinzadeh, 2018）。
含有钙（Ca2+）、镁（Mg2+）、植物基抗氧化剂和微量元素的可摄取胶囊，无需处方即可商业购买，这些元素能增强胃肠道氢气的产生。然而，使用此类补充剂时需谨慎，因为缺乏关于产生的氢气浓度、分子效应和长期有效性的科学验证。在目前可用的数据中，一项双盲、安慰剂对照交叉试验（n=10）（Korovljev等，2017年）显示，每天1粒胶囊，含有46毫克钙和40毫克镁的4周疗程，能有效降低一小组中年女性（n = 10）的血清甘油三酯和空腹胰岛素水平。支持这些数据的是，最近的一项分析口服给药氢气诱导型富钙粉末的效果（n = 18）（Alharbi等，2021年）证明，每天一颗1500毫克胶囊产生2.5微克氢气，改善了肺气体交换并增加了血红蛋白和肌红蛋白的O2饱和度。尽管这两种方法都提供了可计算的氢气剂量，但受试者群体较小，且调查的条件不相关（分别为脂肪积聚-O2饱和度）。
通过鼓励肠道微生物群的自然平衡偏向于产氢物种，这种氢气摄入方法可能作为一种预防慢性和昂贵的疾病（如心血管疾病、全身性炎症和2型糖尿病）的手段。如果饮食补充被证明是提高内源性氢气生产的经济有效和可持续方式，它在未来营养教育和相应医疗建议中可能发挥重要作用。
1.5.5 富氢盐水
由于在医院环境中使用氢气发生器可能不切实际，因为存在爆炸风险和公共安全问题（第9章，第9.4节），因此建议在临床环境中使用HRS进行术后护理和治疗缺血再灌注、肝病和器官移植（Yaun和Shen, 2016; Obara等， 2024）。HRS被证明是一种实用的氢气给药方法，因为使用盐水溶液已经很常见。日本的一项早期研究表明，将盐水滴袋浸入富含氢气的浴液中三天可以产生饱和溶液（0.8mM），然后可以以与盐水相同的方式分配（Fu等， 2020）。另一种方法是直接将氢气注入介质中，这将更加节省时间，但需要加压氢气才能有效，这可能需要加强安全协议和增加成本。目前，只推荐在大气压力下储存HRS 7天（Fu等， 2020），因此可能需要投资于手动培训、专业设备和存储设施，而这种实施的成本效益也需要在使用HRS广泛采用之前进行评估。
关于HRS在人体内的影响证据有限，尽管一项关键研究已经证明了其在减少类风湿性关节炎患者（n=24）血清中促炎标志物IL-6和促氧化标志物8-oxo-dG水平方面的功效（Ishibashi等， 2014）。围绕动物研究的一系列支持数据描述了通过腹膜腔输注HRS减少了与缺血再灌注相关的激增ROS造成的损伤，特别是在肝脏中被注意到特别有效（Fukuda等， 2007; Uto等， 2019）。此外，研究报告调查了使用HRS处理移植前肝脏片段在器官浴中的效果，表明这种独特的方法可以减少肝脏和近端组织中的细胞凋亡、中性粒细胞浸润和氧化损伤（Uto等， 2019）。当>1.5ppm (氢气) HRS在啮齿动物回肠术后外科闭合期间输注时，也发现了类似的结果（Okamoto等， 2016）。在猪模型中，术后腹膜炎的HRS灌洗显示可减轻败血症引起的器官衰竭（Sada等， 2021），这一因素归因于减少了尿液中排出的8-oxo-dG。
考虑到氢气研究的广度以及HRS广泛应用可能带来的患者治疗效果改善，未来的努力将不得不解决在医院环境中制造和储存HRS的实际问题。
1.5.6 纳米技术
氢气的生产和储存是能源领域迅速扩展的关注点，因为氢被视为燃烧化石燃料的替代品。在这方面，能够保留和储存氢气同时减少爆炸风险的纳米或微米技术，可能会显著减少与工业污染相关的碳排放。
这种为保留氢气作为燃料源而开发的技术（Guo, 2012），因其低重量、低成本和高氢气结合能力，现已被用于医学研究。
纳米技术正迅速成为药物用途的关注点，因为它们可以提供一种局部给药的方式，这种方式主要被认为是安全有效的（Sutariya and Pathak, 2014）。在这里，生物可降解物质如镁（Mg）和钯（Pd）分别在生产和储存氢气方面是有效的。这些金属已被精炼用于治疗炎症相关疾病，如癌症（Liu等，2020b）、类风湿性关节炎（Xu等，2021）和神经退行性疾病（Bilal等，2020）。纳米和微米技术大致可分为两类；纳米装置和纳米颗粒，每种都有独特的机制可以在生命系统中输送氢气。
1.5.6.1 纳米装置：镁/透明质酸
生物可降解的镁基微型马达可以将外部刺激转化为推进力，这是之前描述的Mg/H2O反应的结果（第1.2.1节）。由于已知镁会迅速降解，因此开发了涂有PLGA物质的透明质酸涂层（Guo, 2012），提供了直接和可见的氢气给药的好处，当与超声波可视化并行使用时。尽管在啮齿动物模型中展示了有希望的结果（Liu等，2014；Murthy, 2017），但这些设备尚未在人体中进行测试，潜在副产品的毒性尚未评估。然而，这项纳米技术的潜力是引人入胜的，该领域的进一步研究可能会彻底改变治疗药物和化合物引入哺乳动物系统的方式。
1.5.6.2 纳米颗粒：钯氢化物（PdH）
纳米颗粒与纳米装置不同，它们的晶体结构设计上包含大表面积，因此可以吸附相对大量的用于医疗分布的物质。研究表明，使用纳米颗粒作为针对阿尔茨海默病（Zhang等，2019b）和胶质母细胞瘤（Liu等，2019）模型中的靶向治疗运输药物的有效策略。协调地，出于诊断目的，可以设计具有特定量子特性的纳米颗粒，以改善光学和磁共振成像的质量（Murthy, 2017）。
钯（Pd）以其与氢的高结合亲和力而闻名，在环境条件下吸附大量氢气。合成钯氢化物（PdH）颗粒时利用了一种简单的一步还原路线来形成颗粒（Zhang等，2019b）。这种化学在医药背景下很有用，因为它允许结构晶格形态要么装载氢气用于治疗用途，要么作为氢气检测和净化的资源，正如Zhan等（2020）所提出的。一旦生产出纳米颗粒，就可以将氢气注入含水储存溶液中，使结构充满氢气，然后可以储存以备将来使用。
纳米钯颗粒在分解时会产生副产品（例如，钯晶体）（Cobden等，1998年），如果这种技术要在临床环境中广泛使用，这将需要被考虑。尽管如此，PdH颗粒已被证明在生物系统中具有良好的耐受性，并且可以装载氢气，导致每个钯颗粒吸收约2.46 x 10^-19 mol的氢气（Zhang等，2019b）。这种方法通过弱氢键有效存储氢气分子，直到复合物降解释放氢气负载。采用PdH颗粒进行氢气输送的另一个好处是，钯具有炔烃氢化性能，支持将氢气持续释放到局部组织中（Zhang等，2019b）。这种氢疗机制在神经退行性疾病中有潜在的特定应用，其中通过血脑屏障输送氢气可以减少神经元中的氧化应激（Wu等，2023年），从而防止过度炎症和细胞凋亡。然而，这种技术很少作为临床工具使用，并且尚未以足够的数量生产用于常规医疗用途。
1.5.7 外用给药：浴/凝胶/贴片
氢气可以通过皮肤轻易给药，无论是添加到沐浴水中，还是作为可吸收的凝胶或设计用于逐渐释放氢气的贴片。对医学氢气研究日益增长的兴趣激发了一系列专利设计的外用产品的灵感（Safonov, 2019; Perricone, 2021; Satoh, 2021）。创新的凝胶和贴片可以通过提供可测量的递送时间和准确的剂量来克服围绕准确给药的犹豫，使它们成为治疗伤口的良好候选者。然而，由于这些材料尚未广泛测试，因此可能需要一些时间才能评估这些产品的有效性。
关于在富含氢的溶液中洗澡的研究更为成熟，表明氢气的抗氧化特性可以显著减轻皮肤病的严重程度，包括与年龄相关的退化（Tanaka和Miwa, 2022年）、银屑病（Zhu等，2018年）和伤口愈合（Tarnava, 2021年）。早期评估氢气注入的沐浴水对故意暴露于UVB辐射下的小鼠的影响的研究报告称，烧伤严重程度显著下降，伴随着促炎标志物IL-1β和TNFα的减少以及抗炎细胞因子IL-10的增加（Ignacio等，2013年）。基于这项研究，Tanaka和Miwa（2022年）评估了HRW结合富含氢气的敷料应用对各种老化参数的影响，并得出结论氢气减少了红斑和皱纹，并重新平衡了水分和油脂含量，归因于血液中抗氧化能力的增强。一项为期八周的平行对照试验（n=74），涉及患有银屑病或斑块状副银屑病的患者，他们每周两次接受含有1.0ppm 氢气的氢浴治疗10到15分钟，结果显示在80%的氢气治疗患者中红润和瘙痒明显减少（Tanaka和Miwa, 2022年）。此外，一项为期七天的案例研究评估了含有8.0ppm/氢气的水浸疗法对第五趾近端指骨遭受的创伤性伤害的影响（Tarnava, 2021年），观察到疼痛和炎症迅速减少，运动范围和承重能力也有所改善。
上述证据说明了氢气水疗对于一系列局部炎症状况的有利影响，在这些状况中，传统的合成药物治疗有众所周知的副作用（Lebwohl, 2005; Bajgai等，2021年）。采用氢气策略治疗软组织和结缔组织损伤可能提供一个经济高效且非侵入性的替代方案，以替代当前炎症疾病的类固醇管理。
1.6 目标和目的
目前尚未明确定义氢气生物效应的精确机制，即缺乏主要目标分子靶点的识别，加上给药方法的困难（例如，剂量和剂量频率，以及治疗的长期效果），因此，需要对氢气研究提供证据，说明如何合理有效地将其纳入全球医疗保健实践中。
通过提供新颖的实验协议和关于氢气生物活性的创新理论，本论文的目标是探索一系列理论，包括氢气在生物体中的潜在进化需求；氢气如何在植物和人类中以分子水平相互作用；以及氢气给药对恶性肿瘤细胞的影响。
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