氢分子（H₂）已作为一种没有副作用的治疗和预防药物而崭露头角。H₂在各种细胞类型和器官中展现出多面性功能，这归功于其与氧化态血红素相互作用的基本分子机制。鉴于细胞内外存在多种类型的血红素，H₂的广泛效应是可以理解的。随后的途径是通过脂质过氧化物的末端或改性产物，接着是自由基链反应来介导。值得注意的是，H₂不仅对患有疾病的患者有益，对那些寻求增进健康和福祉的个人也同样有益。氢气医学的使命包括解决未解决的医学挑战，如脑梗塞、心脏骤停后综合征、晚期癌症、代谢综合征和痴呆症。从动物实验过渡到临床研究对于有效对抗这些严重疾病至关重要。
历史上，氢分子（H₂）曾经被认为在没有催化剂的情况下生物惰性。主要是能催化分解和合成氢气的氢化酶在某些细菌中对H₂代谢至关重要[1, 2]，哺乳动物缺乏编码氢化酶的基因，因此H₂被认为在哺乳动物细胞中无功能。然而，我们小组对H₂治疗潜力的探索始于2005年1月，研究结果最终在2007年的《自然医学》上发表了开创性论文“氢气通过选择性还原细胞毒性氧自由基作为治疗性抗氧化剂”[3]。这一关键工作挑战了传统观念，并为“氢气生物医学”这一新兴领域奠定了基础。随后，全球兴趣激增，导致超过17年的广泛持续研究，产生了全世界超过2500篇论文和出版物[4]。H₂对生物体的多面性益处很快变得明显，以其功能多样和最小副作用为特征[5]。这些研究促进了众多临床探索，得益于历史上对H₂安全性深入了解。2016年，日本政府认可H₂疗法作为心脏骤停后综合征的先进治疗。此外研究发现H₂能改善了多种病理状况，展示了在提高医疗保健、体育和美容等生活质量改善方面多个领域的巨大潜力。美国FDA于2014年认可H₂的安全性，将其指定为一般认为安全（GRAS），这促进了富氢水饮料市场的营销。这项监管认证文件强调了H₂对健康个体和患有各种疾病的患者的有益效果。此外，H₂的积极生理影响超出了人类，涵盖高等植物和真菌，暗示了其在农业中的潜在重要价值[6]。实际上，许多研究探讨了H₂对农产品的影响，一些氢处理产品已经出现在商业市场上。在这里，我想总结一下氢气医学的启动以及氢气向各个领域实际应用的进步，重点是我们小组的研究。
氢气给药方法、药代动力学和安全性
H₂进入细胞的运输机制显著缺失。由于其独特的物理性质——作为最小的分子，非离子、非极性、非磁性——H₂可以独立地穿过生物膜。
将H₂导入体内有几种途径。通过呼吸机、面罩或鼻导管吸入H₂气体提供了直接有效的摄取方法。一旦吸入，H₂通过肺部吸收并通过动脉血流迅速传播至全身。随后，H₂通过穿透外周血管渗透到大多数组织中[7]。吸入成为对抗急性氧化应激的首选方法，有效浓度范围为1 – 4% (v/v)，导致血液中8 – 32 μM的浓度。值得注意的是，这些浓度处于生理有益的范围内，与爆炸性浓度的H₂（4 – 75%）形成对比。
（按照经典的认识，氢气吸入能在肺内溶解在血液，随着肺静脉运输到左心房，经过左心室收缩进入主动脉，随后随着动脉血液运输扩散到全身组织。因此，氢气进入人体内符合气体的运输规律。血液内平衡饱和时间大约30分钟，大脑皮层大约60分钟。但是，氢气的扩散能力非常强，会在任何部位沿着浓度快速扩散。从肺进入心脏过程中，氢气会从肺静脉扩散到胸腔组织，由于肺内氢气浓度比较高，这个可以不考虑影响。在大动脉向全身运输过程中，氢气会快速从血管内扩散到血管周围，即使如大脑这种距离心脏非常短的目标器官，氢气在颈部血管仍然会大量丢失。因此氢气在全身运输时一定会发生一种现象，距离心脏越远，氢气到底难度越大。这导致四肢末梢氢气的灌注将会非常困难。因此氢气吸入的方法，对于远离心脏的四肢将难以产生有效作用。通过泡浴和氢气干湿敷将能完美克服这一不足。这是我本人最近关于氢气效应剂量的一点思考，供同行参考。）
饮用富氢水是另一个可行的选择，因为它方便简单。H₂在水中容易溶解，在大气压力和室温下可以达到0.8 mM（1.6 mg/L）的浓度，而不会改变pH值。从肠胃粘膜吸收后，H₂通过空肠静脉转移到门静脉在10分钟内进入肝脏。值得注意的是，H₂在肝脏中的浓度保持功能性显著，维持在10-20 μM一到两个小时，类似于通过吸入1.2-4% H₂气体达到的浓度[8]。
通过静脉或腹腔内途径给药，使用溶于盐水的H₂（富氢盐水）已在动物模型和患者中展示[9]。此外，含有溶于盐水的H₂的眼药水提供了一种直接的眼部递送方法[10]。一项临床试验显示，眼药水在白内障手术期间保护角膜（K. Igarashi等人，2019）。此外，通过在器官移植前的冷器官保存过程中使用补充H₂的水浴，可以促进H₂进入器官。H₂通过皮肤的渗透性允许其广泛分布，这表明通过温水H₂浴将H₂融入日常生活是可行的。
值得注意的是，即使在高浓度下，H₂也没有细胞毒性，这一点通过各种研究得到了证实。吸入高压H₂气体的安全性已经得到长期广泛人体试验验证，特别是在深潜气体混合物中，以防止减压病和动脉气体血栓[11]。近年来氢气医学临床试验进一步确认了H₂的安全性[12]，这归因于其惰性本质，使其没有毒性作用变得易于理解和可接受。
选择性还原活性氧物种
H₂在还原高度氧化的活性氧物种（ROS），特别是羟基自由基（·OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO-）方面表现出显著的选择性行为，同时对超氧化物（·O₂-）、过氧化氢（H₂O₂）和一氧化氮（NO·）保持惰性[3]。H₂对抗·OH的细胞保护作用是明显的（图1）。减少·OH的有效性不仅在培养细胞中得到证明，还在各种组织中得到展示，包括涉及睾丸放射防护、全身照射诱导的造血干细胞损伤以及高氧、肺低氧/再氧合、视网膜缺血-再灌注和视网膜超声的情况[13]。
尽管氢气医学取得了重大进展，但关于·OH还原机制的基础问题在过去15年多来一直存在。在水溶液中，·OH与H₂的反应速率明显较慢（0.35×10⁻⁸ M⁻¹s⁻¹），与在活细胞中观察到的相比[14]。值得注意的是，H₂通常通过金属催化剂进行反应，但在活细胞中没有如Cu、Fe、Ni和Pt这样的金属。此外，缺乏用于H₂的有机催化剂进一步复杂化了对这些反应的理解。这种在均质水溶液和活细胞之间的反应差异长期以来一直是氢气医学领域争论的重点问题。
上海和深圳何前军教授团队在《纳米研究》上发表的一项最近研究揭示了这一现象。他们确定了铁卟啉一种氧化形式，称为“血红素”，作为H₂的主要分子靶标/生物传感器[15]。在这里，我们用“血红素”一词代替“卟啉”。与含Fe(III)的血红素结合的羟基（-OH）可以通过与H₂的反应被氢（-H）替换。-H基团的原子H作为一个氢化物，有效地清除羟基自由基（·OH），如化学方程式所示。
Heme-Fe(III)-H + •OH → Heme-Fe(II) + H2 O.
图1. 氢分子的保护作用。通过培养细胞中的芬顿反应生成羟基自由基（左图）。在右图中，绿色和红色圆点分别代表活细胞和死细胞。在培养基中没有氢分子的情况下，由于其高度氧化的性质和细胞破坏性，大多数细胞在一小时内死于羟基自由基。培养基中的氢分子赋予细胞抵抗羟基自由基的能力。•OH，羟基自由基；Δψ，跨膜电化学势差。
此外，已经证明含Fe(II)的血红素作为一系列反应的催化剂，促进自由基的还原和氧化形式的还原状态恢复。这些催化反应在修复氧化损伤和维护细胞稳态方面起着关键作用[16]。
氢分子与血红素相关的多功能性
鉴于H₂多样化的细胞功能，推测H₂可能并非与一个特定靶标的相互作用发挥一种效果，为了适应其功能多样，更可能有多个靶标。考虑到不同类型的血红素种类繁多，每种都有其独特的作用，这表明H₂可能通过对单个血红素组中不同的血红素变体的作用来实现其多功能性。
血红素在全身广泛分布，存在于细胞内外。它在氧气输送和利用中起关键作用，如在血液和肌肉组织中的血红蛋白和肌红蛋白。此外，血红素作为线粒体电子传递链中的细胞色素的组成部分，促进电子转移。在细胞质内，重要的抗氧化酶如过氧化氢酶、过氧化物酶、P450和一氧化氮（NO）合酶依赖血红素进行其功能（图2）。这些含有Fe(II)的血红素酶具有多种功能，主要介导氧化还原反应，并且由于暴露于氧化应激而容易受到氧化损伤[17]。
H₂能够通过以下特定反应将各种氧化形式的血红素，如Heme-Fe(III)-OH，恢复到其功能性还原状态，如Heme-Fe(II)：
Heme-Fe(II)-OH+H→Heme-Fe(II)-H+H₂O, (1)
Heme-Fe(III)-H+X→Heme-Fe(Il)+H-X, (2)
其中·X代表像·OH这样的氧化自由基。
关键是，H₂针对的是因氧化而功能失调的血红素的氧化形式。因此，H₂在病理性（氧化）条件下特异性地起作用，对功能性和还原状态的血红素没有作用[17]。
另外，一些转录因子，如NPAS2和Bach家族，含有血红素[18-20]。因此，H₂通过修饰氧化血红素来表达各种表型，可能会影响转录调控。
值得注意的是，其他医学气体，如一氧化氮（NO）、硫化氢（H₂S）和一氧化碳（CO），也以含血红素分子为靶标，表明它们的作用机制具有共性。
脂质过氧化物末端产物介导的后续途径，随后是自由基链式反应
我们现在转向由自由基还原引发的后续途径，这导致信号传导和多种表型的显现[13]。
图2. 氢分子针对氧化血红素，解释其多样化效应。血红素在体内丰富，具有多种功能，包括作为血液中的血红蛋白、肌肉中的肌红蛋白、线粒体组分、P450解毒酶、NO合酶、抗氧化酶以及细胞核中的转录因子。这些血红素分子在高度氧化的环境中起作用，而氧化的血红素会失去其功能能力。P450，P450家族的酶；NOS，NO合酶。
由于自由基链式反应，脂质过氧化物（LPOs）累积。在启动阶段，·OH自由基从多不饱和脂肪酸中提取氢原子，形成脂质自由基。这些脂质自由基在自由基链式反应中进一步转化为脂质过氧自由基，最终形成脂质氢过氧化物，导致过氧化物积累（LPO）。已知LPO会引发铁死亡[21]。因此，H₂可以通过抑制LPO积累来减轻这种细胞死亡[22]。
在信号传导途径中，来自LPOs的末端产物，如4-羟基-2-壬烯醛（4-HNE），通常作为第二信使。通过随后的Akt/FoxO1信号通路，降低4-HNE水平可以诱导PGC-1α[23]。值得注意的是，PGC-1α的多功能性可以进一步促进H₂的多样化功能，包括其作为能量代谢刺激剂的作用。
考虑到涉及H₂的另一种途径，已知氧化磷脂（OxPLs）对不同细胞类型具有各种生物学效应，包括激活Ca²+信号。在OxPL形成过程中，H₂可能会修饰OxPLs，被修饰的H-Ox-PLs可能作为拮抗剂。因此，这种拮抗剂通过连接H₂与Ca²+信号和依赖Ca²+的转录因子NFAT来抑制Ca²+信号[24]。NFAT转录以下参与炎症的基因：转录因子（EGR-1、KLF2、ATF3、JUNB和NFKB2）、细胞因子（TNF-a和IL-8）和酶（环氧合酶-2（COX-2））[24]。因此，H₂可以通过减少促炎因子的表达来抑制炎症[13]。图3说明了H₂发挥多重功能的路径。
图3. 氢分子通过各种途径介导多种功能。含H的Heme-Fe(III)催化与自由基的反应，通过修饰它们并减少脂质过氧化物积累来抑制铁死亡。或者，被修饰的介质有助于增强能量代谢和抑制炎症。氢气促进氧化血红素的修复，从而激活各种含血红素的酶和转录因子。
Ox-Heme，氧化血红素；OxPL介质，氧化磷脂介质；pCalcineurin，磷酸化钙调蛋白；NOS，NO合酶；
LPO，脂质过氧化产物；4-HNE，4-羟基-2-壬烯醛；NFAT，活化T细胞核因子；pAkt，磷酸化蛋白激酶B；
pFoxO1，磷酸化叉头框蛋白O1（Forkhead家族蛋白）；PGC-1α，过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α；
FGF21，成纤维细胞生长因子21；Rev-erb α,β，核受体Rev-erb α, β；COoA，CO敏感转录激活剂；Bach 1,2，Bach 1和2家族的蛋白质。
氢分子对激素的间接调节
职业运动员和促进大众健康。
H₂促进酒精代谢[35]，临床试验已揭示饮用H₂能抑制宿醉[36]。
激素在调节体内的各种功能中起着关键作用。H₂已被证明可以在特定组织中调节激素和细胞因子，即使在必要浓度下没有直接到达目标细胞时也能影响它们。这表明H₂可以通过间接机制发挥有益效果，可能涉及激素调节下的第二信使系统。
H₂对皮肤的影响，包括特应性状况，已得到认可[37]。此外，H₂不仅因其在皮肤病治疗中的应用而受到关注，还因其在美容治疗中的潜力而引起注意[38]。
一系列关于饮用H₂水对生活质量积极影响的研究已汇编成一篇系统综述文章[39]。胃饥饿素是一种在胃中产生的激素，参与食欲调节和能量平衡。H₂被发现能增加胃激素的表达。这表明H₂可能通过调节胃饥饿素水平影响食欲和能量平衡，潜在地影响大脑功能[25]。
缺血再灌注损伤
缺血再灌注损伤发生在器官的血液供应受到限制后，随后进行再灌注和再氧合，导致严重的氧化应激。心脏或大脑梗死、心脏骤停、器官移植和肝脏切除等情况在血流恢复时可诱发缺血再灌注损伤。
如前所述，H₂已被证明可以减少促炎细胞因子的表达，从而减轻炎症。这表明H₂在以炎症为特征的疾病中可能具有潜在的治疗益处。
我们在《自然医学》杂志上的初步研究利用了脑梗死模型来展示H₂的体内效果。在脑梗死后的再灌注期间吸入2%的H₂气体抑制了神经细胞的死亡，并随后导致体温和神经功能的改善[3]。
随后，对脑梗死患者进行了一项随机临床试验。25名患者接受了吸入3%氢气的治疗，而另外25名患者仅接受常规药物治疗。在NIH卒中临床量表评分和MRI结果中观察到了改善。此外，通过吸入氢气康复过程进行得很顺利。在涉及心脏梗死患者的临床试验中也观察到了积极的效果[40]。
从动物实验到临床研究
H₂已在200种动物模型中得到检验，取得了积极的结果，并为从动物实验向临床试验的过渡铺平了道路[27,28]。
健康效应
心脏骤停也会诱发缺血再灌注损伤，特别是影响大脑。在心率恢复后用3%H₂气体吸入治疗的心-肺骤停大鼠表现出改善的大脑保护和病理学判定，导致了记忆和运动功能的增强[41]。
H₂代表了健康、幸福和美容领域中的一种新方法。正在进行的研究正在探索其多方面的潜力益处，包括增强的运动能力、改善的肝功能、心血管健康、心理健康以及减缓氧化应激和衰老。继续深入研究对于全面阐明H₂水所提供的广泛健康优势是必要的。
通常，研究从小型动物开始，然后是对较大动物（如狗或猪）的研究，在某些情况下还包括猴子。临床试验是最后一步。然而，由于观察到显著的大脑保护作用，H₂被日本厚生劳动省认证为心脏骤停综合征后的先进疗法B。
H₂对健康个体日常生活的有益效果最初通过给予H₂水来检查。发现饮用H₂水可以在没有过度压力的日常生活情境中改善情绪、焦虑和自主功能[29]。
进行了多中心、随机、安慰剂对照、双盲试验。患者除了热调节治疗外还吸入了2%H₂与O₂，并调查了死亡率和神经学结果。令人惊讶的是，H₂联合低体温调节治疗组的90天死亡率不到仅接受低体温治疗组的一半（39%对15%），而46%的H₂组在没有后遗症的情况下恢复，而对照组只有21%。这些结果强烈表明，通过细致的研究，氢气疗法将拯救许多生命和生计，继续强调氢气对生命和死亡的深远影响[42]（图4）。
图4. 氢气降低了死亡率并改善了患者预后。多中心、随机、安慰剂对照、双盲试验证明了氢气的显著影响。死亡率减半，而无后遗症的患者数量翻倍。氢气对患者生存有深远的影响。
代谢综合征
代谢综合征的特征是以下至少三种医学状况之一：腹部肥胖、高血压、高血糖、高甘油三酯血症和高密度脂蛋白（HDL）胆固醇水平低，增加了患心血管疾病和2型糖尿病的风险。动脉粥样硬化性心血管和脑血管疾病是全球主要的疾病负担和死亡原因[43]。
使用db/db小鼠作为肥胖和糖尿病模型，这些小鼠的特点是无法控制的食欲导致暴饮暴食以及随后的肥胖和糖尿病，我们观察到饮用H₂水后体脂、血糖水平、胰岛素水平和血甘油三酯都有所减少。值得注意的是，与对照组小鼠相比，饮用氢气水并不影响食物或水的摄入量或运动活动，表明可能增强了能量代谢[26]（图5）。
在一项随机、双盲、安慰剂对照临床试验中，对氧化应激增强组进行了子分析，饮用氢气水与体重指数、总脂肪面积以及臀围和腰围的减小相关。
图5. 氢气水抑制db/db突变小鼠的肥胖。对照组和饮用氢气水的小鼠表现出类似的摄食量和饮水量以及运动活动。然而，饮用氢气水导致体脂、血糖水平、胰岛素水平和血甘油三酯减少。
我们通过饮用H₂水在动脉粥样硬化的小鼠模型中证明了抑制动脉硬化的效果[44]，并且正在进行的临床试验进一步研究了这一效果[43]。关于代谢综合征，一项合格研究的荟萃分析证实，饮用氢气水会导致血脂和胆固醇水平降低[45]。
痴呆症和阿尔茨海默病
阿尔茨海默病提出了一个艰巨的挑战，特别是由于其最强的风险因素——老龄化，涉及多种病因。相比之下，H₂提供了一种多方面的方法，包括抗氧化、抗神经炎症、抗细胞死亡和刺激能量代谢的特性。因此，H₂对预防阿尔茨海默病具有潜力。此外，H₂具有通过气体扩散穿过血脑屏障（BBB）到达大脑的优势，而无需特定的药物递送系统。
我们注意到，当动物被限制在小空间并受到身体压力时，大脑中会积累氧化应激，导致记忆功能受损。给受物理应激的小鼠饮用H₂水后，我们观察到记忆功能的下降得到了抑制[46]。接下来，为了调查可能抑制记忆力下降的潜力，我们利用基因操纵创建了痴呆模型小鼠，从14到18个月大时每天给予氢气水六个月。使用Y迷宫分析进行的认知评估显示，氢气水减轻了记忆衰退并抑制了海马体的神经元退化[47]（图6）。随后，针对轻度认知障碍的受试者进行了随机、安慰剂对照临床试验，这是痴呆的前兆。参与者每天饮用300毫升氢气水一年，使用ADAS-cog量表评估认知状态[48]。聚焦于携带APOEε4基因的受试者的亚组分析表明，这种显著的痴呆风险因子在使用氢气治疗后显示出显著的症状改善，超过了批准药物的疗效[47]。在一项涉及八名严重阿尔茨海默病患者的临床研究中，每天两次吸入3%氢气气六个月后，通过ADAS-cog评估显示出显著的认知增强，且在治疗停止后的另外六个月内持续。此外，通过MRI的张量扩散成像揭示了增加的神经元活动[50]。同时，一项韩国研究表明吸入氢气气降低了阿尔茨海默病标志物[53]，而一项中国研究报告了阿尔茨海默病患者的症状改善[54]。预计H₂在改善或减缓阿尔茨海默病方面具有多方面的潜力[55]。
癌症管理
我们已经通过动物实验和临床研究证明了H₂在缓解化疗和放疗引起的副作用方面的潜力[56, 57]。
吸入H₂气已经显示出改善晚期癌症患者预后的前景，可能通过两种机制介导：首先，通过减少CD8+T细胞上的PD-1表达，从而增强免疫功能；其次，通过增强线粒体激活经由4-HNE/Akt/FoxO1途径，从而缓解线粒体功能障碍并增强免疫活性[58, 59]。H₂作为癌症治疗的一种有前途的治疗方法，得到了涵盖27篇文章的系统综述的支持[60]。
图6. 分子氢缓解小鼠年龄依赖性痴呆。给痴呆模型小鼠提供氢气水，并使用Y迷宫分析进行认知评估。从14到18个月大时每天给予氢气水六个月，抑制了记忆衰退和海马体的神经元退化。
结论
H₂可能表现出显著的治疗潜力，惠及患有各种严重疾病的患者，并在不同人群中促进健康与福祉。氢气疗法可能是一种简单且低成本的治疗方式，副作用最小，并且有助于解决当今社会面临的许多重大问题，因此其使命是获得公众认可，并将其实际应用于现实世界。然而，还需要进一步的大规模临床研究来充分验证其疗效并解决当前的局限性，最终目标是治愈严重疾病并提高众多医疗条件下的生活质量。
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