氢氧吸入对老年膝关节炎的临床效果评估
氢气 - 氧气混合吸入作为老年膝骨关节炎患者居家锻炼辅助治疗的效果：一项开放标签、终点盲法的随机对照试验
目的：膝骨关节炎（KOA）是一种退行性关节疾病，会导致残疾和生活质量下降。分子氢已被证实具有抗氧化和抗炎特性，但很少有研究探讨其对骨关节炎的影响。我们的研究旨在评估氢气 - 氧气混合（H₂ - O₂）吸入对KOA的治疗潜力。
方法：在这项随机对照试验中，符合条件的老年KOA患者被随机分为H组或C组。两组均参加为期12周的居家锻炼（HBE）计划，包括膝关节锻炼和健康教育。H组在此基础上，额外连续2周每天进行60分钟的H₂ - O₂吸入，而C组则不进行。主要结局指标采用西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）进行评估。次要结局指标包括炎症水平（超敏C反应蛋白、中性粒细胞与淋巴细胞比值、血小板与淋巴细胞比值、淋巴细胞与单核细胞比值）、椅子站立试验（CST）、计时起立 - 行走测试（TUG）、36项简短健康调查（SF - 36）、运动依从性评定量表（EARS）以及不良事件。
结果：共纳入121名受试者，平均年龄81.2岁，女性占80.2%。在第12周时，两组间WOMAC总分的平均差异为 - 5.2（95%置信区间 - 12.1至1.7，P = 0.140），与基线相比，H组改善了 - 22.9（95%置信区间 - 26.3至 - 19.6，P < 0.001），C组改善了 - 19.4（95%置信区间 - 22.7至 - 16.0，P < 0.001），显示出显著的组间×时间交互作用（F（3, 356.034） = 14.425，P < 0.001）。在第12周时，两组在CST、TUG、SF - 36评分、EARS评分或不良事件发生率方面均未观察到显著差异。
结论：尽管未达到临床显著性，但在最初2周内，H₂ - O₂吸入缓解了正在进行HBE计划的老年患者的KOA症状，并增强了其功能活动。然而，未观察到其对改善KOA症状的持续效果。
1. 引言
膝骨关节炎（KOA）是一种常见的退行性关节疾病，会影响膝关节软骨及周围组织，其发病源于多种因素，如机械应力、炎症和代谢失调（Katz等人，2021）。其主要临床症状包括关节疼痛、肿胀、僵硬、关节功能受限，甚至可能导致功能丧失（Johnson和Hunter，2014；Liu等人，2015）。据估计，中国约21% - 33%的老年人受KOA影响，其发病通常随着年龄增长逐渐显现（Sun等人，2019）。值得注意的是，KOA会导致不良后果，包括残疾和生活质量（QoL）下降，最终造成巨大的社会经济负担（Sun等人，2019；Hunter和Bierma - Zeinstra，2019）。
根据临床指南，运动疗法是KOA的关键治疗方法，能够延缓疾病进展、缓解疼痛并改善膝关节功能（Huang等人，2018；Kolasinski等人，2019）。到目前为止，越来越多的学者认识到居家膝关节锻炼的价值，相关研究也证实了居家膝关节锻炼对缓解KOA患者疼痛和改善功能的有效性和可行性（Chen H.等人，2019；Safran - Norton等人，2019）。然而，不同研究中居家锻炼的干预措施大多存在差异，且在中国，同时涵盖膝关节锻炼和生活方式教育的综合干预措施较少。健康主动实践（IPFH）是一种全面的干预策略，旨在鼓励与均衡饮食、体育活动、社交参与和心理健康相关的健康促进行为，以培养更健康的生活方式（Zhang等人，2022）。基于IPFH的理念，我们为KOA患者设计了一个居家锻炼（HBE）计划，包括膝关节锻炼和关于生活方式行为的健康教育。尽管我们的初步研究证明了HBE计划在改善KOA相关症状和提高生活质量方面的有效性（Zhang，2023），但老年KOA患者的症状改善往往并不令人满意，这可能归因于他们身体功能和活动能力的下降。因此，开发安全有效的辅助疗法来管理老年KOA患者的症状至关重要。
众所周知，KOA的发病和进展主要归因于关节软骨的退变和损伤以及由此产生的慢性炎症反应（Lv等人，2021；Shumnalieva等人，2023）。有证据表明，运动疗法通过减少氧化应激、加速受损软骨的修复以及降低炎症因子水平，缓解了与KOA相关的疼痛并改善了功能症状（Fransen等人，2015；Wellsandt和Golightly，2018）。有趣的是，分子氢也被证明具有抗氧化和抗炎功能（Ishibashi，2013）。细胞和动物研究表明，富氢水或使用释氢水凝胶能有效减轻骨关节炎引起的软骨损伤、促进软骨再生、抑制细胞凋亡并加速软骨基质修复（Zhang等人，2023；Cheng等人，2020a）。这些益处可能与抑制软骨细胞中的JNK信号通路以及下调Wnt/β - 连环蛋白的激活有关（Lu等人，2021；Lin等人，2016）。然而，目前分子氢对骨关节炎临床结局（疼痛、僵硬和功能状态）的影响尚不清楚，且该领域尚无相关临床试验报道。
因此，我们的研究旨在评估氢分子在治疗KOA方面的治疗潜力。我们假设，对于正在进行HBE计划的老年KOA患者，与未吸入H₂ - O₂混合气体的患者相比，吸入氢气 - 氧气（H₂ - O₂）混合气体能改善KOA相关症状，如疼痛、僵硬和功能。
2. 材料与方法
2.1 研究设计与参与者
2023年7月至2024年2月，在中国泰康燕园持续照料退休社区（CCRC）进行了一项开放标签、终点盲法的随机对照试验。该CCRC的招募过程通过横幅和内部社交媒体广告进行。本研究获得首都医科大学三博脑科医院伦理委员会批准（SBNK - YJ - 2023 - 014 - 01），并在中国临床试验注册中心注册（ChiCTR2300073102）。参与者或其法定授权代表在入组前签署了知情同意书。
参与者需满足以下纳入标准：1）年龄≥65岁；2）根据泰康医疗记录确诊为KOA；3）Kellgren - Lawrence（KL）分级为2级或3级；4）KOA病程≥6个月且未接受关节置换手术或关节镜手术；5）在过去一周内，自我报告的膝关节疼痛在数字评分量表（NRS）上≥4分。参与者的排除标准包括以下情况：1）精神障碍；2）认知障碍；3）严重的系统性疾病，如严重心肺疾病或多器官衰竭；4）无法配合完成锻炼；5）对吸入疗法不耐受；6）在过去3个月内参与过其他临床试验。
2.2 随机化与盲法
符合研究条件的参与者以1:1的比例被随机分配至H₂ - O₂混合气体吸入组（H组）或对照组（C组）。随机化由未参与研究的研究人员进行，采用区组随机化，区组大小为4和6。随机化代码密封在不透明的信封中并按顺序编号，招募完成后由研究人员依次揭晓。参与者在完成基线评估后被告知其随机分组情况。只有结局评估者对分组和治疗情况不知情。
2.3 研究流程
所有纳入的参与者都要进行为期12周的HBE计划，主要包括针对KOA的生活方式行为健康教育和居家锻炼治疗。所有参与者需在第4周和第8周参加在CCRC举办的健康讲座。健康教育包括4个模块，涵盖临床表现和危险因素的概念、膝关节疼痛管理策略、饮食建议以及KOA的运动指导。讲座结束后，每位参与者会收到一份打印的KOA居家锻炼指导手册资料。此外，研究助理会协助参与者在手机上登录我们的北方智慧平台。在该平台上，他们可以观看居家膝关节锻炼视频和健康知识短视频，增强对健康和锻炼知识的理解与记忆。
膝关节锻炼治疗方案是基于文献综述、临床实践和多学科专家组讨论制定的。主要目标是增强下肢肌肉力量、改善平衡、减轻疼痛并缓解膝关节僵硬。锻炼方案包括热身运动、被动膝关节屈伸、股四头肌等长收缩、仰卧直腿抬高、俯卧抬腿、抗阻膝关节屈伸（详细内容见补充文件1）。在研究期间的12周内，所有参与者每周至少3天进行上述居家锻炼，每天45 - 60分钟。最初的膝关节锻炼由专业的疼痛科医生和物理治疗师指导，后续的居家膝关节锻炼则在无监督的情况下独立完成。此外，参与者需记录他们每天居家锻炼的完成情况。成功完成12周居家锻炼方案的参与者将获得一份礼物，以激励他们坚持居家锻炼。同时，在第1、3、6和10周对参与者进行电话访谈，评估他们的锻炼进展并鼓励坚持锻炼方案（图1）。
图1. 氢气 - 氧气吸入与居家锻炼计划流程图。缩写：TI，电话访谈；HL，健康讲座。
2.4 干预与对照
H组参与者使用鼻导管和AMS - H - 01型氢氧雾化器（由中国上海安舒莱医疗科技有限公司生产）进行氢气 - 氧气混合吸入，氢气流量为2.0升/分钟，氧气流量为1.0升/分钟。连续2周，每天吸入60分钟。我们的干预方案参考了已发表的关于氢气 - 氧气吸入缓解带状疱疹后神经痛的研究（Wang等人，2016）。相反，C组参与者不接受氢气 - 氧气混合吸入治疗。
2.5 结局指标测量
本研究的主要结局指标包括与膝骨关节炎（KOA）相关的疼痛、关节僵硬和功能状态，通过西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）进行评估（Bellamy等人，1988）。该指数由24个项目组成：5个用于疼痛评估，2个用于关节僵硬评估，17个用于关节功能评估。每个项目采用视觉模拟评分法（VAS）进行评估，得分范围为0到10分（Heller等人，2016）。得分越高，表明疼痛、关节僵硬程度越严重或关节功能受限越大。我们使用的WOMAC量表是经过验证的中文版，具有良好的内部信度和重测信度（Xie等人，2008）。
本研究的次要结局指标包括炎症水平，通过中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）、血小板与淋巴细胞比值（PLR）、淋巴细胞与单核细胞比值（LMR）和超敏C反应蛋白（hs - CRP）进行测量，以及其他客观评估指标，如椅子站立试验（CST）、计时起立 - 行走测试（TUG）和生活质量（QoL）。hs - CRP、NLR和PLR水平升高，同时LMR水平降低，表明炎症反应加剧。在CST测试中，参与者坐在45厘米高的无扶手椅子上，双脚与肩同宽，双臂交叉于胸前。要求他们在30秒内尽可能多地完成从坐到站的循环动作（Jones等人，1999）。对于TUG测试，参与者被要求从椅子上站起，行走3米，转身，回到起始位置并坐下（Sabirli等人，2013）。CST和TUG测试均进行两次，中间休息5分钟以尽量减少疲劳。记录CST中的最大完成次数和TUG测试的总时长（以秒为单位）。生活质量使用36项简短健康调查（SF - 36）进行测量（Brazier等人，1992）。该量表评估健康的8个维度：生理功能（PF）、身体疼痛（BP）、因身体健康问题导致的角色限制（RP）、因情感问题导致的角色限制（RE）、总体心理健康（MH）、社会功能（SF）、活力（VIT）和总体健康（GH）。得分越高表明健康状况越好。使用运动依从性评定量表（EARS）评估居家锻炼的依从性，该量表评分范围为0 - 24分（Newman - Beinart等人，2017）。EARS得分越高表明对锻炼方案的依从性越好。
2.6 数据收集与随访
通过泰康医疗电子系统收集基线数据，包括年龄、性别、体重指数（BMI）、教育程度、患侧、KOA病程、镇痛药使用情况和病史。使用膝关节X线成像评估KL分级（Liew等人，2023）。在入组评估时评估膝关节疼痛的NRS评分、WOMAC基线、CST、TUG和SF - 36。在基线和第12周时检测NLR、PLR、LMR和hs - CRP。
参与者在入组后的第2、6和12周安排随访。在这些随访访谈中，在第2、6和12周评估WOMAC、CST和TUG。在第12周进行SF - 36和依从性评估。此外，记录试验期间发生的任何不良事件。
2.7 样本量计算
样本量计算基于先前的一项随机对照试验，其中KOA患者运动干预组的标准差（SD）为15.2（Chao等人，2021）。在各种研究中计算出的WOMAC总分的最小临床重要差异（MCID）范围为9到22分（Bhandari等人，2019）。我们假设氢气 - 氧气混合吸入与居家锻炼相结合，与仅接受居家锻炼的对照组相比，可使KOA患者的WOMAC评分降低9分。因此，我们计划每组招募46名患者，在双侧显著性水平为5%的情况下，检验效能达到80%。考虑到预计20%的脱落率，本研究计划至少招募116名患者。
2.8 统计分析
使用Kolmogorov - Smirnov检验评估定量变量的正态性。连续数据根据其分布情况表示为中位数和四分位数间距（IQR）或均值和标准差。分类数据以频率分布表示。根据数据类型和分布，使用Mann - Whitney U检验、Student's t检验或卡方检验进行差异分析。采用线性混合效应模型分析重复测量数据，包括WOMAC及WOMAC子量表得分、CST和TUG。固定效应包括治疗组、时间效应以及治疗×时间交互作用。治疗×时间交互作用的显著性表明存在显著的治疗效果。随机效应包括时间，允许截距和斜率变化。进行事后探索性分析，以评估主要结局在预先定义的亚组（包括年龄、性别、KL分级、EARS评分和KOA病程）中的异质性。使用一般线性模型分别检验每个亚组因素的治疗与协变量的交互作用。重复测量数据的结果以均值和95%置信区间（CI）表示。意向性分析（ITT）被视为主要分析，符合方案分析被视为敏感性分析，以验证结果的稳健性。当缺失值占数据的比例小于20%时，使用均值插补法填补缺失数据。如果缺失数据超过20%，则不进行插补，分析仅限于可用数据。
所有统计分析均使用SPSS（版本23.0，IBM，美国）和GraphPad Prism（版本8.0，GraphPad，美国）进行。采用双侧统计检验，P < 0.05表示具有统计学意义。
3. 结果
在最初为该研究筛查的169名受试者中，17名不符合纳入标准，31名拒绝参与。最终，121名受试者被纳入研究，其中61名被分配到H组，60名被分配到C组。然而，每组各有2名受试者因倾向于更换到另一组而未接受分配的干预措施。此外，H组有15名受试者、C组有14名受试者中断了研究。在H组中，4名失访，2名依从性差，6名氢气 - 氧气吸入时间增加或减少，3名接受了关节腔内注射。在C组中，9名失访，3名依从性差，2名接受了关节腔内注射。最后，每组各有46名受试者完成了12周的研究周期（图2）。
图2. 受试者入组流程图
3.1 基线特征
本研究纳入的个体大多为女性（80.2%，97/121），平均年龄为81.2 ± 6.1岁。双侧膝骨关节炎最为常见，影响了66.9%（81/121）的参与者，而KL 3级是最常见的分级，影响了52.9%（64/121）的受试者。膝骨关节炎的中位病程为20（10 - 30）年。膝关节疼痛的平均数字评分量表（NRS）评分为4.4 ± 0.7。两组在人口统计学特征和合并疾病方面未观察到显著差异（表1）。通过预方案分析也得到了类似结果（补充表S1）。
表1. 基于意向性分析（ITT）的参与者基线时按分组的人口统计学和临床特征
3.2 膝骨关节炎（KOA）的疼痛强度、僵硬程度及功能
WOMAC总分及其各子量表分数的数据分布和变化详见表2和图3。在意向性分析（ITT）中，线性混合效应模型显示，第12周时两组间WOMAC总分的平均差异为 - 5.2（95%置信区间 - 12.1至1.7，F(1, 135.411) = 2.206，P = 0.140），与基线相比，H组改善了 - 22.9（95%置信区间 - 26.3至 - 19.6，F(3, 356.034) = 128.131，P < 0.001），C组改善了 - 19.4（95%置信区间 - 22.7至 - 16.0，F(3, 356.034) = 100.426，P < 0.001）。值得注意的是，WOMAC总分的平均差异在第2周达到峰值（平均差值： - 8.0，95%置信区间 - 14.9至 - 1.1，F(1, 135.411) = 5.229，P = 0.024），表明存在明显的下降趋势。此外，第12周时，WOMAC疼痛分数和功能分数的组间平均差异分别为 - 0.2（95%置信区间 - 1.9至1.5，F(1,169.895) = 0.032，P = 0.858）和 - 5.2（95%置信区间 - 11.1至0.7，F(1, 135.326) = 3.070，P = 0.082），与基线相比，H组疼痛分数改善了 - 6.9（95%置信区间 - 8.3至 - 5.5，F(3, 349.291) = 66.295，P < 0.001），功能分数改善了 - 14.2（95%置信区间 - 17.0至 - 11.4，F(3, 356.451) = 71.845，P < 0.001）；C组疼痛分数改善了 - 5.8（95%置信区间 - 7.2至 - 4.4，F(3, 349.291) = 43.290，P < 0.001），功能分数改善了 - 12.2（95%置信区间 - 15.0至 - 9.4，F(3, 356.451) = 64.406，P < 0.001）。同样，WOMAC疼痛分数（平均差值： - 0.8，95%置信区间 - 2.5至0.9，F(1, 169.895) = 0.866，P = 0.353）和功能分数（平均差值： - 7.4，95%置信区间 - 13.3至 - 1.6，F(1, 135.326) = 6.254，P = 0.014）的平均差异也在第2周达到顶点，表明下降模式有所不同。两组间WOMAC总分（F(3, 356.034) = 14.425，P < 0.001）、疼痛分数（F(3, 349.291) = 6.218，P < 0.001）和功能分数（F(3, 356.451) = 8.870，P < 0.001）存在显著的组×时间交互作用，而WOMAC僵硬分数（F(3, 355.959) = 1.544，P = 0.230）未观察到显著的组×时间交互作用。通过预方案分析也得到了类似结果（补充表S2）。在亚组分析中，治疗组与预先定义的因素（如年龄、性别、KL分级、EARS评分和KOA病程）之间没有显著的交互作用（图4）。
表2.随访中各组患者WOMAC评分、CST、TUG的ITT分析。
图3 在研究期间，H组和C组之间的WOMAC总分及其子量表得分。(A)WOMAC总分的分布情况。(B)WOMAC疼痛评分的分布情况。(C)WOMAC刚度评分的分布。(D)WOMAC函数得分的分布。缩写： WOMAC，西安大略省和麦克马斯特大学骨关节炎指数。
图4. 评估H组与C组在预先定义亚组中WOMAC总分改善情况的森林图。缩写：KL， Kellgren - Lawrence（分级）；EARS，运动依从性评定量表；KOA，膝骨关节炎。
3.3 椅子站立试验和计时起立 - 行走测试
两组的椅子站立试验（CST）和计时起立 - 行走测试（TUG）基线数据具有可比性。CST的组间平均差异从0.7（95%置信区间 - 0.5至1.8，F(1, 146.764) = 1.405，P = 0.238）增加到0.9（95%置信区间 - 0.3至1.9，F(1, 146.764) = 2.264，P = 0.135），TUG的组间平均差异从 - 1.4（95%置信区间 - 3.4至0.7，F(1, 134.075) = 1.795，P = 0.183）降至 - 1.1（95%置信区间 - 3.1至0.9，F(1, 134.075) = 1.134，P = 0.289）。对于CST，与基线相比，H组在第12周时显著增加（平均差值： - 3.0，95%置信区间： - 3.7至 - 2.3；F(3, 354.157) = 48.769，P < 0.001）。同样，C组在第12周时CST也显著增加（平均差值： - 2.8，95%置信区间： - 3.5至 - 2.1；F(3, 354.157) = 46.245，P < 0.001）。对于TUG，与基线相比，H组在第12周时显著降低（平均差值：2.1，95%置信区间：1.2至3.1；F(3, 355.671) = 12.027，P < 0.001）。同样，C组在第12周时TUG也相比基线显著降低（平均差值：2.4，95%置信区间：1.5至3.4；F(3, 355.671) = 17.069，P < 0.001）。基于线性混合效应模型，意向性分析（ITT）表明，在整个研究期间，两组的CST均呈现显著上升趋势（时间效应：F(3, 354.157) = 93.694，P < 0.001），TUG均呈现显著下降趋势（时间效应：F(3, 355.671) = 28.247，P < 0.001）。然而，两组之间在CST（组效应：F(1, 121.740) = 1.957，P = 0.164）或TUG（组效应：F(1, 120.595) = 1.747，P = 0.189）方面均未观察到组间效应。两组之间在CST（F(3, 354.157) = 1.299，P = 0.274）和TUG（F(3, 355.671) = 0.891，P = 0.446）上的组×时间交互作用不显著。CST和TUG的数据分布及变化见表2和图5。预方案分析也得出了类似的结果（补充表S2）。
图5. 研究期间H组和C组的CST和TUG情况。(A) CST的分布。(B) TUG的分布。缩写：CST，椅子站立试验；TUG，计时起立 - 行走测试。
3.4 炎症水平（超敏C反应蛋白、中性粒细胞与淋巴细胞比值、血小板与淋巴细胞比值和淋巴细胞与单核细胞比值）
H组共有23名受试者，C组有21名受试者进行了超敏C反应蛋白（hs - CRP）、中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）、血小板与淋巴细胞比值（PLR）和淋巴细胞与单核细胞比值（LMR）的基线检测。两组的hs - CRP（H组：3.69 [2.09 - 5.78] 对比 C组：4.36 [2.36 - 5.73]，Z(42) = - 0.282，P = 0.778）、NLR（H组：2.22 [1.76 - 3.58] 对比 C组：2.08 [1.29 - 2.50]，Z(42) = - 1.022，P = 0.307）、PLR（H组：135.9 [90.2 - 161.5] 对比 C组：120.6 [98.7 - 180.8]，Z(42) = - 0.223，P = 0.823）和LMR（H组：4.76 [3.61 - 6.48] 对比 C组：4.83 [3.78 - 6.45]，Z(42) = - 0.153，P = 0.879）基线水平具有可比性（表3；图6）。试验结束时，H组12名受试者和C组18名受试者进行了相同检测。与基线相比，H组hs - CRP（基线：3.69 [2.09 - 5.78] 对比 第12周：2.50 [1.91 - 4.77]；Z(5) = - 0.105，P = 0.917）、NLR（基线：2.22 [1.76 - 3.58] 对比 第12周：1.73 [1.08 - 2.94]；Z(5) = - 0.734，P = 0.463）和PLR（基线：135.9 [90.2 - 161.5] 对比 第12周：104.2 [65.3 - 166.6]；Z(5) = - 0.105，P = 0.917）降低，同时LMR（基线：4.76 [3.61 - 6.48] 对比 第12周：5.53 [3.03 - 8.51]；Z(5) = - 0.943，P = 0.345）升高，但这些变化均未达到统计学意义。同样，C组中，hs - CRP（基线：4.36 [2.36 - 5.73] 对比 第12周：2.63 [0.99 - 5.01]；Z(6) = - 0.169，P = 0.866）、NLR（基线：2.08 [1.29 - 2.50] 对比 第12周：2.02 [1.57 - 3.95]；Z(6) = - 0.338，P = 0.735）和PLR（基线：120.6 [98.7 - 180.8] 对比 第12周：115.4 [84.6 - 193.3]；Z(6) = - 0.338，P = 0.735）降低，而LMR（基线：4.83 [3.78 - 6.45] 对比 第12周：5.11 [3.22 - 7.56]；Z(6) = - 0.676，P = 0.499）升高，但这些变化同样无统计学意义。然而，在第12周时，两组在hs - CRP（H组：2.50 [1.91 - 4.77] 对比 C组：2.63 [0.99 - 5.00]，Z(28) = - 0.487，P = 0.626）、NLR（H组：1.73 [1.08 - 2.94] 对比 C组：2.02 [1.57 - 3.95]，Z(28) = - 0.762，P = 0.446）、PLR（H组：104.2 [65.3 - 166.6] 对比 C组：115.4 [84.7 - 193.3]，Z(28) = - 0.762，P = 0.446）和LMR（H组：5.53 [3.03 - 8.51] 对比 C组：5.11 [3.22 - 7.56]，Z(28) = - 0.296，P = 0.767）方面未发现显著差异（表3；图6）。符合方案分析中也观察到类似结果（补充表S3）。
表3.随访参与者炎症水平的ITT分析。
图6. 研究期间H组和C组的炎症水平。(A) 超敏C反应蛋白（hs - CRP）分布。(B) 中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）分布。(C) 血小板与淋巴细胞比值（PLR）分布。(D) 淋巴细胞与单核细胞比值（LMR）分布。缩写：hs - CRP，超敏C反应蛋白；NLR，中性粒细胞与淋巴细胞比值；PLR，血小板与淋巴细胞比值；LMR，淋巴细胞与单核细胞比值。
3.5 生活质量
意向性分析（ITT分析）表明，基线时两组在以下各项得分上无显著差异：生理功能（PF）（H组：54.0 ± 15.5，C组：51.1 ± 17.8，t(119) = 0.967，P = 0.336）、躯体疼痛（BP）（H组：42.7 ± 11.3，C组：43.4 ± 13.3，t(119) = −0.340，P = 0.735）、角色功能（RP）（H组：49.6 ± 40.4，C组：55.4 ± 39.9，t(119) = −0.798，P = 0.427）、情感职能（RE）（H组：66.1 ± 39.7，C组：70.6 ± 35.3，t(119) = -0.650，P = 0.517）、精神健康（MH）（H组：66.6 ± 14.0，C组：69.0 ± 15.6，t(119) = −0.882，P = 0.380）、社会功能（SF）（H组：78.5 ± 14.8，C组：81.5 ± 16.8，t(119) = -1.032，P = 0.304）、活力（VIT）（H组：65.8 ± 14.3，C组：67.5 ± 11.3，t(119) = −0.717，P = 0.475）以及总体健康（GH）（H组：45.6 ± 15.3，C组：47.3 ± 17.8，t(119) = −0.565，P = 0.572）（表4）。
经过12周的研究期后，与基线相比，两组的PF（H组：平均差（MD）−22.0，95%置信区间（CI）−25.4至−18.7，t(60) = −13.113，P < 0.001；C组：MD -21.6，95%CI −25.1至18.0，t(59) = −12.103，P < 0.001）、BP（H组：MD −24.7，95%CI −27.8至−21.7，t(60) = −16.109，P < 0.001；C组：MD −21.4，95%CI −24.3至−18.4，t(59) = −14.592，P < 0.001）、RP（H组：MD −36.8，95%CI −46.4至−27.3，t(60) = −7.719，P < 0.001；C组：MD −28.9，95%CI −37.1至−20.7，t(59) = -7.083，P < 0.001）、RE（H组：MD −20.9，95%CI −30.7至−11.0，t(60) = −4.241，P < 0.001；C组：MD −22.1，95%CI -30.9至−13.4，t(59) = -5.066，P < 0.001）、MH（H组：MD -14.2，95%CI −17.7至−10.7，t(60) = −8.050，P < 0.001；C组：MD −11.5，95%CI −15.4至−7.7，t(59) = −5.954，P < 0.001）、SF（H组：MD −21.7，95%CI −25.3至−18.1，t(60) = −12.088，P < 0.001；C组：MD −17.3，95%CI −21.4至−13.2，t(59) = −8.368，P < 0.001）、VIT（H组：MD −13.0，95%CI −16.6至−9.5，t(60) = −7.330，P < 0.001；C组：MD −10.0，95%CI −12.9至−7.2，t(59) = −7.005，P < 0.001）和GH（H组：MD −9.5，95%CI −12.7至−6.1，t(60) = -5.687，P < 0.001；C组：MD −7.5，95%CI -10.8至−4.2，t(59) = -4.522，P < 0.001）得分均显著提高（补充表S4）。然而，12周时两组在PF（H组：76.0 ± 12.8，C组：72.6 ± 11.7，t(119) = 1.521，P = 0.131）、BP（H组：67.4 ± 13.7，C组：64.8 ± 10.8，t(119) = 1.158，P = 0.249）、RP（H组：86.4 ± 22.4，C组：84.3 ± 21.1，t(119) = 0.532，P = 0.596）、RE（H组：87.0 ± 20.6，C组：92.7 ± 16.3，t(119) = −1.684，P = 0.095）、MH（H组：80.8 ± 9.5，C组：80.5 ± 8.1，t(119) = 0.177，P = 0.860）、SF（H组：100.2 ± 12.8，C组：98.8 ± 12.4，t(119) = 0.629，P = 0.530）、VIT（H组：78.9 ± 9.0，C组：77.5 ± 8.0，t(119) = 0.837，P = 0.404）和GH（H组：55.0 ± 15.6，C组：54.8 ± 15.7，t(119) = 0.087，P = 0.931）得分上未观察到显著差异（表4）。在方案前分析中也观察到了类似的结果（补充表S5、S6）。
表4. 基于意向性分析（ITT）的不同分组在基线及12周时的SF - 36评分分析
3.6 依从性与不良事件
在依从性方面，意向性分析显示两组间运动依从性评定量表（EARS）得分无显著差异（H组：21.5 ± 3.7，C组：20.9 ± 3.0，t(119) = 1.046，P = 0.298）。预方案分析中也观察到类似结果（H组：21.8 ± 2.6，C组：21.5 ± 2.7，t(90) = 0.513，P = 0.609）。
关于不良事件，H组共报告3例不良事件（5.0%，3/61），包括2例头痛（3.3%，2/61）和1例鼻腔干燥（1.6%，1/61）。相比之下，C组报告1例下肢肌肉疼痛不良事件（1.7%，1/60）。两组不良事件发生率无显著差异（H组：5.0%，3/61；C组：1.6%，1/60，χ² = 0.242，P = 0.619）。此外，我们观察到H组有3名受试者和C组有2名受试者出现膝关节疼痛加重，随后接受了关节腔内注射。因此，这5名受试者退出研究，并被排除在预方案分析之外。
4. 讨论
据我们所知，这是第一项探究分子氢对老年膝骨关节炎（KOA）患者症状改善影响的临床研究。我们的研究发现，在为期12周的研究期间，对于正在进行相同居家锻炼（HBE）计划的老年KOA患者，与未吸入氢气 - 氧气（H₂ - O₂）混合气体的患者相比，吸入H₂ - O₂混合气体可改善通过西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数（WOMAC）衡量的功能状态。然而，WOMAC评分的改善为8分，低于9分的最小临床重要差异。此外，在其他次要结局方面，包括炎症水平、客观功能测试、生活质量改善和不良事件，均无差异。
尽管KOA是导致残疾的主要原因，但目前尚无治愈方法或能改变疾病进程的治疗手段（Hunter等人，2020）。关节软骨的退变和损伤被认为是KOA发展的关键机制，氧化应激和炎症反应共同促成了这一病理过程（Lv等人，2021；Shumnalieva等人，2023；Liao等人，2023）。当前研究主要聚焦于延缓软骨损伤和退变。众所周知，活性氧（ROS）可诱导软骨细胞和间充质干细胞的细胞外基质流失、细胞衰老、线粒体功能障碍和细胞凋亡，导致软骨下骨流失并加速骨关节炎（OA）的发生（Tudorachi等人，2021）。运动疗法因具有减轻氧化应激和减少炎症的潜力，被广泛作为KOA的主要治疗方法（Fransen等人，2015；Wellsandt和Golightly，2018）。此外，分子氢也已被证实在治疗ROS诱导的疾病和炎症相关疾病中发挥重要作用。Ishibashi等人证明，饮用富氢水可降低类风湿性关节炎（RA）患者的28个关节疾病活动度评分（DAS28）和8 - 羟基脱氧鸟苷（8 - OHdG）水平（Ishibashi等人，2012）。另一项研究也表明，输注富氢盐水可降低DAS28，输注后血清生物标志物如白细胞介素 - 6（IL - 6）和8 - OHdG显著降低（Ishibashi等人，2014）。其潜在机制可能归因于氢分子抑制氧化应激和抑制炎症反应的特性。越来越多的证据表明，氢分子可通过抑制Nrf - 2/HO - 1和NF - κB通路来增强抗氧化能力，从而对伤口愈合、缺氧/缺血性损伤和阿尔茨海默病起到治疗作用（Li等人，2022；Cai等人，2008；Wang等人，2011）。此外，分子氢通过直接中和有害自由基，如羟基自由基（⋅OH）和过氧亚硝基阴离子（ONOO⁻），而不影响一氧化氮等生理上重要的自由基，发挥抗氧化作用（Ohta，2011）。进一步的证据表明，氢分子可能通过抑制氧化应激、基质分解代谢和细胞凋亡来对抗OA的进展（Cheng等人，2020b）。此外，先前的研究表明，氢的抗炎特性包括下调多种促炎细胞因子和趋化因子，如肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）和IL - 6，同时上调抗炎细胞因子如白细胞介素 - 10（IL - 10）的转录水平（Saramago等人，2019；Nogueira等人，2018）。减少炎症因子可能有助于延缓KOA的进展并改善相关症状。
类风湿性关节炎（RA）与自身免疫性疾病相关，与骨关节炎（OA）不同，然而，这两种疾病均由氧化应激和炎症反应驱动。因此，我们推测H₂ - O₂混合气体吸入与居家锻炼相结合对KOA症状的改善效果优于单独的居家锻炼。尽管观察到WOMAC评分有所改善，但与单独的居家锻炼相比，H₂ - O₂混合气体吸入与居家锻炼相结合在第12周时并未产生临床显著差异（WOMAC量表上的最小临床重要差异为9 - 22分）。这一发现的一个潜在解释是，为期2周的吸入疗法可能没有提供足够的抑制氧化应激和炎症反应的效果，以实现有意义的临床差异。如炎症水平所示，尽管在第12周时两组在超敏C反应蛋白（hs - CRP）、中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）、血小板与淋巴细胞比值（PLR）和淋巴细胞与单核细胞比值（LMR）方面未观察到显著差异，但与基线相比，hs - CRP、NLR和PLR降低，而LMR升高。这表明炎症水平有所降低，尽管尚未达到统计学意义。我们不能排除延长H₂ - O₂混合气体吸入时间或采用其他干预方法，如输注富氢盐水或向膝关节内注射，可能会产生不同的结果。
KOA症状改善缺乏临床显著差异可能是多因素造成的。改善情况在很大程度上取决于对居家锻炼的依从性，以及其他因素，如年龄、性别、Kellgren - Lawrence（KL）分级和KOA病程（Marks，2012）。在我们的研究中，两组的EARS得分相当。对HBE计划依从性差的参与者被排除在预方案分析之外，但主要结局与意向性分析结果一致。此外，进行亚组分析以确定其他因素，包括年龄、性别、KL分级、EARS得分和KOA病程，对临床结局（WOMAC评分）的影响。结果表明，不同患者组，特别是对HBE计划依从性不同的患者组，H₂ - O₂混合气体吸入疗法对KOA症状的改善没有显著差异。这凸显了进一步研究不同氢治疗方法和时长对缓解KOA症状效果的必要性。
本研究在第2、6和12周进行了多次评估，以检查H₂ - O₂吸入疗法对KOA患者症状改善的持续效果。在Hirohisa Ono的研究中，为期6个月的H₂ - O₂吸入显著改善了通过阿尔茨海默病评估量表 - 认知部分（ADAS - Cog）和弥散张量成像（DTI）评估的结果，为阿尔茨海默病患者不仅提供了暂时缓解，而且在停止H₂ - O₂治疗后至少6个月内仍有持续益处（Ono等人，2023）。同样，Ishibashi等人报告称，为期5天的氢盐水输注降低了RA患者的28个关节疾病活动度评分以及IL - 6、8 - OHdG和基质金属蛋白酶 - 3（MMP3）水平，效果持续长达4周（Ishibashi等人，2014）。尽管其机制尚不清楚，但这些效果可能涉及抗细胞死亡特性，如通过减少过氧化物抑制铁死亡以及调节促死亡和抗死亡因子（Iuchi等人，2019；Terasaki等人，2011）。然而，我们的研究未观察到H₂ - O₂吸入疗法后KOA患者症状的持续改善。未来的研究将集中于探索H₂ - O₂吸入疗法的剂量 - 反应关系，以更好地了解其治疗潜力。
关于H₂ - O₂混合气体吸入的安全性，我们的研究观察到头痛和鼻腔干燥的不良反应，在停止H₂ - O₂吸入后这些症状自行缓解。头痛可能与氢分子引起的血管舒张有关，因为一项研究报告称H₂ - O₂混合气体吸入可降低血浆血管紧张素II和醛固酮水平，从而扩张血管并降低血压（Liu等人，2022）。鼻腔干燥可能归因于通过鼻导管的吸入方式和吸入流速（Chen J. B.等人，2019）。此外，许多已发表的涉及吸入约67% H₂和33% O₂组成的气体的临床试验均未报告任何严重不良事件（Lin等人，2020；Dan等人，2023；Zheng等人，2021）。
我们的研究仍存在局限性。首先，这项开放标签试验意味着研究人员和受试者都知晓实际的干预措施，这可能导致患者报告的结局数据出现潜在偏差。其次，我们采用了多种方法，包括健康讲座、电话随访和阶段性奖励，以提高参与者对居家锻炼的依从性，且两组间EARS得分无差异。然而，由于依从性评估在试验结束时进行，且依赖于对自我报告的居家锻炼的回顾性评估，信息偏差可能仍然不可避免。第三，本研究未分析血浆炎症标志物，包括IL - 6、IL - 10和TNF - α的水平，也未进行相关的动物和细胞实验来探索氢分子改善KOA症状的机制。第四，对照组未接受氧气吸入。根据计算吸入氧分数（FiO₂ = 21% + 4 × 氧气流速）的公式，干预组的FiO₂约为25%，而对照组的FiO₂为21%，相当于环境空气中的氧气浓度。尽管4%的FiO₂差异不太可能影响结果，且尚无研究表明氧气吸入对OA有治疗作用，但这仍是本研究的一个局限性。最后，居住在该持续照料退休社区（CCRC）的参与者教育水平较高且健康意识良好，定期接受家庭医生的健康指导。因此，我们无法确定这些结果是否能外推至其他老年群体。
5. 结论
作为一种辅助治疗，H₂ - O₂混合气体吸入似乎在最初2周内对正在进行HBE计划的老年患者改善KOA症状具有治疗潜力，尽管未达到临床显著差异。未观察到H₂ - O₂混合气体吸入对改善KOA症状的持续效果。未来的研究应探索不同的吸入时长和干预方法，以及进行体外和体内实验，以进一步阐明氢分子在KOA疾病中的作用和机制。
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