氢疗法的机制、给予方式及应用

摘要：氢分子（H₂）被公认为是最小的气体分子，它能够穿透细胞膜并在全身扩散。由于具有高生物利用度，氢气被视为一种可用于治疗多种疾病的治疗性气体。氢气的治疗效果取决于多种因素，如给药方式、与患病组织的接触时长以及在靶位点的浓度。氢气既可以通过外源性给药，也可在肠道内由机体自身产生。全面了解氢气的输送机制和作用方式，对于推动氢医学的发展至关重要。

这篇综述着重阐述了氢气的作用机制，总结了其给药方式，并探讨了氢气在治疗肠道疾病（如炎症性肠病、肠缺血再灌注损伤、结直肠癌等）方面的进展。此外，还讨论了氢气在其他疾病治疗中的应用。最后，分析了氢气在临床应用中面临的挑战，并探讨了可能的解决方案。

作者认为，通过使用纳米平台可以有效解决目前氢气输送所面临的难题；此外，氢气与肠道微生物群之间的相互作用，或许能为揭示其治疗肠道疾病的机制提供思路。未来的研究应探索氢气与传统疗法的协同作用，并制定个性化的治疗方案，以实现精准医疗。

本文原文作者来自山东烟台滨州医学院

Jin J, Yue L, Du M, Geng F, Gao X, Zhou Y, Lu Q, Pan X. Molecular Hydrogen Therapy: Mechanisms, Delivery Methods, Preventive, and Therapeutic Application. MedComm (2020). 2025 Apr 28;6(5):e70194.

1. 引言

氢气（H₂）是一种在常温常压下无色、无味、高度易燃且难溶于水的气体。它也是一种具有还原性的惰性气体[1]。1975年，多尔（Dole）等人[2]首次证明了氢气在治疗皮肤癌方面的潜力，这标志着氢气作为一种治疗工具的首次亮相。然而，这一发现并没有立即转化为氢气在更广泛临床领域的应用。直到2007年，大泽（Ohsawa）等人[3]在《自然·医学》杂志上发表了一篇文章，阐述了使用2%的氢气能够选择性清除羟基自由基（•OH）和过氧亚硝基阴离子（ONOO⁻），用于治疗大鼠的脑缺血再灌注（I/R）损伤。这一突破代表了氢医学领域的重大进展。从那以后，大量研究表明氢气在多种疾病中具有保护和治疗作用，这些疾病包括神经退行性疾病[4, 5, 6, 7]、心血管疾病[8]、癌症[9, 10]、皮肤病[11]、败血症[12]、血液系统疾病[13]以及新冠肺炎[14]。氢气在这些领域的治疗效果不仅归因于其抗氧化特性，还得益于它的抗炎、抗凋亡和抗过敏能力。深入了解氢气的作用机制对于在不同医疗状况下有效发挥其潜力至关重要。

与一氧化碳、一氧化氮（NO）和硫化氢（H₂S）等其他气体信号分子不同，氢气具有出色的安全性，即使在高浓度下也能发挥保护作用而没有毒性风险[15, 16]。尽管氢气具有高度的生物相容性，但其临床应用受到其低溶解度以及高扩散性带来的挑战的限制[17]。多项研究表明，氢气在内源上可作为一种信号分子发挥作用[18]，调节特定的分子通路[19]。在动物模型和人类患者中，为了治疗目的输送氢气主要有两种策略：外源性给药和内源性生成。外源性输送方法包括吸入氢气[20]、饮用富氢水（HRW）[21]、注射富氢盐水（HRS）[22]以及泡氢水浴[23]。内源性氢气的生成可以通过摄入菊粉和乳果糖等物质来增强，这些物质能促进肠道产氢细菌产生氢气[24]。选择合适的氢气输送方法至关重要，并且应该根据所治疗的特定疾病进行调整。

肠道作为人体最大的消化器官[25]，栖息着种类繁多的肠道微生物群（GM），它们在肠道黏膜免疫系统的成熟过程中起着关键作用，并维持着独特的局部免疫特征[26]。肠道微生物群主要存在于下消化道，特别是在结肠和直肠内[27]。大肠中存在着超过100万亿个细菌，其中大约70%是产氢细菌，这些细菌能够通过氢化酶（一种催化氢气代谢和碳水化合物发酵的酶）产生乙酸和丁酸[28]。此外，细菌氢化酶可以利用外源性氢气来调节肠道的微生物组成[29]。因此，肠道微生物群在维持消化系统的健康方面起着关键作用，而微生物群失调与各种消化系统疾病相关[30, 31]。常见的肠道疾病包括炎症性肠病（IBD）、结直肠癌（CRC）、肠缺血再灌注损伤、肠易激综合征（IBS）和肠梗阻。在这些疾病中，炎症性肠病和结直肠癌对全球发病率和死亡率有显著影响[32]。炎症性肠病因其无法治愈且易复发的特性，常被称为“绿色癌症”[33, 34]，并且它还与患结直肠癌的易感性增加[35]、与年龄相关的疾病[36]以及其他癌症[37]有关。结直肠癌是全球癌症相关死亡的第二大原因，由于其早期无症状，通常在晚期才被诊断出来，这使得治愈它具有很大的挑战性。此外，年轻人中结直肠癌的发病率呈令人担忧的上升趋势[38]。因此，探索安全有效的预防和治疗策略势在必行。鉴于肠道微生物群与肠道疾病之间的联系，氢气，尤其是作为肠道微生物群产生的内源性气体，有望成为一种有前景的治疗剂。为了推进基于氢气的治疗方法，有效地将动物研究的结果转化到临床环境中并推动临床试验的开展至关重要。通过汇总和评估现有的临床试验数据，积极推动氢气的临床转化是推进基于氢气治疗方法的关键策略。

在本研究中，我们全面分析了已知的氢气生物学作用机制以及各种氢气输送方法，总结了它们的优点和局限性。此外，我们回顾了氢气在治疗肠道疾病方面的最新进展。我们还讨论了目前氢气在治疗呼吸系统、神经系统、心血管系统、慢性疾病以及癌症相关疾病方面的临床应用。最后，我们强调了氢气临床转化所面临的挑战，并提出了克服这些障碍的潜在解决方案。

2. 氢气的作用机制

在对氢气应用的研究中，越来越多的证据表明，氢气不仅仅是一种简单的抗氧化剂。它的生物学机制复杂且多面。随着研究的不断深入，人们发现氢气能够通过多种途径调节身体的生理过程，表现出广泛的作用，如抗炎、抗氧化、调节细胞凋亡、改善能量代谢以及调节免疫功能。因此，系统地阐明氢气的作用机制对于理解其治疗潜力和临床应用具有重要意义。

2.1 抗炎作用

炎症是机体对各种刺激的一种保护反应，这些刺激包括外部损伤（如感染和物理伤害）和内部失衡（如代谢紊乱和自身免疫反应）[39]。炎症消退的过程可以分为清除刺激物、减弱促炎信号、清除炎症细胞、巨噬细胞表型转化以及组织修复等阶段[40, 41, 42]。需要注意的是，当出现不适当、过度或不受控制的炎症时，它会导致一系列人类疾病，因此及时抑制组织炎症的进展并开发新的抗炎策略是必要的。自2008年中尾（Nakao）团队[43]首次证实吸入氢气可以通过抑制氧化应激来改善与移植相关的肠道损伤以来，随后大量研究验证了氢气在急性和慢性炎症疾病中的治疗潜力，这标志着氢气疗法正式进入抗炎研究领域。

急性炎症是身体对损伤或感染的直接反应，如果急性炎症不能完全消退，它可能会发展为慢性炎症。氢气对这两种急性炎症的治疗效果都已得到验证。在酒精诱导的肝损伤模型中，氢气通过重塑肠道微生物群的稳态并抑制肝脏脂多糖/Toll样受体4/核因子κB轻链增强子（LPS/TLR4/NF-κB）通路的激活，改善了肝组织的病理损伤[44]。在糖尿病合并中风的模型中，氢气干预下调了促炎因子（白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α））的表达水平，同时激活了TLR4/NF-κB信号通路，从而实现了神经保护作用[45]。在急性肺损伤（ALI）模型中，氢气激活了核因子E2相关因子2（Nrf2）抗氧化通路，降低了IL-1β、IL-6和TNF-α的浓度，减轻了对肺泡上皮细胞的损伤[46]。在败血症模型中，氢气调节巨噬细胞极化（抑制M1表型/促进M2表型）并抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）的磷酸化，减少了白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和高迁移率族蛋白B1（HMGB1）等炎症介质的释放，同时增加了抗炎因子白细胞介素-10（IL-10）和转化生长因子-β（TGF-β）的水平[47]。这些发现系统地揭示了氢气在调节急性炎症方面的多靶点作用特征。

由于氢气具有明确的抗炎作用，且没有类固醇药物所带来的严重副作用，它在治疗和预防慢性炎症方面具有更大的优势和应用潜力。研究发现，NOD样受体蛋白3（NLRP3）的激活在许多慢性炎症疾病中发挥着作用，而氢气可以有效抑制NLRP3的激活，从而改善子宫内膜癌[8]、肾脏炎症[48]、败血症[49]、神经性疼痛[50]等疾病。氢气的抗炎机制主要集中在炎症因子的调节网络（促炎/抗炎因子的平衡）以及关键信号通路（如NF-κB、Nrf2、mTOR）之间的相互作用，这是目前研究中的共识[51, 52]。例如，NF-κB的激活促进NLRP3炎性小体的组装，而Nrf2的诱导则通过调节氧化还原稳态来抑制这些通路。值得注意的是，患者的性别差异可能会影响这些机制。安（An）等人[53]证明氢气的治疗效果受到性激素的调节，外源性雌激素补充通过抑制磷酸化NF-κB（p-NF-κB）和磷酸化IκB激酶β（p-IKKβ）的表达，增强了氢气对脑出血雄性小鼠的神经保护作用。这一发现对于推进氢气在炎症相关疾病中的个性化临床应用具有关键意义（图1）。

图1. 氢气作用机制简图

氢气的主要作用机制包括抗炎、抗氧化、调节细胞凋亡、调节能量代谢以及免疫调节。抗炎作用主要通过抑制促炎因子的分泌以及促炎信号通路的激活来实现。抗氧化作用主要是通过选择性中和羟基自由基（•OH）和过氧亚硝基阴离子（ONOO⁻），以及抑制活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）的产生来达成。调节细胞凋亡主要是通过抑制正常细胞的凋亡并促进癌细胞的凋亡来实现。调节能量代谢主要是通过促进三磷酸腺苷（ATP）的产生以及抑制内质网中的氧化应激来达成。免疫调节作用主要是通过维持辅助性T细胞17（Th17）/调节性T细胞（Treg）的平衡，以及促进CD4⁺ T细胞和CD8⁺ T细胞的生成来发挥。

2.2 抗氧化作用

近期的研究进展揭示了持续氧化应激与慢性炎症之间的恶性循环机制——持续氧化应激是慢性炎症的主要触发因素，而慢性炎症的发生又会加剧氧化应激。因此，有必要预防持续氧化应激，并选择有效且安全的抗氧化剂。氧化应激本质上是活性氧（ROS）/活性氮物种的生成速率与内源性抗氧化防御系统的清除能力之间的动态失衡。这会导致ROS水平升高，自由基与生物大分子之间发生广泛的相互作用，进而引起线粒体功能障碍、DNA修复机制受损、生物大分子氧化修饰以及细胞程序性死亡级联反应[54]。氢气的抗氧化作用已被研究了17年。它与抗氧化酶（如超氧化物歧化酶 [SOD]、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶 [GPX]）以及小分子抗氧化剂（如维生素C和E、类黄酮、类胡萝卜素、褪黑素、麦角硫因等）不同。氢气具有选择性抗氧化作用，这意味着它能特异性地中和有害的自由基•OH和ONOO⁻，但不会影响参与正常生理过程的其他超氧阴离子和过氧化物[3, 55, 56]。此外，氢气可以通过上调核因子E2相关因子2（Nrf2）的表达和活性来激活内源性抗氧化系统，Nrf2是一种转录因子，可诱导多种抗氧化酶的表达[57, 58, 59]，从而增强SOD、GPX和谷胱甘肽还原酶等抗氧化酶的活性。氢气通过Nrf2介导对ROS的调节，抑制核因子κB（NF-κB）/NOD样受体蛋白3（NLRP3）炎性小体的激活，实现抗氧化-抗炎的协同效应[60]。

基于其独特的抗氧化特性，氢气在各种氧化损伤模型中显示出了显著的治疗潜力。大量研究已证实，吸入氢气或注射富氢盐水可用于治疗一系列缺血再灌注（I/R）损伤及其他氧化损伤疾病。例如，氢气可以增加血红素氧合酶-1（HO-1）的表达，或激活磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）-蛋白激酶B（Akt）信号通路，从而改善肝脏缺血再灌注损伤[61, 62]；降低髓过氧化物酶（MPO）活性和白细胞介素-1β（IL-1β）/肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平，以减轻心肌损伤[63]；抑制丙二醛（MDA）的生成，以减轻瓣膜缺血再灌注损伤[64]；减少炎症细胞浸润，保护骨骼肌免受缺血再灌注损伤[65]；抑制由NADPH氧化酶2（NOX2）和血管紧张素II 1型受体介导的氧化应激，并减轻甲状腺激素诱导的大鼠心肌肥厚[66]；减少脂质过氧化，以预防急性肺损伤（ALI）[67]；吸入氢气可降低血清中MDA水平以及肺组织中NOX-1的表达，以预防肺静脉闭塞病[20]；氢气通过降低血清中MDA水平来减轻急性肺损伤[68]，等等。值得注意的是，在病理微环境中，氧化应激和炎症表现出双向交互作用的特点：炎症细胞浸润会加剧ROS的爆发，而氧化损伤产物（如脂质过氧化物）则会正向调节促炎信号级联反应。氢气精准地清除•OH等有毒自由基，同时调节Nrf2/NF-κB/NLRP3等多个信号网络，实现对氧化-炎症级联反应的协同阻断（图1）。

2.3 调节细胞凋亡

细胞凋亡是一种程序性细胞死亡形式，它能高效且系统地清除受损细胞，比如因DNA损伤或发育过程而产生的受损细胞[69]。细胞凋亡与其他形式的细胞死亡密切相关，如自噬、坏死性凋亡和铁死亡等，但根据目前的文献，氢气对细胞死亡的调节作用主要是通过对细胞凋亡途径的双向调节来实现的。其主要机制涉及调节细胞凋亡相关蛋白的表达，以抑制细胞凋亡，从而保护细胞免受损伤并维持正常的组织功能。例如，氢气上调抗凋亡因子B细胞淋巴瘤-2（Bcl-2）的表达[70, 71]，并下调促凋亡因子Bcl-2相关X蛋白（Bax）、半胱天冬酶-3（Caspase-3）、半胱天冬酶-8（Caspase-8）和半胱天冬酶-12（Caspase-12）的表达，从而减少过度的细胞凋亡[72, 73, 74]。此外，氢气通过抑制聚（二磷酸腺苷-核糖）聚合酶-1（PARP-1）的过度激活来降低细胞凋亡水平[75]。与其他疾病不同，氢气的抗肿瘤作用涉及促进细胞凋亡。细胞周期蛋白依赖性激酶4（CDK4）和细胞周期蛋白依赖性激酶6（CDK6）控制着细胞周期从G1期到S期的转变，抑制它们的表达可阻止肿瘤细胞增殖并直接诱导细胞凋亡。研究表明，氢气可抑制CDK4和CDK6，从而抑制肺癌的进展[76]。

在癌症治疗领域，氢气表现出多维度的促凋亡特性。孟（Meng）等人[77]发现，氢气可以通过抑制CD47的表达并激活细胞凋亡程序，逆转肺癌细胞的免疫逃逸。蒋（Jiang）等人[78]证明，氢气通过下调Akt的磷酸化并抑制PI3K信号通路，促进非小细胞肺癌细胞的凋亡。朱（Chu）等人[79]发现，吸入氢气可抑制缺氧诱导因子1α亚基（HIF-1α）/NF-κB信号通路的激活，并促进人宫颈癌细胞系（HeLa）细胞的凋亡，从而对抗宫颈癌的发生。这种双向调节能力使氢气能够保护正常组织免受过度凋亡（如炎症诱导的细胞死亡）的影响，同时选择性地诱导肿瘤细胞凋亡。这种依赖于微环境的调节方式，为氢气在组织保护和癌症治疗中的精准应用提供了理论基础（图1）。

2.4 调节能量代谢

线粒体是细胞的能量工厂，负责产生三磷酸腺苷（ATP），同时也参与细胞分化、信号转导和细胞凋亡等重要生命活动，并能调节细胞生长和细胞周期。线粒体功能障碍可导致心血管疾病[80]、神经退行性疾病[81]、非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）[82]等多种疾病。因此，维持正常的线粒体功能至关重要。敦布亚（Dumbuya）等人的研究[83]表明，用富氢盐水治疗败血症大鼠后，线粒体膜电位（MMP）和ATP含量的下降情况得到改善。富氢盐水在一定程度上保护了线粒体膜的超微结构免受损伤，并增加了线粒体的数量[83]。腹腔注射富氢盐水可以防止线粒体脂质过氧化，从而防止过度凋亡诱导的组织损伤，保护线粒体结构，增加线粒体的抗氧化能力，并提高梗阻性黄疸小鼠体内的ATP水平[84]。董（Dong）等人的研究[85]表明，吸入2%的氢气可以调节线粒体功能和动态变化，提高线粒体膜电位和ATP水平，并在治疗败血症诱导的肝损伤中增强线粒体活性。线粒体与内质网（ER）之间的相互作用是细胞代谢的核心，调节着细胞器之间脂质和代谢物的交换[85]。崔（Cui）等人[86]发现，吸入高浓度氢气可增强线粒体膜蛋白线粒体融合蛋白2（MFN2）和线粒体生物发生相关因子（过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）、核因子E2相关因子2（NRF2）和线粒体转录因子A（TFAM））的表达，同时降低发动蛋白相关蛋白1（DRP1）的表达，从而改善线粒体功能，并减轻败血症小鼠的败血症相关脑病（SAE）。

线粒体与内质网之间的相互作用是细胞代谢的核心枢纽，在脂质和代谢物交换中发挥着关键作用，进而影响细胞的整体功能和能量平衡[87]。氢气不仅调节线粒体的能量代谢，还调节内质网中的氧化应激。陈（Chen）等人[88]通过测量内质网应激相关蛋白（如蛋白激酶R样内质网激酶（PERK）、肌醇需求酶1α（IRE1α）和X盒结合蛋白1（XBP1））的表达水平，发现内质网应激会损害败血症小鼠的自噬通路。氢气通过抑制败血症小鼠的内质网应激并激活自噬通路，减轻了炎症和器官损伤[88]。孙（Sun）等人[89]发现，氢气减轻内质网应激与高氧性急性肺损伤有关，其机制是通过降低CCAAT增强子结合蛋白同源蛋白（CHOP）、葡萄糖调节蛋白78（GRP78）和XBP1的表达。关（Guan）等人[73]发现，在慢性间接缺氧诱导的肾损伤中，氢气可下调CHOP、半胱天冬酶-12和GRP78的表达，同时抑制p38和c-Jun氨基末端激酶（JNK）的磷酸化，并上调微管相关蛋白1轻链3-II/I（LC3-II/I）的比值，这表明氢气通过抑制氧化应激和JNK/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）的激活来减轻内质网应激并激活自噬。沈（Shen）等人[90]证明，富氢水通过降低内质网应激中的关键蛋白——磷酸化真核起始因子2α（p-eIF2α）、激活转录因子4（ATF4）、XBP1和CHOP的水平，预防小鼠的炎症性肠病。

总结当前的研究，氢气主要通过作用于线粒体和内质网来调节能量代谢。具体而言，氢气可以通过增强线粒体膜电位并提高线粒体呼吸链复合物的活性来促进ATP的产生。值得注意的是，线粒体与内质网界面的功能调节可能是氢气进行全身代谢调节的关键节点，这一发现为进一步探索其细胞保护机制提供了新的研究方向（图1）。

2.5 免疫调节

氢气的免疫调节作用呈现出多维度的特征，主要通过保护免疫器官、减少自由基对免疫细胞的损伤和氧化应激，以及调节免疫细胞亚型来增强免疫力，从而保护免疫系统的完整性并减轻免疫抑制。由于母体免疫失调可诱发早产（PTB），青木（Aoki）等人[91]使用抗CD3 ε激活效应T细胞，导致早产并上调局部和全身的促炎反应，以此探索氢气对T细胞的调节作用。氢气处理抑制了几种T细胞效应分子，如干扰素-γ（IFN-γ）、白细胞介素-4（IL-4）和颗粒酶B（GZMB），且不影响调节性T细胞（Treg）的表达。它降低了白细胞介素-26（IL-26）和白细胞介素-22（IL-22，辅助性T细胞17（Th17）细胞效应细胞因子）的水平，从而降低了由T细胞激活引起的早产发生率[91]。陈（Chen）团队的一系列研究揭示了氢气的免疫调节作用。晚期非小细胞肺癌患者吸入氢气2周后，T细胞耗竭情况显著改善。辅助性T细胞（Th细胞）功能恢复到正常范围，耗竭和衰老的细胞毒性T细胞逐渐减少至正常水平。自然杀伤T细胞（NKT）和细胞毒性自然杀伤细胞（NK）亚群的总数高于治疗前的比例。耗竭的Vδ2和Vδ1细胞显著减少，而细胞毒性Vδ2细胞显著增加[92]。此外，γδT细胞和NKT亚群的总数也高于治疗前的比例。次年，陈（Chen）等人[93]进行了另一项研究，评估吸入氢气对健康个体外周血淋巴细胞亚群免疫功能的影响。他们意外发现，吸入高流量（非高浓度）的氢气对健康人的免疫功能具有抑制作用[93]。李（Li）等人[94]发现，富氢盐水上调了脑缺血再灌注损伤大鼠的Treg细胞，并下调了微小核糖核酸-21（miR-21）、miR-210和NF-κB的表达。此外，赵（Zhao）等人[95]发现，富氢盐水可以通过恢复脾脏中CD4⁺ T细胞和CD8⁺ T细胞的数量，来对抗辐射诱导的免疫功能障碍。目前，与氢气的抗炎和抗氧化能力相比，对其免疫调节功能的研究相对较少。然而，不可否认的是，氢气对免疫系统具有有益的保护作用，需要进一步研究来探索氢气调节免疫功能的具体机制以及最佳给药方式（图1）。

3 氢气的使用方法

随着对氢气生物学机制研究的不断深入，其输送方法已成为日益重要的研究焦点。不同的输送方法不仅影响氢气的生物利用度，还决定了它在治疗各种疾病时的疗效和安全性。常见的输送方法包括吸入氢气、口服富氢水、注射富氢盐水、促进内源性氢气生成以及利用纳米材料辅助输送氢气。每种输送方法都有其独特的特点，并且在治疗不同疾病模型时的效果可能会有所不同。

吸入氢气能够使其在全身高效分布，被广泛用作急性和慢性疾病的辅助治疗方法，尤其是在肺部疾病、神经系统疾病和癌症的治疗中。相比之下，饮用富氢水和泡富氢水浴更加方便，更适合日常的健康维护以及某些慢性疾病的治疗。然而，这些方法面临着挑战，例如氢气的快速消散及其有限的溶解度，这凸显了未来需要开展研究以提高氢气在水中的溶解度。注射富氢盐水提供了一种更精确的氢气输送方式，通过静脉注射或腹腔注射，它能迅速提高血液和组织中的氢气浓度，在治疗各种急性病症和炎症性疾病方面有着广泛的应用。

随着对肠道微生物群认识的不断加深，促进肠道微生物群产生氢气已成为一种新的氢气输送策略。通过调节肠道微生物群的代谢活动，可以增强内源性氢气的生成。这种方法是非侵入性且可持续的，使其成为一种有前景的疾病预防和治疗工具。纳米技术的应用进一步拓展了氢气输送的潜力。由于纳米材料独特的物理化学性质，它们不仅提高了氢气的稳定性，还能够实现靶向输送，在癌症和慢性疾病的治疗中展现出了巨大的潜力。尽管各种氢气输送方式在不同的研究中都显示出了特定的优势，但其相互作用和协同效应仍需要深入研究。在此，我们全面总结了氢气的输送方法，并分析了每种方式的优点和局限性。

3.1 氢气吸入

由于氢气具有独特的物理性质，其浓度在4%至74%范围内时处于爆炸范围，因此明确吸入治疗时氢气的浓度至关重要。在许多使用动物模型进行疾病治疗或临床治疗的研究中，为确保安全，选择吸入2%至4%的氢气[96]。吸入后，氢气通过肺泡通气迅速渗透到身体的各个部位，包括大分子无法到达的区域。重要的是，这种干预不会显著影响血压等生理参数，也不会干扰红细胞的携氧能力，因此即使在高浓度下也没有血液毒性风险[16]。

在临床实践中，通过呼吸机、面罩或鼻导管吸入氢气主要被用作一种治疗方法或辅助措施[97]。由于氢气的高扩散性，它不会持续作用于靶位点。因此，在临床上，直接吸入氢气常被用作需要长期住院患者的辅助治疗，例如患有肺部和器官问题、脑部和中枢神经系统疾病（中风、阿尔茨海默病[98]）的患者，以及用于癌症治疗和术后恢复。在器官移植中，已证明吸入氢气可减少肠道和肺移植物的损伤，并预防器官炎症[99]。2016年12月1日，日本在先进医疗B类下批准氢气吸入疗法作为心肺骤停患者的紧急治疗方法，这是氢医学领域的一项重大国际进展。此外，中国国家卫生健康委员会发布的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》推荐使用氢氧混合气体（33.3%的氧气和66.6%的氢气）[100]，这使氢气成为当前治疗性医用气体研究的前沿热点。曾（Zeng）等人[101]通过统计分析和临床数据表明，氢氧混合气体可能是一种有用的治疗性医用气体，可提高新冠肺炎患者的血氧饱和度（SpO2），并平均缩短患者的住院时间（表1）。

表1.  氢气给药途径 优缺点

吸入氢气 操作简单易行，但存在爆炸风险

饮用富氢水 成本低，疗效有限

富氢水沐浴 方便、安全，在运动领域应用广泛

腹腔注射富氢盐水 广泛应用于肠道疾病的动物模型

静脉注射富氢盐水 在血液中扩散迅速

局部应用富氢盐水 高度具有目标导向性（器官保存液、眼药水、冲洗液）

内源性产氢 可进行呼气测试

纳米材料辅助的氢气递送 可实现靶向治疗

与其他氢气输送方法相比，氢气吸入在临床上更具可行性且操作更为直接。患者可以通过吸入的方式轻松地自行摄入氢气，尽管这种方法可能并非最为便捷。到目前为止，尚未观察到氢气吸入疗法产生任何副作用；然而，它需要专门的设备来制取氢气，这使得氢气吸入在操作上存在一定的不便之处。血液和组织中的氢气浓度取决于吸入氢气的浓度，并且需要持续吸入以维持足够的浓度水平，从而达到治疗效果。

在氢气吸入方面，一个存在争议的问题是选择吸入氢氧（HO）混合气体还是纯氢气，并且其剂量与效果之间的关系尚未明确。氢氧混合气体和纯氢气各有其优势。由于氢气的分子量较低，吸入氢氧混合气体中的氢气可以降低气道阻力，增加氧气的扩散，并且增强氧气的流量。同时，吸入氢氧混合气体不存在缺氧的风险，临床上的氢氧混合气体通常是通过水电解制取的（66%的氢气和33%的氧气）[62]。

由于氢气的分压较高，吸入氢氧混合气体存在一定程度的风险。氧气的存在增加了燃烧和爆炸的可能性，尤其是当氢气浓度超过10%时，它很容易在未被察觉的情况下因静电而被点燃，从而引发爆炸[33]。因此，在吸入氢氧混合气体时，确保绝对安全至关重要，通常需要使用氢气监测仪持续监测其浓度[34]。相比之下，吸入纯氢气对人体而言风险较低，因为它不会引发爆炸，但存在更高的缺氧风险（图2）。

图2. 氢气输送方法简图

氢医学已经发展出了多种输送方法，包括通过摄入乳果糖和其他能促进肠道微生物群（GM）产氢的物质来实现内源性氢气生成。此外，外源性氢气可以通过吸入、饮用富氢水（HRW）、泡富氢澡、注射富氢盐水，以及使用纳米材料辅助输送氢气等方式进行输送。氢气卓越的生物安全性、抗炎和抗氧化特性，推动了一些辅助治疗方式的发展，比如富含氢气的器官保存液、含高浓度氢气的眼药水，以及含氢气的鼻腔冲洗液等。

3.2 饮用富氢水和富氢水泡澡

富氢水是一种低成本、便于携带且有效的氢气输送方式。与吸入氢气相比，它在临床使用上更安全、更方便，因为患者在清醒时可以自由饮用，而且长期饮用也不会产生耐受性。与吸入氢气相比，饮用富氢水具有不同的作用机制和效果。饮用富氢水更有可能对胃肠道系统以及肝脏和大脑产生有益影响。对大脑的潜在影响也可能归因于肠脑轴通讯和第二信使分子的上调[102]。饮用富氢水的主要吸收途径是消化道和门静脉系统。进入肺循环后，摄入的大部分氢气会从肺部排出，仅留下少量用于治疗。

富氢水在医学领域已得到广泛研究，并有着广泛的应用，但目前大多数研究仅限于动物实验，比如其在预防肝损伤和改善认知障碍方面的潜力[103, 104]。此外，有观点认为富氢水可能在调节内源性氢气稳态和调节肠道微生物群方面发挥作用；然而，还需要进一步的试验来探究这种相互作用背后可能的机制。

最近的研究表明，在运动前摄入富氢水可以有效地降低乳酸水平，从而提高通气效率并发挥抗疲劳作用[105, 106]。除了饮用富氢水，泡富氢澡也是一种广泛使用的富氢水输送方式。例如，有研究显示，用富氢水泡脚踝可以减轻关节肿胀、缓解疼痛，从而恢复活动能力和平衡，在运动医学领域，这是一种处理急性脚踝扭伤的安全便捷的方法[107]。在临床上，泡富氢澡对炎症和氧化应激具有抑制作用，同时对银屑病等病症也显示出治疗效果[108]。此外，由于其抗炎特性，泡富氢澡还有助于糖尿病足溃疡的愈合过程[43]（表1）。

综上所述，富氢水具有巨大的发展和应用潜力，未来需要对其临床应用进行进一步研究。目前，制备富氢水的技术已达到一定的成熟水平；然而，在常温常压下，氢气在水中的溶解度最高仅为0.8 mM[109]，这导致口服时的疗效有限。因此，提高氢气在水中的溶解度是一个关键问题。通常使用以下几种方法来制备富氢水：物理溶解、电解水或化学反应生成。

氢气包装直接浸泡法和通过电解水产生氧气和氢气，化学反应方程式如下：

该方法的原理是利用金属的氧化还原反应来制备富氢水。将总重0.65克、由铝粉和氢氧化钙按重量比76:24混合而成的产氢剂[44]，包裹在透气膜或无纺布中，直接放入装有水的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）瓶中，即可生成富氢水。产氢剂的化学反应方程式如下：

这种方法用于生产如氢水杯和镁棒等产品[110]，能够快速生成相对高浓度的富氢水。然而，这个过程也会导致水的碱化，并释放出某些金属离子。

通过电解水产生氧气和氢气，化学反应方程式如下：

2H2O=2H2+O2

目前，市场上有两种电解富氢水。一种是基于传统的水电解方法，将两个电极都浸入水中，在阳极产生氧气，在阴极产生氢气。这种方法不会影响水的酸碱度；然而，需要注意的是，阳极可能会对水中存在的离子产生强氧化作用，有可能导致臭氧和次氯酸盐的产生。另一种是利用质子渗透膜技术，将两个电极分开，在阴极产生含有氢气的碱性水，称为“电解还原水”，在阳极产生酸性的含氧水[111, 112]。尽管这种产氢方法历史悠久，但所得到的富氢水中氢气浓度较低，迫切需要努力提高其浓度。随着进一步的研究和技术改进，未来饮用富氢水可能会成为一种有效的疾病预防和治疗手段（图2）。

3.3 注射富氢盐水和局部应用

由于安全方面的考虑，氢气在医院的临床应用受到很大限制。虽然饮用富氢水通常是安全的，但很难控制氢气的摄入量，因为水中的氢气会随着时间的推移而逸出，还有一部分可能会在胃肠道中损失。与直接吸入氢气相比，注射富氢盐水是一种更安全的氢气输送方法，同时也能更好地控制氢气浓度。

氢气在高压下溶解于生理盐水中制成富氢盐水，这是一种有益的抗氧化剂；它含氢量高、呈弱碱性且具有负电位。此外，富氢盐水具有强大的抗炎、抗氧化应激和抗凋亡特性，并且安全无毒[113]。富氢盐水通常通过腹腔注射或静脉注射进入人体，这两种不同的氢气输送方式会使组织中的氢气浓度产生不同的变化[114, 115]。腹腔注射富氢盐水后，在5分钟时可观察到血液和各种组织（包括肝脏、肾脏、心脏、脾脏、胰腺、小肠、肌肉和大脑）中的氢气浓度达到峰值。相比之下，静脉注射富氢盐水后，在1分钟内即可达到最高浓度。这两种注射方式都表明，血液以及肝脏、脾脏、胰腺和脑组织中的氢气浓度会随着剂量的增加而升高[116]。缺血再灌注损伤是全球范围内导致高发病率、残疾率和死亡率的主要原因之一；因此，迫切需要找到一种有效的治疗策略。例如，已证明腹腔注射富氢盐水可减轻肢体缺血再灌注[117]损伤引起的急性肺损伤，减轻大鼠的肾脏缺血再灌注损伤[118]，并且通过抑制NOD样受体蛋白3（NLRP3）/半胱天冬酶-1（Caspase-1）/Toll样受体4（TLR4）信号通路，对败血症相关脑病（SAE）的大鼠模型具有治疗改善作用[119]。此外，静脉注射富氢盐水在减轻大鼠的肠缺血再灌注损伤方面显示出潜力[120]，而将肺浸泡在富氢盐水中已被证明能有效减轻肺缺血再灌注损伤[121]。然而，频繁腹腔注射富氢盐水存在交叉感染的风险，而静脉注射也有一定的危险性[122, 123]（表1）。

富氢盐水也广泛用于治疗眼部疾病。它可以注射到玻璃体腔中，以减轻视网膜的兴奋性损伤并促进视网膜功能的恢复，或者用作含氢眼药水来保护视网膜[124, 125]。此外，一项随机、双盲临床试验表明，使用富氢盐水进行鼻腔冲洗在改善慢性鼻炎（CR）患者的临床症状方面比用生理盐水冲洗更有效，尤其是对于某些患者。这凸显了富氢盐水在慢性鼻炎患者临床治疗中的潜在效果[126]。目前，大多数关于富氢盐水作为注射剂的研究都是在动物试验中进行的，需要进一步探索以促进其临床应用。不过，富氢盐水也可以局部用作器官保存液、眼药水和冲洗液来治疗疾病。制备富氢盐水的常用方法是在高压（0.4-0.6 MPa）下将氢气溶解在生理盐水中2小时，以达到过饱和水平（>0.6 mmol/L）[127]。饱和的富氢盐水用伽马射线灭菌，并在4°C和大气压下保存在密封的铝袋中。每周制备新鲜的富氢盐水以保持浓度恒定。使用大泽（Ohsawa）等人[3]所述的技术，通过气相色谱法来确定生理盐水中的氢气含量，该技术被广泛用于测定生理盐水中的氢气含量（图2）。

3.4 内源性氢气生成

肠道微生物群产生的肠道气体包括甲烷（CH₄）、氢气、硫化氢（H₂S）和二氧化碳。在这些气体中，氢气占肠道微生物群产生的气体总量的比例高达74%。例如，肠道中的大肠杆菌（E. coli）可以通过其氢化酶产生氢气[128]。然而，这些氢气的很大一部分会被其他细菌利用，只有一小部分会被肠黏膜吸收，随后通过肺呼吸和排便排出体外。因此，肠道微生物群产生的氢气总量由其产生量和消耗量共同决定。个体之间肠道微生物群的差异导致了氢气产生量的不同，研究人员在不同动物之间进行了肠道微生物群移植实验，以观察氢气产生量的变化以及抗病能力的差异[129]。不过，肠道微生物群产生的氢气量很容易受到外部因素的干扰，哺乳动物摄入各种不可消化的糖类，如高直链淀粉玉米淀粉、果胶、低聚果糖和菊粉等，会刺激肠道微生物群产生更多的氢气[130, 131]。研究表明，肠道微生物群产生的氢气与某些疾病密切相关；例如，氢气可以促进肠道蠕动，因此可能成为治疗便秘的一种潜在方法，而氢气的缺乏可能与帕金森病（PD）的发生有关[132, 133]（表1）。

由于氢气的内源性特点，研究人员越来越多地探索利用氢气进行呼气检测（BT），以实现对临床胃肠道疾病的快速诊断。呼气检测是诊断许多胃肠道疾病的一种有效且无创的工具[134]。氢气呼气检测（H₂BT）的工作原理是，结肠细菌发酵产生的部分气体扩散到腹部静脉循环中，然后被输送到肺部，在呼吸时很容易对其进行测量。因此，氢气呼气检测已被用于多种目的：（a）评估小肠中不同可吸收糖类（如乳糖和果糖）的碳水化合物吸收不良情况[135]，（b）测量摄入不可吸收碳水化合物（如乳糖）到其与盲肠和结肠中的细菌相互作用之间的时间间隔（口盲肠通过时间）[136]，以及（c）经常利用葡萄糖或乳果糖等碳水化合物进行氢气呼气检测，以识别肠易激综合征（IBS）患者小肠中肠道微生物群过度生长（SIBO）的情况[137]（图2）。

3.5 纳米材料辅助氢气输送

所有这些氢气输送方法，无论是外源性还是内源性氢气生成，都面临一个共同的挑战：将氢气准确输送到目标患病区域。如果氢气能够靶向作用于患病部位并持续释放，同时还能被高效储存，那么其治疗效果将大大提高。纳米材料因其独特的物理化学性质而受到研究人员的广泛关注。尽管纳米技术的临床转化仍然是一个重大挑战，但它为氢医学的发展提供了一个有前景的平台。这就产生了纳米氢医学的概念，从而开发出了许多纳米输送氢气的材料（表1）。

3.5.1 纳米气泡富氢水

氢气不溶于水，扩散性强且浮力较大，这给高浓度富氢水的生产、制备和保存带来了挑战。纳米气泡在液体中具有出色的稳定性和渗透性，通过纳米气泡使氢气物理溶解，从而制备出纳米气泡富氢水（NBW）。这个过程可以使氢气在水中最大限度地溶解，同时能更长时间地保留氢气[138]。日本研究人员利用2,2'-联吡啶法测量了纳米气泡富氢水的还原活性，并证实了在相同氢气浓度下，它比普通富氢水具有更强的抗氧化活性[139]。研究表明，细小的氢气纳米气泡在水中高度稳定，即使经过长时间储存，富氢水中仍存在氢气纳米气泡，从而降低了氢气从水中逸出的速度[140]（图2和表2）。

表2.  Summary of hydrogen‐carrying nanomaterials.

3.5.2 作为氢气载体的纳米材料在治疗运动系统和神经系统疾病中的应用

运动系统疾病的特点是起病隐匿、进展缓慢、病程较长且难以根治。因此，这类疾病通常采用药物联合治疗，并且多项研究表明，氢气与纳米颗粒联合使用在治疗运动系统疾病方面效果良好。张（Zhang）等人[141]开发了一种可注射的负载硼化钙纳米片的水凝胶平台（CBN@GelDA水凝胶），它可作为一种高效负载且能持续释放氢气的前体，用于骨关节炎（OA）的治疗。该平台能有效清除活性氧（ROS），降低相关炎症细胞因子的表达，抑制M1型巨噬细胞，同时诱导M2型表型。这些作用最终降低了软骨细胞的死亡，并有助于打破骨关节炎进展的恶性循环[141]。万（Wan）等人[142]提出了一种局部药物递送系统，该系统由含镁的聚乳酸-聚乙醇酸共聚物颗粒（Mg@PLGA MPs）组成，可将高浓度的治疗性气态氢气递送至发炎组织。在小鼠模型中，将Mg@PLGA MPs肌肉注射到骨关节炎小鼠膝关节附近，作为一个原位储库，持续释放高于治疗阈值浓度的气态氢气。这种方法有效地减轻了组织炎症，防止了软骨破坏，并阻止了骨关节炎病变的进展[142]。王（Wang）等人[143]开发了负载氨硼烷的中空聚多巴胺（AB@HPDA），以实现氢气的长时间释放，用于治疗椎间盘退变（表2）。

先前的研究表明，使用氢气治疗神经系统疾病取得了积极的效果。肖（Xiao）等人[144]构建了丹参酮IIA/三七皂苷/氨硼烷/羧甲基壳聚糖/碳酸钙-壳聚糖纳米颗粒/单甲氧基聚乙二醇-聚乳酸-乙醇酸共聚物纳米颗粒（TSIIA/PNS/AB-负载的CCC@mPP纳米颗粒），该纳米颗粒可发挥协同多药治疗作用，间接或直接促进细胞内过量活性氧的清除，减少炎症细胞因子的释放，并增强中药复合物和氢气供体在治疗感音神经性听力损失方面的疗效（表2）。

3.5.3 作为氢气载体的纳米材料在治疗糖尿病伤口中的应用

糖尿病伤口是糖尿病最严重的并发症之一，对糖尿病患者的生命和健康构成了重大威胁。然而，目前针对这种疾病的临床治疗方法有限。氢气疗法可能是解决这一问题的一种有前景的方法。陈（Chen）等人[145]开发的芽孢杆菌-小球藻（Bac-Chl）凝胶贴片可实现持续60小时产生氢气，通过输送氢气来减轻氧化应激和炎症，从而促进体内慢性糖尿病伤口的愈合。王（Wang）等人[146]设计了一种智能微针贴片-MgH₂，能够长时间释放MgH₂以产生更多的氢气，有效减少活性氧的产生并促进糖尿病伤口的愈合。毕（Bi）等人[147]开发了一种具有抗生素递送和氢气产生双重作用的液态金属敷料，用于抗菌和抗炎，在治疗慢性糖尿病伤口时提供了一种温和的氢气治疗和药物递送方法。徐（Xu）等人[148]提出了声催化氢气/空穴联合治疗用于抗生物膜和感染性糖尿病伤口愈合的概念，开发了一种压电氮化碳纳米片负载水凝胶（C3N4@Gel），该水凝胶产生的氢气能够迅速穿透生物膜，这是传统抗菌剂无法实现的。这种方法通过释放氢气既显示出抗菌活性，又促进了糖尿病伤口的愈合[148]。然而，大多数关于氢气纳米医学在糖尿病伤口治疗方面的研究主要集中在动物实验上，对其潜在机制的研究较少，且缺乏临床证据支持这些发现；因此，未来还需要进一步的全面研究（表2）。

3.5.4 作为氢气载体的纳米材料在治疗心血管和肝脏疾病中的应用

氢气在肝脏和心血管疾病的治疗中得到了大量应用。然而，目前已有的大多数研究主要集中在氢气如何帮助减轻氧化损伤、炎症和细胞凋亡方面。迫切需要通过探索新方法来超越当前的国际研究水平。纳米氢医学可能提供了一个新的方向。胡（Hu）等人[149]利用TN-PdHs靶向治疗动脉粥样硬化，而陶（Tao）等人[150]将PdH纳米颗粒静脉注射到轻中度非酒精性脂肪性肝炎（NASH）模型小鼠体内，随后每天吸入4%的氢气3小时。实验结果表明，静脉注射后，钯纳米颗粒可以特异性地在肝脏中积累，并起到氢气捕获剂和羟基自由基（·OH）过滤器的双重作用。这增强了氢气治疗在预防和治疗非酒精性脂肪性肝炎方面的效果，因为它们能够迅速催化·OH氢化生成水，并在每天吸入氢气时局部捕获和储存进入肝脏的氢气[150]。聂（Nie）等人[151]开发了具有高载氢能力的氢气-PFOB纳米乳液（NEs），它能有效地促进靶向渗透到缺血心肌中，并对心肌缺血再灌注损伤表现出优异的抗氧化和抗炎特性，且具有良好的生物安全性。金（Jin）等人[152]将氢气与纳米材料结合，通过将氨硼烷包裹在中空介孔二氧化硅纳米颗粒中构建了氢气纳米胶囊AB@hMSN@PEG，使其能够在肠道中释放超高剂量的氢气。这种新策略成功地延长了作用时间，从而减少了由基因突变和饮食诱导的代谢功能障碍引起的小鼠肥胖、糖尿病和脂肪肝疾病的早期症状，且没有产生任何组织毒性。此外，它还增加了肠道中嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）的丰度[152]。这些发现进一步证明，氢气可以通过调节肝肠轴对疾病发挥改善和治疗作用，强调了肠道微生物群重塑可能是氢气治疗代谢功能障碍的潜在机制（表2）。

3.5.5 纳米材料与氢气结合用于肿瘤靶向治疗

纳米技术与氢气疗法的结合可以增强氢气向肿瘤的靶向递送，在肿瘤部位，氢气会在内源性或外源性刺激下产生，从而随着时间的推移最大限度地提高其生物利用度。纳米材料具有三个显著优点：微创性、可植入体内以及快速的生化反应性。各种纳米催化剂，如氢化钯纳米晶体、PdH-金属有机框架（MOF）、镁基原电池、SnS₁.₆₈-WO₂.₄₁纳米催化剂、一种具有光声成像（PAI）功能的生物相容性羧甲基纤维素包覆/稳定的铁（Fe@CMC）纳米颗粒，以及像铁和金-二氧化钛（Au-TiO₂）异质结纳米平台（AuTiO₂@ZnS）这样的小尺寸纳米颗粒（20-100纳米），都已被用于氢气疗法中的肿瘤靶向运输[153, 154, 155]。

除了用于输送氢气的纳米材料外，氢气疗法还可以作为传统治疗的一种补充方法，通过氢气的能量调节作用来提高疗效并降低毒性。例如，在冷冻保存期间持续给予氢气已被证明可以提高同种异体骨软骨组织的活力[156]。此外，还开发了新型口服酸控释氢气MgB₂@聚乙烯吡咯烷酮（PVP）药丸，用于与可注射的阿霉素化疗药物联合使用，旨在实现胃癌化疗的增效减毒[157, 158]。宋（Song）等人[159]开发的生物相容性微马达平台Mg/PLGA/CHI在作用过程中产生氢气，以清除HepG2细胞中过量的活性氧，并显著增强化疗药物的扩散（表2）。总之，通过纳米材料输送氢气的疗效主要依赖于：（a）氢气的有效包裹；（b）氢气成功递送至身体的目标区域；（c）氢气的成功释放。

每种氢气输送方式都有其优点，为特定疾病选择合适的输送方式至关重要。虽然目前的研究主要集中在外源性氢气上，但探索安全有效的方法来增强肠道微生物群产生内源性氢气，以用于疾病的预防和治疗也至关重要。如果能够确定某些成分既安全又能够增加内源性氢气的产生，它们可能会在未来的疾病预防和治疗策略中发挥积极作用。由于体内吸收途径的差异，外源性和内源性氢气的结合在治疗某些疾病时可能会产生意想不到的效果。

4 肠道疾病的预防和治疗应用

根据已发表文章的总结，发现氢气在治疗不同的全身性疾病时总是会涉及肠道菌群，例如，吸入氢气可调节肠道菌群以改善急性酒精性肝损伤[160]，l-阿拉伯糖可引发肠道产生氢气，并改善高脂饮食（HFD）喂养的C57BL/6J小鼠的代谢综合征[161]。氢气疗法通过作用于肠道微生物群，增加有益菌并抑制有害菌，从而改善败血症相关脑病小鼠的代谢紊乱并抑制炎症，等等[162]。因此，我们认为氢气与肠道微生物群之间的相互作用不容忽视，并且由于氢气可以作用于肠道菌群来改善其他疾病，那么氢气直接治疗肠道疾病可能会带来更好的效果。

尽管氢气可以通过多种方式输送，但目前氢气在治疗肠道疾病中的应用几乎都是外源性的，只有一个案例是利用肠道菌群产生内源性氢气来治疗肠道疾病。据统计，在不同的肠道疾病中，氢气的输送方式各不相同。在炎症性肠病（IBD）的动物模型中，作用持续时间最短为7天，最长为63天。在治疗肠缺血再灌注损伤时采用注射富氢盐水和吸入氢气的方式，在治疗结直肠癌（CRC）时则采用每天吸入氢气或饮用富氢水的方式。有两项研究使用包裹氢气的纳米材料实现了对肠道损伤的靶向治疗。在本节中，我们总结了氢气在治疗肠道疾病（主要包括单纯性肠道损伤、炎症性肠病、肠缺血再灌注损伤和结直肠癌）中的作用和机制。

4.1 炎症性肠病和肠道损伤

炎症性肠病通常包括克罗恩病和溃疡性结肠炎（UC），其特征是在接触各种刺激性环境因素后，对肠道生态失调产生失调的自身免疫反应[163]。炎症性肠病患者的主要治疗目标是减轻炎症并缓解腹痛和肠道变化等症状。内镜检查结合活检是确诊和管理该疾病最有效的方法[164]。目前炎症性肠病的药物治疗包括传统疗法和生物疗法，传统治疗涉及抗炎药、免疫抑制剂、抗生素和益生菌；而生物疗法主要由各种抗肿瘤坏死因子-α（TNF-α）药物以及许多其他新型生物制剂（如JNK抑制剂）组成[165]。由于氢气具有高生物安全性，它已被研究作为炎症性肠病和肠道损伤的一种潜在治疗选择。肠道炎症增加、脂多糖（LPS）产生、感染风险升高以及短链脂肪酸（SCFA）含量降低是炎症性肠病发病机制的主要特征。根据我们对氢气治疗炎症性肠病作用机制的总结，氢气主要用于抑制活性氧的产生，降低促炎因子水平，抑制相关炎症信号通路的激活，并通过口服饮用富氢水或注射富氢盐水来促进肠道益生菌的生长以及肠道菌群代谢产物（短链脂肪酸）的生成，从而达到治疗炎症性肠病的目的（表3）。

表3. 氢气在肠道疾病中的作用机制

4.1.1 氢气通过减少活性氧改善肠道损伤

非甾体抗炎药（NSAIDs）是广泛使用的止痛药，已知会导致胃肠道损伤，且对小肠的影响比对胃的影响更大。非甾体抗炎药所致肠病的预防和治疗面临重大挑战，因为目前没有可行的措施来预防线粒体氧化磷酸化解偶联所导致的初始损伤。因此，干预措施应主要集中在下游的炎症过程[166]。考虑到活性氧可能参与了这种疾病的发病机制，抗氧化剂有望有效预防和治疗非甾体抗炎药引起的肠病[167]。秋田（Akita）等人[168]发现，口服富氢水抑制了由非甾体抗炎药吲哚美辛诱导的小肠黏膜中细胞因子、髓过氧化物酶（MPO）、黏膜通透性和活性氧的产生。此外，富氢水改变了肠道微生物的代谢，并促进了更有益的短链脂肪酸的产生[168]。金（Jin）等人[169]发现，富氢水显著激活了核因子E2相关因子2（Nrf-2）信号通路，抑制了活性氧的表达，减弱了核因子κB（NF-κB）信号通路的激活，并对脂多糖诱导的大鼠慢性肠道炎症具有保护作用（图3）。胡（Hu）等人[170]表明，电解富氢水（ERW）可以通过抑制活性氧的过度产生，并阻断氧化应激与炎症之间的联系，来控制结肠炎症并缓解胃轻瘫（图3）。邱（Qiu）等人[171]表明，富氢盐水处理通过抑制氧化应激诱导的损伤和全身炎症，抑制细胞内活性氧的产生，并阻断线粒体凋亡途径，减少了全身受辐射小鼠的肠道损伤并改善了肠道功能（图3）。陈（Chen）等人[172]证明，富氢水可以通过作用于沉默信息调节因子1（SIRT1）/Nrf2/血红素氧合酶-1（HO-1）信号通路，减少活性氧的产生并减轻肠道氧化应激，从而缓解便秘。上述研究表明，尽管氢气的输送方式多种多样，但它们都通过减少活性氧的产生有效地改善了肠道损伤（表3）。

图3. 氢气缓解炎症性肠病和肠道损伤的机制

此图总结了氢气治疗炎症性肠病的过程以及调节过程中涉及的关键分子和靶点。氢气促进肠道微生物群将膳食纤维代谢为短链脂肪酸，产生的短链脂肪酸通过单羧酸转运蛋白被吸收进入结肠，最终以三磷酸腺苷（ATP）的形式为细胞提供能量。细菌毒素激活Toll样受体（TLR）的表达，进而激活并磷酸化NF-κB，促进肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-1β（IL-1β）等炎症因子的释放，同时NF-κB从细胞质转移到细胞核，诱导NOD样受体蛋白3（NLRP3）炎性小体的转录激活，导致炎症因子表达增加以及NLRP3炎性小体激活并产生活性氧（ROS）。活性氧过载被认为与炎症性肠病的发病机制有关。氢气不仅直接抑制活性氧的产生，还抑制NF-κB信号通路，从而抑制氧化应激并抑制促炎因子的释放。此外，给予氢气导致真核起始因子2α（eIF2α）、激活转录因子4（ATF4）、XBP1s和CCAAT增强子结合蛋白同源蛋白（CHOP）蛋白的表达显著降低，即氢气抑制内质网应激。由于炎症性肠病患者的病变部位存在类似M1型巨噬细胞的积聚，这些细胞产生TNF-α、IL-6、IL-1β、ROS等促炎细胞因子，使肠黏膜的炎症损伤持续存在，给予氢气降低了TNF-α的水平，从而减缓了炎症性肠病引起的肠道损伤。

4.1.2 氢气通过抑制内质网应激改善肠道损伤

肠道上皮细胞（IEC）中发生的内质网应激参与了炎症性肠病的发病机制，针对内质网应激是改善炎症性肠病的关键途径[173]。根据陈（Chen）等人[83]的研究，氢气通过自噬途径减轻内质网应激，从而减少了败血症小鼠的炎症和器官损伤。右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎模型具有速度快、操作简单、可重复性和可控性强的特点，使其成为炎症性肠病研究中常用的模型。梶谷（Kajiya）等人[174]证明，氢气显著抑制了DSS介导的结肠组织破坏以及巨噬细胞浸润，从而预防了DSS诱导的小鼠结肠炎。腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）、高迁移率族蛋白B1（HMGB1）/晚期糖基化终末产物受体（RAGE）/NF-κB以及Nrf2/HO-1通路已被阐明为参与结肠损伤动态平衡的分子机制[175]。沈（Shen）等人[90]在DSS诱导的炎症性肠病小鼠模型中腹腔注射富氢盐水后，观察到p-eIF2α、ATF4、XBP1s和CHOP的蛋白表达显著降低，这表明富氢盐水可以抑制内质网应激（图3）。此外，用富氢盐水处理导致HO-1的表达显著上调，而使用锌原卟啉（ZnPP）则逆转了富氢盐水的保护作用[90]（图3）。勒巴伦（LeBaron）等人[176]以DSS诱导的炎症性肠病小鼠为模型，研究了结肠炎药物柳氮磺胺吡啶和富氢水单独使用以及联合使用的治疗效果，结果表明，柳氮磺胺吡啶和富氢水单独使用均显著降低了炎症（高敏C反应蛋白）并恢复了氧化还原平衡（总巯基、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT））。联合治疗有比单独使用富氢水或柳氮磺胺吡啶更有效的趋势。此外，富氢水的效果往往与柳氮磺胺吡啶相当，且常常更有效[176]。刘（Liu）等人[177]首次开发了一种新型的靶向肠道的可控释氢的MgH₂微胶囊MgH₂@EC@ES，并在溃疡性结肠炎小鼠模型中评估了该微胶囊的治疗效果，结果表明该微胶囊可以剂量依赖性地修复DSS引起的炎症性肠病损伤，并修复结肠炎中受损的线粒体能量代谢功能，并且高剂量的MgH₂@EC@ES比一线药物5-氨基水杨酸更有效，然而，作者在文章中没有评估两者联合使用的效果[177]（表3）。

4.1.3 氢气通过调节肠道微生物群和增加短链脂肪酸的产生改善肠道损伤

薛（Xue）等人[44]证明，氢气改变了肠道微生物群的组成，导致绿僵菌分枝杆菌（Mycobacterium anisopliae）和厚壁分枝杆菌（Mycobacterium thickum）的相对丰度增加，同时抑制了脂多糖（LPS）/Toll样受体4（TLR 4）/NF-κB炎症通路，从而预防了高脂饮食（HFD）诱导的非酒精性脂肪性肝病。在酒精性肝病小鼠模型中，刘（Liu）等人[160]发现，吸入氢气减少了肝脏的氧化应激、炎症和脂肪变性，同时也改善了肝损伤。此外，吸入氢气通过增加毛螺旋菌科梭菌（Trichospiraceae Clostridium）的丰度改善了肠道微生物群，增强了肠道屏障的完整性，并从机制上阻断了肝脏中LPS/TLR 4/NF-κB通路的激活[160]。王（Wang）等人[178]表明，氢气显著改变了肠道微生物群的组成，并改善了甲基苯丙胺（METH）滥用者因METH引起的精神障碍。这些发现表明，氢气很可能通过作用于肠道微生物群对疾病起到改善和治疗作用。

魏（Wei）等人[179]使用口服硅基氢气纳米颗粒（SiH NPs）在炎症部位靶向清除活性氧，从而减轻了炎症性肠病的症状，并通过增加有益菌的丰度恢复了肠道微生物群的多样性。高桥（Takahashi）等人[180]发现，用氢气处理增加了乳酸菌（Lactinobactor）的数量，减少了嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia）、 Gracilibacter和Marvinbryantia的数量，从而改善了高脂饮食的影响，高脂饮食导致了衰老加速小鼠的微生物群失调和小肠损伤。宋（Song）等人[181]发现，给DSS诱导的慢性溃疡性结肠炎模型小鼠饮用富氢水改善了组织病理学变化，提高了谷胱甘肽（GSH）浓度，并降低了TNF-α水平。此外，富氢水抑制了DSS诱导的慢性溃疡性结肠炎中致病或条件致病菌（粪肠球菌（Enterococcus faecalis）、产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）和脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis））的过度生长。这些结果表明，饮用富氢水可以在慢性溃疡性结肠炎的进展过程中调节肠道细菌失调[181]。同时，葛（Ge）等人[182]发现，给予富氢水激活了产生短链脂肪酸的细菌的生长，并增加了短链脂肪酸的产生。这反过来又激活了细胞内的丁酸盐传感器——过氧化物酶体增殖物激活受体γ信号通路，导致一氧化氮合酶2（Nos2）在上皮细胞中的表达降低。因此，它促进了结肠中厌氧环境的恢复，并改善了DSS诱导的小鼠急性结肠炎模型[182]。秋田（Akita）等人[168]使用从饮用富氢水的小鼠盲肠内容物进行粪便微生物群移植，随后分析了盲肠内容物中的短链脂肪酸含量。研究结果表明，富氢水不仅具有直接的抗氧化作用，还通过增加短链脂肪酸的含量发挥间接的抗炎作用[168]（图3）。

天然肠道微生物群之间的竞争相互作用对于维持菌群稳定性至关重要。益生菌或微生物移植可以调节肠道微环境，促进有益菌的生长，减少有害菌的增殖，最终形成新的肠道免疫稳态。氢气在炎症性肠病和肠道损伤的治疗中已显示出对肠道微生物群的影响，促进有益菌的富集，进而增加短链脂肪酸的产生，以减轻炎症性肠病和肠道损伤（表3）。

4.2 肠缺血再灌注损伤

氢气在减轻各种器官的缺血再灌注损伤方面的潜力已得到广泛研究。例如，李（Li）等人[94]证明，富氢盐水通过上调调节性T细胞（Treg），下调微小核糖核酸-21（miR-21）、miR-210和核因子κB（NF-κB）的表达，对全脑缺血再灌注发挥神经保护作用。刘（Liu）等人[183]表明，富氢盐水通过调节Bcl-2相关X蛋白（Bax）/B细胞淋巴瘤-2（Bcl-2）的比例，抑制激活的凋亡信号调节激酶1（Apoptosis Signal-Regulating Kinase 1）/c-Jun氨基末端激酶（JNK）通路，减少了皮肤缺血再灌注诱导的细胞凋亡，并提高了皮瓣的存活率。陆（Lu）等人[184]发现，富氢盐水通过抑制内质网应激诱导的细胞凋亡，减轻了肝脏缺血再灌注损伤。张（Zhang）等人[185]在肝移植前让大鼠吸入1小时2%的氢气，通过激活NF-κB信号通路，使大鼠免受肝脏缺血再灌注损伤。聂（Nie）等人[186]确定，抑制氧化应激和NOD样受体蛋白3（NLRP3）介导的细胞凋亡是氢气减轻心肌缺血再灌注损伤的关键机制。翟（Zhai）等人[187]证明，口服乳果糖可促进胃肠道中细菌产生氢气，从而激活核因子E2相关因子2（Nrf2）的表达，随后减轻大鼠的脑缺血再灌注损伤。这些数据表明，富氢盐水和氢气都可能通过其抗炎、抗氧化、抑制细胞凋亡以及对各种信号通路的调节作用，对减轻器官缺血再灌注损伤具有治疗潜力。

肠道是对缺血再灌注损伤最为敏感的器官之一，肠缺血再灌注损伤是指在缺血后恢复血流时肠道损伤加剧的情况[188]。肠道收缩活动减弱、微血管通透性增加以及黏膜屏障功能障碍是肠缺血再灌注损伤的特征。这些变化最终可能导致全身炎症反应综合征，以及多器官功能障碍和衰竭[189]。目前，关于氢气治疗肠缺血再灌注损伤的疗效研究有限，其潜在机制总结如下（表3）。

4.2.1 通过抑制NF-κB/NLRP3通路，氢气减少肠缺血再灌注诱导的凝血问题和炎症

肠缺血再灌注损伤不仅会导致器官和组织损伤，还会破坏凝血平衡。在生理条件下，凝血系统、抗凝系统和纤溶系统协同作用以维持动态平衡[190]。髓过氧化物酶（MPO）是一种炎症生物标志物，而肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）是炎症阶段的经典促炎因子。吴（Wu）等人[188]证明，给予富氢水可显著降低缺血再灌注大鼠血清中TNF-α的水平，并减轻肠黏膜损伤（图4）。埃尔伊勒马兹（Eryilmaz）等人[191]观察到，尽管给予富氢盐水不会显著改变肠缺血再灌注大鼠体内MPO、丙二醛（MDA）、IL-6和TNF-α的水平，但会减少组织损伤和细胞凋亡。相比之下，在重田（Shigeta）等人[192]的另一项研究中，发现腔内注射富氢葡萄糖盐水（HRGS）能有效抑制MDA的产生，从而减轻大鼠的肠缺血再灌注损伤。单核细胞表面的蛋白酶激活受体1会因组织因子（TF）表达上调而被激活，而TNF-α会启动细胞因子级联反应，并促使单核细胞表达TF，从而形成炎症级联反应和凝血系统激活的恶性循环[193]。将免疫和炎症联系在一起的主要机制之一是NF-κB，它对于控制促炎蛋白以及参与TF基因的转录尤为重要[194]。TNF-α、IL-6和白细胞介素-1β（IL-1β）是NF-κB通路的典型刺激性信号分子。布赫霍尔茨（Buchholz）等人[43]发现，吸入2%的氢气可减轻大鼠小肠移植过程中缺血再灌注诱导的炎症介质CC趋化因子配体2（CCL2）、IL-1β、IL-6和TNF-α的上调。毛（Mao）等人[195]发现，给予富氢盐水可抑制促炎细胞因子IL-1β和TNF-α的表达，并抑制肠缺血再灌注小鼠中NF-κB的激活，从而减轻肠缺血再灌注造成的损伤（图4）。杨（Yang）等人[120]报道，在肠缺血再灌注损伤的大鼠模型中，观察到TF、磷酸化NF-κB p65、NLRP3、半胱天冬酶-1（Caspase-1）和炎症因子的水平升高。肠缺血再灌注会导致大鼠凝血功能障碍，并激活NF-κB/NLRP3信号通路。然而，用富氢盐水治疗可减轻炎症反应，并上调TF的表达，以改善凝血障碍，减轻缺血再灌注诱导的肠道损伤[120]（图4）。

图4. 氢气减轻肠缺血再灌注损伤的机制

在肠缺血再灌注损伤期间，细菌、内毒素和活性氧进入循环系统并激活NF-κB的表达，导致TF、磷酸化NF-κB p65、NLRP3、Caspase-1和炎症因子的水平升高。氢气抑制TNF-α，同时提高TF水平。这种抑制通过阻断NF-κB信号通路及其下游分子NLRP3炎性小体的表达，防止了炎症级联反应和凝血系统激活的恶性循环。此外，氢气通过上调胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）、蛋白激酶B（AKT）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）蛋白的表达，并下调miR-199a-3p的表达，减轻了肠缺血再灌注损伤。总之，氢气通过抑制NF-κB/NLRP3信号通路改善了肠缺血再灌注损伤。

氧化应激在肠缺血再灌注损伤中起着重要作用，且已证明富氢盐水可通过抑制脂质氧化、减轻肠道炎症、降低氧化应激和抑制细胞凋亡来保护肠道免受缺血再灌注损伤[43, 188, 196]。有必要进一步研究以确定氢气在肠缺血再灌注损伤中发挥保护作用的确切机制和信号通路（表3）。

4.2.2 氢气下调miR-199a-3p的表达以激活IGF-1/PI3K/mTOR通路并减轻肠缺血再灌注损伤

微小核糖核酸（microRNA）可调节人类基因组中30%至80%的基因，并且是包括肠缺血再灌注在内的人类疾病发病机制中的关键生物标志物。张（Zhang）等人[197]证明，在遭受心肌缺血再灌注损伤（MI/RI）的大鼠中，miR-98-5p以Toll样受体4（TLR4）为靶点，抑制TLR4并激活PI3K/蛋白激酶B（Akt）信号通路，从而对心肌缺血再灌注损伤起到保护作用。姚（Yao）等人发现，肠缺血再灌注损伤后miR-199a-3p显著上调，且其靶点为胰岛素样生长因子-1（IGF-1）、mTOR和PI3K调节亚基1（PIK3r1，编码PI3K基因的一个关键部分）。换句话说，miR-199a-3p靶向参与细胞生长和分裂的IGF-1/PI3K/Akt/mTOR通路[198, 199]。肠缺血再灌注损伤后，这些靶向分子的蛋白表达水平通常会降低，表现为IGF-1、PI3K、Akt和mTOR的表达减少。这表明miR-199a-3p可能抑制了细胞的存活通路。然而，富氢盐水预处理（在小鼠肠缺血再灌注手术前，连续5天腹腔注射富氢盐水（3微摩尔/千克））显著提高了这四种分子的蛋白水平，并且表现出与使用miR-199a-3p抑制剂治疗相似的保护作用。总之，富氢盐水治疗可能通过下调miR-199a-3p的表达并激活IGF-1/PIK3r1/mTOR相关的细胞存活通路，保护肠道上皮细胞免受缺血再灌注损伤[199]（图4和表3）。

4.3 结直肠癌

癌症是一个重大的全球性公共卫生问题，而结直肠癌（CRC）在癌症相关死亡率中排名第二[200]。目前，结直肠癌的治疗方法包括手术、放疗、化疗和靶向治疗[201]。虽然这些抗癌治疗在改善结直肠癌患者的预后方面已显示出疗效，但仍有相当数量的患者在手术和化疗后会出现不良反应。生长因子、磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）以及丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等信号通路，对结直肠癌的病理生理学至关重要[202]。研究表明，氢气通过多种分子机制抑制肿瘤细胞的活性、增殖、侵袭和迁移，且具有剂量和时间依赖性。此外，研究还显示氢气能够减轻接受放疗和化疗患者的肾毒性[203]。根据王（Wang）等人[76]的研究，氢气在体内能显著减缓肿瘤生长，在体外则以浓度依赖的方式减少细胞增殖并诱导细胞凋亡。此外，氢气降低了肺组织中活性氧（ROS）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）、白细胞介素-8（IL-8）和白细胞介素-13（IL-13）的水平，并提高了超氧化物歧化酶（SOD）的表达。免疫组化标记进一步证实了氢气对A549和H1975细胞中SMC3表达的抑制作用[76]。杨（Yang）等人[9]证明，在异种移植小鼠模型中给予富氢水，可使子宫内膜肿瘤的体积和重量显著减小，从而通过ROS/NLRP3/半胱天冬酶-1（caspase-1）/Gasdermin D（GSDMD）介导的细胞凋亡来抑制子宫内膜癌的生长。因此，氢气疗法受到了更多关注，并被认为是一种潜在有效的癌症治疗策略。 

4.3.1 氢气通过恢复结直肠癌患者耗竭的CD8⁺ T细胞来改善预后 

结直肠癌中CD8⁺T细胞的高浸润表明预后良好，且对免疫治疗有积极反应[204]。然而，T细胞与肿瘤的长时间相互作用会损害T细胞的功能，而过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α（PGC-1α）的失活会导致线粒体功能障碍，从而削弱CD8⁺T细胞的免疫活性。研究表明，氢气可以激活PGC-1α，恢复线粒体功能，并挽救耗竭的CD8⁺T细胞[205]。程序性细胞死亡蛋白1（PD-1）被认为是T细胞耗竭的标志物，与多种癌症的不良预后相关。在赤木（Akagi）和马场（Baba）[206]进行的一项临床研究中，对55名被诊断为IV期结直肠癌的患者进行了观察，发现每天吸入氢气3小时并同时在医院接受化疗，会使耗竭的终末PD-1⁺CD8⁺T细胞的数量减少。CD8⁺T细胞的这种恢复可能归因于通过PGC-1α激活线粒体，导致活性终末PD-1⁻CD8⁺T细胞的数量增加，最终改善患者的预后[206]（图5和表3）。 

图5. 氢气抑制结直肠癌生长的机制 

CD8⁺T细胞帮助宿主抵御病毒感染和肿瘤细胞侵袭。然而，长期暴露于持续存在的抗原或慢性炎症会导致细胞毒性T淋巴细胞（CTL）功能丧失，以及记忆T细胞（TM）出现“身份危机”，从而导致终末耗竭的T细胞状态。氢气直接对抗由PGC-1α失活引起的线粒体功能障碍，在线粒体功能恢复后为终末耗竭的T细胞提供三磷酸腺苷（ATP），并增加终末耗竭T细胞的数量，以改善结直肠癌患者的预后。PI3K/AKT/mTOR信号通路在肿瘤的发生和发展中起着至关重要的作用，PI3K的过度激活会促进癌细胞的快速生长和繁殖。mTOR复合物1（mTORC1）调节细胞合成代谢和分解代谢之间的平衡，这与细胞生长相关。氢气可以直接抑制PI3K和AKT的表达，从而抑制下游信号分子mTORC1的表达，以抑制结直肠癌细胞的生长。同时，氢气通过靶向抑制磷酸化AKT（p-AKT）/硬脂酰辅酶A去饱和酶1（SCD1）通路，降低了结直肠癌中癌症干细胞（CSCs）的活性。 

4.3.2 氢气通过抑制AKT/SCD1通路抑制结直肠癌细胞的增殖 

硬脂酰辅酶A去饱和酶1（SCD1）是将饱和脂肪酸和硬脂酸合成单不饱和脂肪酸和油酸过程中的限速酶[207]。所有恶性肿瘤都具有细胞增殖的特征，而细胞增殖依赖于脂肪酸来生成信号分子和细胞膜[208]。鉴于SCD1在各种癌症类型中高表达，并且在调节脂肪酸代谢以促进癌细胞生长方面起着关键作用，它被认为是癌症治疗中有前景的治疗靶点[209]。此外，SCD1已被确定为结直肠癌中癌症干细胞的标志物[210]，并且SCD1抑制剂可有效减弱癌症干细胞的干性[211]。蛋白激酶B，也称为AKT，是一种57kDa的丝氨酸/苏氨酸激酶，作为细胞生长和发育的信号分子发挥作用。AKT通路通过将信号从上游调节蛋白（如PI3K）传递到几个下游效应蛋白（如糖原合酶激酶3β（GSK3β）），进而与其他补偿性信号通路相互作用，起到了有效的介导作用[212]。PI3K/AKT通路控制着多种细胞过程，包括自噬、细胞凋亡和增殖。由AKT信号失调导致的人类疾病的普遍性，促使人们积极开发针对PI3K和AKT的小分子抑制剂。 在大多数恶性肿瘤中，通常会观察到AKT的磷酸化和磷酸化AKT（pAKT）水平的升高。张（Zhang）等人[213]在其研究中，探究了氢气对结直肠癌细胞系（RKO、SW480和HCT116）中SCD1以及PI3K/AKT信号通路的影响，结果显示，经氢气处理的结直肠癌细胞中SCD1显著下调。有趣的是，氢气对不同的结直肠癌细胞表现出不同的作用；它提高了RKO细胞中PI3K的表达，而降低了SW480和HCT116细胞中PI3K的表达。此外，氢气特别在SW480和HCT116细胞中降低了PI3K和p-AKT的表达。因此，氢气显示出其抑制PI3K/Akt通路以减少结直肠癌细胞增殖的潜力，而AKT磷酸化的减少可能会导致下游信号的抑制[213]。张（Zhang）等人[213]使用AKT激活剂SC79处理RKO、SW480和HCT116细胞，这导致pAKT表达呈剂量依赖性上调。用SC79处理所有结直肠癌细胞，逆转了氢气对细胞增殖的抑制作用，并以剂量依赖的方式显著上调了SCD1和pAKT的表达。这些发现表明，氢气通过降低pAKT水平抑制结直肠癌细胞的存活，并靶向AKT/SCD1通路在体外和体内抑制肿瘤生长[213]（图5）。阿斯加扎德（Asgharzadeh）等人[214]分别用富氢水和5-氟尿嘧啶处理结直肠癌小鼠模型，同时还设置了联合治疗组以探究其效果。结果表明，单独使用富氢水显著改善了检测到的抗氧化标志物（SOD和过氧化氢酶（CAT）），并降低了丙二醛（MDA）的水平。然而，富氢水和5-氟尿嘧啶联合使用比单独使用5-氟尿嘧啶更有效地显著降低了MDA水平[214]。这也凸显了氢气疗法作为癌症治疗辅助手段的潜力（表3）。 

5 其他疾病的预防和治疗应用 

氢气不仅在胃肠道疾病的预防和治疗中发挥着关键作用，而且在人体众多生理系统的治疗方面也显示出优势。这突出了氢气多方面的治疗特性，以及它作为一种重要医学干预手段的潜在作用。全面的研究已经阐明了氢气发挥治疗效果的潜在机制，揭示了它中和有害自由基、调节细胞内信号通路以及促进细胞活力的能力。近期研究表明，氢气的治疗效果已在一系列病理状况中得到了深入研究，这些状况包括呼吸系统疾病、中枢神经系统疾病、心血管疾病、肝肾疾病以及与癌症相关的疾病。

5.1 肺部疾病 

肺部疾病是影响呼吸系统的一类多样的病症，其病因、临床表现和治疗策略各不相同。这些病症通常涉及环境因素和合并症之间的复杂相互作用，给准确诊断和有效治疗带来了巨大挑战。近年来，氢气作为一种有前景的治疗手段受到了关注，在改善各种肺部疾病方面展现出了显著潜力，并为肺部疾病的治疗提供了新的思路。肺损伤包括由多种病因引起的一系列病理状况，这些病因包括但不限于机械性创伤、化学物质暴露以及与生活方式相关的影响。全面了解这些肺部损伤对于准确诊断和有效的治疗干预至关重要。研究表明，氢气在减轻各种类型的肺损伤方面具有显著的治疗潜力。在高氧诱导的肺损伤模型中，暴露于高氧（98%）环境的小鼠吸入2%的氢气，激活了核因子E2相关因子2（Nrf2）通路，保护肺部免受氧化应激诱导的损伤[215]。同样，Nrf2是氢气对败血症诱导的肺损伤发挥治疗作用的关键介质。杨（Yang）等人[216]通过比较野生型和Nrf2缺陷型小鼠的反应证明了这一点。吸入2%的氢气1小时，显著提高了野生型小鼠中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和血红素氧合酶-1（HO-1）的水平，同时降低了高迁移率族蛋白B1（HMGB1）的水平。值得注意的是，这些治疗效果在Nrf2缺陷型小鼠中并未观察到，从而强调了Nrf2在介导氢气治疗特性方面的重要作用[216]。氢气治疗小鼠败血症诱导的肺损伤的疗效已得到充分证明；然而，其预防能力还需要更多的实验研究。王（Wang）等人[217]提出了一种创新方法，将氢气与工程微藻相结合，为预防败血症相关的肺损伤提供了一条有前景的途径。 急性肺损伤（ALI）是一种严重且危及生命的临床病症。众多研究已证实，氢气通过多种机制减轻肺损伤。在氢气治疗高氧诱导的肺损伤和败血症相关的肺损伤时，Nrf2都是一个关键靶点。同样，在海水诱导的急性肺损伤模型中，Nrf2也起着至关重要的作用。吸入2%的氢气2小时，显著改善了氧分压，降低了炎症细胞因子（如TNF-α、IL-1β和IL-6）的水平，以及丙二醛（MDA）和髓过氧化物酶（MPO）的活性，同时上调了Nrf2和HO-1的表达[46]。李（Li）等人[218]对氢气对脂多糖（LPS）诱导的急性肺损伤的影响进行了广泛研究，发现氢气显著提高了小鼠的存活率，增强了肺功能，减少了体重减轻，并降低了促炎细胞因子（如IL-6、TNF-α和IL-1β）的水平。此外，氢气通过影响腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）的活性，并降低线粒体分裂蛋白1（Drp1）和半胱天冬酶-3（Caspase-3）的表达，对肺损伤起到了保护作用[218]。尹（Yin）等人[219]使用LPS诱导的急性肺损伤小鼠模型进行了体内实验，并使用RAW264.7巨噬细胞进行了体外实验。结果表明，吸入氢气使小鼠72小时的存活率提高到了80%，减轻了肺损伤，并抑制了炎症细胞因子的释放。体外实验进一步证明，氢气抑制了巨噬细胞中活性氧（ROS）、一氧化氮（NO）、TNF-α、IL-6和IL-1β的表达，同时还降低了Toll样受体4（TLR4）的表达和NF-κB的激活[219]。傅（Fu）等人[113]使用LPS诱导的急性肺损伤大鼠模型和人肺微血管内皮细胞，证明富氢盐水通过下调mTOR/转录因子EB（TFEB）信号通路来减轻急性肺损伤。

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是全球第三大死亡原因，具有高患病率和沉重的医疗负担等特点。吸烟和接触有毒颗粒物是主要的风险因素。目前的治疗策略包括戒烟、吸入疗法和肺康复治疗[220]。尽管如此，氢气已成为治疗慢性阻塞性肺疾病的一种有前景的治疗选择。动物研究表明，吸入氢气可能是治疗慢性阻塞性肺疾病的有效策略。在香烟烟雾溶液诱导的类似慢性阻塞性肺疾病损伤的小鼠模型中，连续9周每天两次吸入42%的氢气，每次75分钟，小鼠的存活率达到了100%，而未治疗组的存活率为80%。组织病理学评估表明，氢气治疗减少了肺气肿样改变和肺部炎症[221]。苏（Su）等人[222]使用香烟烟雾和脂多糖建立了慢性阻塞性肺疾病大鼠模型，观察到每天吸入氢气2小时可显著改善肺功能，并降低炎症细胞因子水平。其治疗效果归因于抑制M1型巨噬细胞极化，并促进M2型巨噬细胞极化，从而有效地减轻了肺部炎症。此外，在慢性阻塞性肺疾病小鼠模型中，吸入含有42%氢气、21%氧气和37%氮气的混合气体，显著减少了肺气肿、胶原蛋白沉积和杯状细胞增生，同时抑制了细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）和核因子κB（NF-κB）信号通路的激活[222]。

氢气在治疗肺部疾病方面显示出多种治疗优势，包括能够直接修复肺组织损伤，以及通过调节分子信号通路提供全面的保护作用。它在急性肺损伤中调节氧化应激和炎症反应的能力，以及在慢性阻塞性肺疾病中促进组织修复和维持免疫平衡的作用，突显了其在病理机制层面影响疾病进展的潜力。

5.2 中枢神经系统疾病

氢气在各种神经系统疾病中潜在的神经保护作用已得到广泛研究，其治疗效果主要归因于其强大的抗氧化、抗炎和抗凋亡特性。这些机制有助于减缓神经损伤的进展。氢气在神经退行性疾病、急性神经系统疾病、认知障碍、情绪障碍和神经性疼痛方面已显示出显著益处。氧化应激在神经退行性疾病的发病机制中起着关键作用。它不仅引发脂质过氧化和DNA损伤，还会促进神经炎症，进一步加重神经元损伤，而这些都是各种神经退行性疾病的关键特征。氢气通过其抗炎和抗氧化特性减轻神经元损伤，同时还调节细胞信号通路以增强神经元的完整性。由于其高生物安全性，氢气被认为是减缓神经退行性疾病进展的一种有前景的策略，也可作为一种长期的治疗方法[223]。例如，侯（Hou）等人[104]研究了富氢盐水对APP/PS1小鼠认知障碍的影响，发现虽然富氢水不能清除β淀粉样蛋白（Aβ），但它显著改善了小鼠的认知能力，且这种改善表现出性别依赖性。相比之下，张（Zhang）等人[224]在3×Tg-AD小鼠中使用氢化钯纳米颗粒，报告称氢气显著抑制了淀粉样前体蛋白（APP）、β-分泌酶1（BACE1）和可溶性淀粉样前体蛋白（sAP）的过表达，从而减少了Aβ的产生。这一干预有效地阻止了阿尔茨海默病（AD）的进展，减轻了认知障碍、突触缺陷和神经元死亡[224]。此外，林（Lin）等人[225]用富氢水对3×Tg-AD小鼠进行了为期7个月的治疗，证明它可以防止突触丢失和神经元死亡，减少淀粉样斑块、过度磷酸化的tau蛋白和神经原纤维缠结。此外，富氢水改善了大脑能量代谢紊乱和肠道微生物群失调，同时减轻了炎症反应[225]。肠脑轴之间的相互作用被认为在减轻神经炎症中起着关键作用，富氢水对肠道微生物群的调节被认为是其神经保护作用的关键机制。

在治疗急性神经系统疾病时，快速诊断和及时干预至关重要。研究表明，氢气疗法在急性神经系统疾病模型中提供了显著的神经保护作用，这些疾病模型包括脑缺血再灌注损伤、蛛网膜下腔出血（SAH）和创伤性脑损伤（TBI）。例如，在脑缺血再灌注损伤模型中，李（Lee）等人[226]报告称，饮用富氢水降低了小鼠海马体中Bax和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的水平，降低了活性氧（ROS）水平，并改善了焦虑和记忆表现。此外，腹腔注射富氢盐水通过促进血红素氧合酶-1（HO-1）的表达、增加超氧化物歧化酶（SOD）水平和降低丙二醛（MDA）水平，显示出显著的疗效，从而减轻了氧化应激诱导的脑损伤[227]。在蛛网膜下腔出血模型中，将小鼠置于3%的氢气环境中，激活了核因子E2相关因子2（Nrf2），上调了谷胱甘肽过氧化物酶4（GpX4）的表达，并抑制了Toll样受体4（TLR4）的激活，显著减轻了神经损伤[228]。同样，腹腔注射富氢盐水有效地抑制了NF-κB通路和NOD样受体蛋白3（NLRP3）炎性小体的形成[50]，突显了氢气在为蛛网膜下腔出血提供神经保护方面的多靶点调节作用。此外，王（Wang）等人[229]使用微血管内皮细胞模型证明，氢气激活了磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）/糖原合酶激酶3β（GSK3β）信号通路，从而提高了细胞存活率，为创伤性脑损伤的治疗提供了新的思路。在神经性疼痛方面，氢气也显示出有前景的治疗效果。2022年的一项研究报告称，富氢水减轻了小鼠的炎症性疼痛，同时改善了相关的抑郁和焦虑行为[230]。此外，连（Lian）等人[231]发现，在奥沙利铂引起的化疗诱导的神经性疼痛小鼠中，饮用富氢水通过抑制脂多糖（LPS）-TLR4通路，降低TNF-α和白细胞介素-6（IL-6）的表达，显著减轻了炎症。此外，饮用富氢水通过增加毛螺旋菌科（Lachnospiraceae）、乳杆菌科（Lactobacillaceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）等有益菌的丰度，改善了肠道微生物群组成，同时促进了短链脂肪酸（SCFA）的产生。这些变化通过肠脑轴减轻了神经性疼痛[231]。总的来说，氢气通过调节免疫反应、保护神经元和调节肠脑轴，展现出多方面的治疗效果，作为中枢神经系统疾病的潜在治疗方法具有重大的前景。

5.3 心血管系统疾病

心血管疾病一直是导致全球发病率和死亡率的主要因素，需要包括药物治疗、生活方式改变和创新治疗方法在内的综合管理策略。然而，现有的传统治疗策略迫切需要创新突破。氢气作为一种新型生物活性分子，对各种心血管疾病具有显著的治疗潜力，这些疾病包括高血压、动脉粥样硬化、心肌缺血再灌注损伤和心肌梗死。

高血压作为一种慢性疾病，是各种心血管疾病发生发展的关键风险因素，如果得不到控制，可能会导致严重的健康并发症。一项研究表明，间歇性缺氧的大鼠连续35天每天吸入3%的氢气2小时，其8-羟基-2-脱氧鸟苷水平显著降低，SOD水平升高。这些发现表明，氢气减轻了氧化应激，改善了血管功能障碍，并有效地降低了血压，且没有明显的副作用[232]。此外，在肾切除诱导的高血压大鼠模型中，吸入1.3%的氢气通过降低交感神经系统活性并增强副交感神经系统活性，成功地控制了血压[233]。动脉粥样硬化是一种以动脉壁持续炎症为特征的疾病，其进展在很大程度上受到炎症反应的影响。为了克服当前治疗方法的局限性，研究人员开发了纳米材料辅助的氢气输送系统，该系统显著增强了抗氧化和抗炎功效。在载脂蛋白E基因敲除（ApoE−/−）小鼠模型中，腹腔注射富氢盐水被证明可以抑制凝集素样氧化型低密度脂蛋白受体1（LOX-1）的表达以及NF-κB的激活，有效地预防了动脉粥样硬化的发生[234]。虽然现有药物可以减轻炎症并减少病变，但其疗效和稳定性有限，阻碍了更广泛的应用。为了解决这些挑战，徐（Xu）及其同事[235]开发了一种氢化钯-碲（PDH-Te）纳米酶，它不仅具有强大的活性氧清除能力，还能持续释放氢气以抑制促炎细胞因子的释放，从而显著改善动脉粥样硬化。此外，氢气已被证明可以调节高胆固醇血症，而高胆固醇血症是动脉粥样硬化的一个关键风险因素。例如，静脉注射氢气纳米泡溶液减缓了疾病进展，安全性良好，且对动物存活率没有不良影响[236]。

在心肌缺血模型中，在再灌注前腹腔注射10 mL/kg的富氢盐水，通过调节总氧化状态和总抗氧化状态，显著降低了氧化应激，从而最大限度地减少了心肌细胞损伤和变性[237]。另一项研究表明，用富含氢气的克雷布斯-林格溶液（氢气浓度：0.6 mmol/L，pH值：7.3）灌注大鼠心脏，激活了Janus激酶2-信号转导和转录激活因子3（JAK2–STAT3）信号通路，同时下调了磷酸化信号转导和转录激活因子1（p-STAT1）/STAT1通路，从而减少了心肌细胞凋亡[238]。此外，富氢盐水通过PINK1/Parkin通路促进线粒体自噬，清除受损的线粒体，从而减轻了缺血再灌注损伤[239]。聂（Nie）等人[151]开发了具有高载氢能力的氢气-全氟辛基溴化物纳米乳液（H₂-PFOB NEs），它能深入渗透到缺血心肌中，显著增强了抗氧化和抗炎效果，并显示出优异的治疗效果。当与低强度聚焦超声诱导的氢气释放相结合时，H₂-PFOB NEs的治疗效果进一步增强[151]。

在心脏骤停（CA）和心肺复苏模型中，氢气也通过降低损伤标志物和炎症，对心脏组织显示出保护作用。龚（Gong）等人[240]报告称，吸入2%的氢气显著降低了心肌损伤标志物（如肌酸激酶同工酶MB和心肌肌钙蛋白T）的水平，同时通过抑制自噬保护心肌组织免受进一步损伤。此外，在心肌梗死模型中，连续28天每天吸入2%的氢气3小时，有效地抑制了NLRP3炎性小体的激活，减少了心脏纤维化，并改善了心脏功能[241]。这些研究表明，氢气疗法可能作为传统治疗的一种可行的辅助手段，为心肌保护和恢复提供了新的途径。纳米材料辅助的氢气输送技术的整合已显示出显著的潜力，可以提高治疗效果，并为实现心血管疾病的精准治疗提供了广阔的前景。

5.4 肝脏和肾脏疾病

肝脏和肾脏作为负责新陈代谢和解毒的重要器官，对于维持整体健康至关重要。肝脏和肾脏疾病常常相互关联，由于存在共同的病理生理机制和常见的风险因素，它们经常同时发生。因此，维护这些器官的健康并尽早识别相关风险因素，对于保障整体健康至关重要。非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）不仅会影响肝脏，还可能对全身产生影响，包括对肾脏和其他器官。研究表明，给患有非酒精性脂肪性肝病的大鼠注射0.6 mmol的富氢盐水，可改善胰岛素敏感性，增强葡萄糖耐量，降低肝酶和血脂水平，并通过抑制肝脏中的肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1β（IL-1β），同时上调过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα）和PPARγ的表达来达到治疗效果[242]。此外，刘（Liu）等人[243]发现，氢气对非酒精性脂肪性肝病的治疗效果具有剂量依赖性，4%浓度的氢气在降低肝酶水平（丙氨酸氨基转移酶（ALT）和天冬氨酸氨基转移酶（AST））和脂质堆积方面，效果优于67%浓度的氢气。在另一项研究中，薛（Xue）等人[44]证明，在非酒精性脂肪性肝病大鼠模型中吸入4%的氢气，可显著降低血浆脂多糖（LPS）水平，抑制LPS/Toll样受体4（TLR4）/核因子κB（NF-κB）信号通路以减轻肝脏炎症，并通过上调紧密连接蛋白Zo-1和闭合蛋白（occludin）的表达来增强肠道屏障功能。它还对肠道微生物群（GM）起到了积极的调节作用，提高了拟杆菌门/厚壁菌门的比例，从而突显了肠-肝轴在氢气对非酒精性脂肪性肝病治疗效果中的关键作用[44]。氢气在减轻化疗诱导的肝损伤方面也显示出了潜力。例如，杨（Yang）等人[244]观察到，接受mFOLFOX6化疗的结直肠癌（CRC）患者在饮用富氢水后，肝功能检查指标（ALT、AST、碱性磷酸酶（ALP））保持稳定，这表明了富氢水的肝脏保护作用。同样，高（Gao）等人[245]证明，给大鼠注射富氢盐水可有效降低阿霉素引起的ALT和AST水平，减少活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）的产生，并调节Bax/Bcl-2的比例，以减轻炎症和细胞凋亡。李（Li）等人[246]也提出了氢气对顺铂诱导的副作用具有潜在保护作用，不过这一假设还需要进一步研究来验证。

慢性肾脏病（CKD）是一种进行性疾病，其主要致病因素包括糖尿病和高血压。研究表明，氢气不仅对控制糖尿病和高血压具有治疗潜力，还能有效地辅助预防和治疗慢性肾脏病。例如，在患有慢性肾脏病的大鼠中，饮用富氢水显著降低了血浆单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）的水平[247]。在高草酸饮食诱导的肾损伤小鼠模型中，饮用富氢水显著改善了血清肌酐、血尿素氮以及肾损伤标志物（如肾损伤分子-1（KIM-1）和中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL））的水平，同时降低了促炎细胞因子和氧化应激标志物。已证明富氢水可通过抑制关键信号通路（包括磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）、NF-κB和转化生长因子-β（TGF-β））来减轻肾脏损伤[48]。同时，氢气在预防慢性肾脏病方面也显示出了潜力[248]。在甘油诱导的急性肾损伤模型中，吸入4%和67%浓度的氢气均显示出增强的抗氧化、抗炎和抗凋亡作用。虽然未观察到明显的剂量反应关系，但与较低浓度（4%）相比，较高浓度的氢气（67%）在改善肾脏组织学和形态学方面效果更为显著[249]。同样，在缺血再灌注（I/R）损伤模型中，富氢盐水治疗显著减少了肾纤维化，并保护了肾功能[250]。另一项比较短期和长期注射富氢盐水的研究表明，腹腔注射富氢盐水提高了Bcl-2/Bax的比例，并抑制了半胱天冬酶-3（caspase-3）、caspase-8和caspase-9等凋亡蛋白的表达，但长期使用富氢盐水治疗在促进肾脏恢复方面比短期治疗更有效[251]，因为它能持续抑制炎症和细胞凋亡。这些发现强调了氢气疗法在肝脏和肾脏疾病治疗中的剂量依赖性。此外，延长治疗时间可能会进一步提高治疗效果，这为氢气在代谢性疾病中的应用提供了理论支持。

5.5 癌症

癌症是一类复杂的疾病，其特征是细胞不受控制地生长和增殖，表现形式和潜在机制多种多样。虽然手术、化疗和放疗等传统治疗方法仍然是癌症治疗的基石（对早期癌症尤其有效），但它们的局限性促使研究人员探索创新的治疗方法。因此，人们越来越关注开发具有高安全性和最小副作用的新型辅助治疗方法。靶向治疗、免疫治疗、基因治疗、纳米医学和干细胞治疗等方面的进展，为癌症治疗开辟了新的途径。然而，控制副作用仍然是一个重大挑战。氢气以其出色的安全性和广泛的治疗潜力，为癌症治疗提供了一种有前景的补充方法。在将其应用于各种类型的癌症方面，已经取得了初步进展。

如前所述，氢气的治疗效果最初是通过高压氢气疗法治疗皮肤癌而被发现的[2]。从那以后，其治疗效果在各种癌症中得到了验证，包括结直肠癌、肺癌、胃癌和乳腺癌。例如，张（Zhang）等人[252]报告称，在对A549细胞及其裸鼠模型的研究中，氢气增加了A549细胞的凋亡，同时降低了X连锁凋亡抑制蛋白（XIAP）和细胞凋亡抑制因子3（BIRC3）蛋白的表达。此外，吸入60%浓度的氢气显著减小了实验小鼠的肿瘤体积[252]。孟（Meng）等人[77]扩展了这些研究结果，他们研究了氢气对A549和H1975肺癌细胞的影响。他们发现，氢气通过抑制CD47的表达显著增强了细胞凋亡，并抑制了细胞的生长、侵袭和迁移[77]。这些发现进一步强化了氢气疗法在肺癌治疗中的潜在作用，特别是在调节与细胞凋亡相关的通路上。

在胃癌研究中，朱（Zhu）等人[10]发现，在人胃癌细胞系MGC-803（MGC-803）、人胃癌细胞系BGC-823（BGC-823）以及胃癌小鼠模型中，氢气下调了长链非编码RNA（lncRNA）转移相关肺腺癌转录本1（MALAT1）和EZH2蛋白的表达，同时上调了微小核糖核酸-124-3p（miR-124-3p）的表达，从而显著抑制了肿瘤生长，减少了癌细胞的增殖和迁移。联合治疗的潜力也得到了验证。例如，将铂纳米胶体（Pt-nc）与氢气相结合，有效地抑制了人早幼粒细胞白血病HL60细胞和源自人胃腺癌的NUGC-4细胞的生长[253]。楚（Chu）等人[79]证明，氢气对HeLa宫颈癌细胞和HaCaT角质形成细胞具有选择性作用。在HeLa异种移植小鼠模型中，持续吸入氢气显著抑制了肿瘤生长。基于细胞的实验表明，氢气选择性地增加了HeLa肿瘤细胞的凋亡，而对HaCaT角质形成细胞等非肿瘤细胞的影响极小[79]。这种选择性作用突显了氢气作为一种更安全的癌症治疗选择的潜力。

此外，作为肠道微生物群产生的一种代谢物，氢气在维持肿瘤抗性方面发挥着重要作用。目前的研究已证明，氢气疗法在治疗各种癌症方面有效，且没有明显的副作用。此外，最近的研究探索了将氢气疗法与化疗和放疗等传统治疗方法相结合的潜力，结果表明这种联合治疗可以提高疗效并减少副作用[254]。然而，尽管氢气作为一种癌症辅助治疗方法具有很大的潜力，但仅靠氢气可能无法达到足够的治疗效果。在现阶段，氢气疗法不应取代化疗或放疗等传统治疗方法。未来的研究应集中在将氢气与其他新兴疗法联合应用，以充分发挥其潜力。

6 氢气的临床应用

随着氢气在动物模型中对各种疾病的治疗和预防效果得到成功验证，氢气的临床应用也变得愈发重要。近年来的多项研究表明，氢气在临床环境中已显示出良好的治疗效果和安全性。在本文中，我们回顾了氢气在动物模型中减轻肠道疾病的分子机制，并讨论了它通过肠道微生物群对其他疾病的影响[225]。在此，我们将简要总结氢气在治疗胃肠道疾病方面的临床应用，并概述涉及氢气在呼吸系统疾病、神经系统疾病、心血管疾病、慢性疾病和癌症中应用的临床试验情况。

6.1 氢气在治疗胃肠道疾病或通过调节肠道微生物群方面的临床应用

应当承认，目前氢气用于治疗肠道疾病的临床试验较少，但值得注意的是，在人类摄入易于代谢的碳水化合物后，测量呼出的氢气和甲烷气体，已成为一种重要的无创呼气测试方法，有助于诊断小肠细菌过度生长（SIBO）[255, 256]。这是氢气在辅助治疗肠道疾病方面最广泛的临床应用。此外，基于呼出氢气与甲烷的比例，无创检测头颈部鳞状细胞癌[257]、妊娠期糖尿病[258]、心力衰竭[259]和自闭症（ASD）[260]也显示出了潜力，因为小肠细菌过度生长与某些疾病的发展相关，且患者肠道微生物群组成的变化会导致呼出氢气量的改变。此外，氢气在治疗其他一些疾病方面的临床应用也已被证明是通过作用于肠道微生物群来发挥作用的，例如，谢（Xie）等人[261]发现，氢气可以改变阿片类药物成瘾者的肠道微生物群组成，从而作用于肠-脑轴，改善阿片类药物成瘾者的抑郁和焦虑症状。在一项随机双盲对照临床研究中，梁（Liang）等人[262]发现，富氢盐水可以通过调节空腹血糖受损患者的肠道微生物群来改善代谢（表4）。

表4. 氢气在治疗胃肠道疾病、呼吸系统疾病、神经系统疾病、心血管疾病、慢性疾病和癌症方面的临床应用概述。

这包括对所研究疾病的概述、给药方法、患者数量、治疗方案、治疗结果、局限性、实验阶段、首次试验提交日期以及临床试验参考文献（数字对应本文中的参考文献，其他数字代表美国临床试验编号、欧盟临床试验编号、日本临床试验编号和中国临床试验编号）。

6.2 氢气在呼吸系统疾病中的临床应用

氢气在治疗呼吸系统疾病方面尤为有效，因为它主要通过吸入给药，并且临床研究已经证明了氢气对哮喘、慢性阻塞性肺疾病和新冠肺炎（COVID-19）等疾病的潜在疗效。王（Wang）等人[263]在一项针对10名哮喘患者和慢性阻塞性肺疾病患者的前瞻性研究中发现，单次吸入45分钟含2.4%氢气的蒸汽混合气体，可减轻哮喘患者和慢性阻塞性肺疾病患者的气道炎症。牛（Niu）等人[264]评估了哮喘患者和过敏性气道炎症小鼠模型中的糖酵解和线粒体氧化磷酸化活性，结果表明氢气增加了三磷酸腺苷（ATP）的产生，以及线粒体呼吸链复合物I和III的活性。郑（Zheng）等人[265]进行了一项前瞻性临床试验，以评估氢氧混合气体在改善慢性阻塞性肺疾病急性加重期（AECOPD）患者症状方面是否优于氧气。结果显示，氢氧组的咳嗽评估测试得分显著降低，且未报告不良事件，这表明氢氧疗法与标准氧疗相比更有效且安全[265]。同样，曾（Zeng）等人[101]用氢氧疗法治疗了33名患者，发现该疗法改善了新冠肺炎患者的呼吸困难和疾病进展，使血氧饱和度（SpO2）水平更高，住院时间更短。谭（Tan）等人[266]对32名参与者进行了一项随机、单盲、安慰剂对照试验，发现尽管与急性新冠肺炎患者相比，富氢水并未改善新冠肺炎长期症状患者的呼吸困难，但它缓解了疲劳，并改善了心肺耐力、肌肉骨骼功能和睡眠质量（表4）。

6.3 氢气在神经系统疾病中的临床应用

动物实验表明，氢气在治疗神经系统疾病方面发挥着有益作用，而人体试验则显示出其对神经退行性疾病的潜在治疗价值。依里高（Yoritaka）等人[267]进行了一项随机、双盲、安慰剂对照的初步研究，以探究吸入氢气对帕金森病（PD）的改善作用，但他们的研究结果表明，尽管吸入氢气是安全的，但对帕金森病患者没有显著的有益效果。尽管氢气在帕金森病中的治疗效果有限，但其在急性脑损伤和神经退行性疾病中的抗氧化作用以及对线粒体功能的调节作用在科学上仍值得关注。小野（Ono）等人[268]招募了34名因动脉粥样硬化疾病导致脑梗死的患者，将他们分为两组：一组26名患者仅接受依达拉奉治疗，另一组8名患者接受依达拉奉和富氢盐水联合治疗。令人惊讶的是，联合治疗组在磁共振成像（MRI）指标上显示出更明显的改善[268]。永田（Nagata）等人[269]在一项开放标签、前瞻性、非随机研究中，招募了38名因急性缺血性中风住院的患者，以评估静脉注射富氢葡萄糖电解质溶液联合组织型纤溶酶原激活剂（t-PA）的安全性。结果表明，该疗法对急性脑梗死患者相对安全，不过由于患者数量不足，该研究缺乏单独的仅使用氢气的组，并且有一名患者出现腹泻，无法确定其与治疗有明确关联[269]。在武内（Takeuchi）等人2014年发表的文章中[270]，他们宣布已在一个大型研究人群中启动了一项双盲随机对照试验（RCT），招募了450名严重蛛网膜下腔出血（SAH）患者，以评估氢气疗法在治疗早期脑损伤、迟发性脑缺血和血管痉挛方面的疗效，但遗憾的是，这项临床研究的结果至今尚未公布。在发现氢气与其他疗法的协同作用后，小野（Ono）等人[271]后来招募了50名急性脑梗死患者，以研究单独使用氢气的效果。患者被分为两组，一组接受氢气治疗，另一组接受不含氢气的气体，结果显示，氢气治疗稳定了生命体征，提高了患者的日常生活活动能力，且未观察到不良反应。实验过程中未发现不良影响，安全性得到了保障[271]。2023年，小野（Ono）等人[272]发表的另一篇文章表明，单独吸入3%的氢气1小时，持续6个月，可缓解阿尔茨海默病（AD）患者的症状并改善病情（表4）。

6.4 氢气在心血管系统疾病中的临床应用

目前，氢气对人类心血管疾病的改善作用仍需通过大规模的研究人群来证实。然而，一些临床研究已经证明了氢气在治疗心血管疾病方面的高安全性和可行性。2016年进行了首项关于氢气治疗心脏骤停后综合征的人体初步研究，结果表明吸入氢气可带来良好的神经学预后。然而，由于气瓶容量的限制，该研究受限于样本量小和氢气吸入持续时间短的问题[273]。在另一项研究中，24名接受体外循环（CPB）手术的患者被随机分为两组：12名患者吸入浓度为1.5%至2.0%的氢气，而对照组不接受氢气，结果显示，接受氢气治疗的患者红细胞功能得到改善，氧化应激减轻[274]。宋（Song）等人[275]在动物研究中发现了氢气有益的降脂作用，因此他们纳入了20名可能患有代谢综合征的患者，以研究富氢水对人类的改善作用，结果表明，补充富氢水似乎可以降低血清低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）和载脂蛋白B（apoB）的水平，并改善因血脂异常受损的高密度脂蛋白胆固醇的功能，减轻氧化应激。这意味着氢气可能在预防潜在的代谢综合征方面发挥有益作用[275]。在最近对一项随机对照试验的事后分析中，田村（Tamura）等人[276]发现，与仅采用目标体温管理（TTM）（32-34°C）相比，吸入氢气并结合TTM（TTM32-TTM34）可改善心源性院外心脏骤停（OHCA）后的神经学预后。然而，也需要考虑这项研究的局限性；这是一项有样本量限制的事后分析，该研究结果可作为参考，用于设计更大样本量的研究，以便在后续研究中进行探索（表4）。

6.5 氢气在慢性疾病中的临床应用

早在2008年，即氢气的抗炎和抗氧化作用首次被发现的一年后，一项涉及30名2型糖尿病（T2DM）患者的随机、双盲、安慰剂对照交叉试验表明，饮用富氢水在预防2型糖尿病和胰岛素抵抗方面具有有益作用[277]。另一项小型探索性研究揭示了氢气对泪腺的保护作用。这项涉及小鼠和10名人类受试者的研究表明，产氢补充剂显著增加了呼出氢气的浓度，并改善了泪液稳定性和干眼症症状[278]。陶（Tao）等人[279]对43名非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）患者进行了为期13周的氢氧吸入临床试验。他们的研究结果显示，氢氧吸入改善了血脂谱和肝酶水平，通过超声和CT扫描检测发现，中重度患者的肝脏脂肪含量有显著改善[279]。在另一项研究中，浅田（Asada）等人[280]选择了两名男性和两名女性，以研究富氢水对氧化应激相关皮肤问题和脂质代谢标志物的影响，并确定溶解的氢气在煮沸后是否仍然有效。结果表明，富氢水沐浴改善了内脏脂肪和皮肤斑点，并且溶解的氢气表现出对高温的耐受性[280]。朱（Zhu）等人[281]发现，富氢水沐浴对银屑病有治疗作用，接受富氢水沐浴的患者银屑病面积减小，瘙痒减轻。在另一项关于银屑病治疗的临床研究中，通过注射富氢盐水、饮用富氢水和吸入3%的氢气来给予氢气。结果表明，在接受氢气治疗后，个别患者的白细胞介素-6（IL-6）和白细胞介素-17（IL-17）水平有所降低[96]。纳米气泡富氢水沐浴比单纯的富氢水沐浴能更好地使氢气溶解在水中，并在一定程度上减少了氢气的逸出。田中（Tanaka）等人[282]发现，纳米气泡富氢水沐浴不仅减轻了结缔组织病患者的炎症症状和改善了皮肤外观，还提高了健康患者的血清抗氧化能力。2022年，一项临床研究证明了口服固体氢气胶囊对慢性炎症个体的抗炎和抗氧化作用，突显了氢气在长期健康方面的潜在益处[283]（表4）。

6.6 氢气在癌症中的临床应用

近年来，氢气在癌症治疗中的应用研究取得了突破性进展。陈（Chen）等人[284]进行了一项前瞻性随访研究，涉及82名接受氢气吸入治疗的III期和IV期癌症患者。他们发现，氢气吸入改善了患者的生活质量，并有助于控制癌症进展，且对不同癌症的效果有所不同。肺癌患者的治疗效果最佳，而胰腺癌和妇科癌症的改善效果最差[284]。陈（Chen）等人[92]纳入了20名非小细胞肺癌患者，以研究氢气的改善作用，发现氢气在肺癌患者中的优越治疗效果主要是通过改善淋巴细胞群的免疫衰老实现的。除了其直接的抗肿瘤作用外，氢气减轻治疗相关不良反应的能力为其融入癌症综合治疗方案提供了战略优势。在次年的另一项临床试验中，陈（Chen）等人[254]招募了58名成年患者，分别研究单独吸入氢气与氢气联合化疗、靶向治疗和免疫治疗对晚期非小细胞肺癌的治疗效果。经过16个月的随访发现，对照组的无进展生存期低于单独吸入氢气组，且显著低于其他三个联合治疗组。在这项研究中，不仅突显了单独使用氢气的治疗效果，还强调了氢气与其他疗法联合使用的协同效果[254]。在一项回顾性观察研究中，平野（Hirano）等人[285]发现，氢气吸入在癌症治疗中显示出有前景的结果，并且还改善了癌症患者因调强放射治疗（IMRT）引起的骨髓损伤，同时不影响IMRT的抗肿瘤效果，从而突显了其在辅助治疗中的潜力。这些发现为氢气融入癌症综合治疗提供了多方面的证据。氢气在上述多种全身性疾病中的临床价值日益凸显。未来的研究需要在三个维度上持续取得突破：深入探索机制（例如，表观遗传调控）、优化干预策略（例如，精准给药系统）以及跨学科整合（例如，氢气医学与人工智能的结合）（表4）。

7. 结论与展望

氢气在医学领域已受到广泛关注，研究表明它具有多种特性，包括抗炎、选择性抗氧化、抗凋亡、能量代谢调节以及免疫调节等，使其广泛应用于各种疾病的治疗。然而，氢气在不同患者中的作用机制和治疗效果仍需进一步研究。氢气靶向核因子κB（NF-κB）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和NOD样受体蛋白3（NLRP3）炎性小体等核心信号通路，以协同调节并抑制炎症。然而，安（An）等人[53]的研究发现，雌激素可增强氢气对磷酸化NF-κB（p-NF-κB）的抑制作用，这表明性别差异可能会影响氢气的抗炎效果。氢气的抗氧化作用主要通过选择性清除有毒的自由基并激活内源性抗氧化系统来实现。老年患者由于线粒体功能障碍以及清除自由基的能力下降，对氢气疗法更为敏感，这可能导致慢性炎症和氧化应激的积累。这也解释了氢气在治疗与年龄相关的疾病（如动脉粥样硬化和阿尔茨海默病）中具有显著的干预效果。通过核因子E2相关因子2（Nrf2）信号通路，氢气诱导抗氧化酶（如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx））的表达，增强了细胞对氧化应激的耐受性。因此，Nrf2等基因的多态性可能会影响氢气的治疗效果。未来，可以利用基因检测来识别对氢气敏感的遗传标志物，从而为特定人群优化治疗方案。尽管氢气的作用机制已在一定程度上得到证实，但其在蛋白质和基因水平的作用靶点仍不明确。于（Yu）等人的研究团队[286]通过蛋白质组学和基因组学分析，鉴定出199种蛋白质，这些蛋白质被认为与氢气改善脓毒症患者肠道屏障功能的机制高度相关。此外，大泽（Ohsawa）等人[287]通过代谢组学分析发现，短暂暴露于氢气可抑制与能量代谢相关的信号通路（如谷胱甘肽水平降低），并触发保护性应激反应机制。陈（Chen）等人[288]基于超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-QTOF/MS）代谢组学技术，揭示了氢气对缺血性中风小鼠代谢通路的调节作用。这些研究表明，未来可以利用多组学联合分析来探索氢气与生物系统之间的相互作用，发现新的作用靶点，并实现精准治疗。虽然氢气潜在的治疗机制仍需进一步探索，但现有研究证据表明，氢气疗法已成为治疗各种疾病的有效工具。截至目前，仅报告了一例腹泻病例，这可能是一个孤立事件。然而，氢气疗法是否真的完美无缺，以及是否存在尚未检测到的潜在不良反应，仍需进一步验证。

氢气通过不同的机制对肠道疾病的治疗产生影响。例如，它调节由肠道微生物群（GM）介导的短链脂肪酸（SCFA）的产生，以改善肠道炎症；抑制炎症和细胞凋亡信号通路，以抑制结肠炎的进展；调节免疫功能，以有效控制结肠癌。然而，尽管取得了这些显著进展，对于氢气作为治疗肠道疾病的信号分子的潜在分子机制的研究仍相对较少。目前，大多数关于氢气治疗肠道疾病的研究集中在单独使用氢气疗法的基础研究上，只有少数案例探索了氢气疗法与现有药物联合使用对肠道疾病的治疗效果。根据目前氢气与临床药物的联合治疗效果，氢气在治疗肠道疾病时的安全性能够得到保证，并且显示出增效作用，但其治疗肠道疾病的机制仍有待深入研究。同样值得注意的是肠道菌群与氢气之间的密切关系。如前所述，许多疾病都与肠道微生物群的变化相关。在上一部分中，我们总结了许多疾病与肠道微生物群变化之间的关联，并且疾病的治疗通常伴随着肠道微生物群多样性的恢复。近年来，“肠-脑轴”、“肠-肝轴”和“肠-肾轴”受到了广泛关注，尤其是“肠-脑轴”。在人类的整个生命周期中，肠道微生物群多样性的变化伴随着神经发育的变化，肠道微生物群与大脑之间存在许多双向通信途径，包括免疫调节反应、神经元支配和微生物代谢物信号传导。肠道菌群与产氢和耗氢细菌共生，已知外源性氢气会导致肠道微生物群组成和多样性发生变化，但这种变化的持续时间尚不清楚，并且当停止使用外源性氢气时，产氢和耗氢细菌的平衡是否会发生新的变化，也需要更深入的研究。总之，肠道微生物群与氢气之间的密切关系不容忽视，氢气对肠道微生物群组成和功能的调节作用以及氢气对肠道微生物群代谢物的调节作用需要深入研究，这将有助于发现氢气新的治疗靶点和作用机制。

氢气通过不同的给药方式已显示出良好的治疗效果。然而，氢气在临床应用中仍面临一些挑战。尽管在动物实验中有多种氢气给药方式，但临床应用中的给药方式相对单一，需要更多的临床试验来验证，特别是纳米材料辅助的氢气给药方式的临床推广。临床上常用的几种氢气给药方式仍存在一些需要解决的缺点。首先，对于制备、储存、运输和分配吸入氢气的设备的管理需要格外小心，以防止潜在的爆炸风险。尽管目前临床使用的氢气浓度在2%至4%之间，通常不会发生爆炸，但出于安全考虑和成本因素，临床使用更高浓度的氢气仍存在困难。一些研究表明，氢气的疗效可能具有剂量依赖性，对于某些疾病，更高的浓度可能会带来更好的治疗效果。其次，口服富氢水（HRW）缺乏对特定病变部位的靶向递送。最后，富氢水注射的时机、方法和剂量等相关问题也需要解决。

除了给药方式带来的挑战外，氢气的临床推广还面临几个关键问题：（1）临床试验有限：大多数关于氢气的临床试验是小型的单中心研究，缺乏大规模、多中心的随机对照试验（RCT）来验证其长期疗效。此外，氢气的使用剂量和浓度存在显著差异（例如，吸入氢气的浓度范围为2%至66%），并且治疗方案尚未根据疾病阶段（如癌症的早期/晚期）或合并症（如糖尿病肾病）进行调整。未来的研究需要探索给药时机、剂量反应关系以及氢气如何与其他疗法联合使用。这需要更大的样本量和更长的随访期来进行验证。（2）联合治疗的安全性问题：氢气与其他医用气体联合使用的安全性，以及不同人群对氢气浓度的接受程度和适应性，都需要进一步研究。目前，氢气主要与氧气联合使用，只有少数研究探讨了氢气与其他气体（如氮-氧-氢混合气体）联合使用的情况。氢气对特定疾病的影响，特别是那些与遗传背景或性激素相关的疾病，也需要进一步验证。（3）辅助治疗效果：需要更多关于氢气辅助治疗效果的研究。一些研究表明，氢气的高生物相容性可增强现有疗法的效果，且不会产生干扰，特别是在减轻化疗和放疗的副作用方面。然而，仍需要更多的动物实验和临床试验来验证这些发现。（4）针对不同人群的精准氢气疗法：尽管氢气具有广泛的干预效果，但其疗效受到年龄、性别和遗传背景等因素的影响。然而，临床研究往往缺乏对患者的分层，个性化治疗仍然是一个重大挑战。（5）标准化监管框架：需要建立一个标准化的监管框架，用于氢气的临床试验和长期安全性评估。应明确定义患者吸入氢气、饮用富氢水或注射富氢盐水（HRS）的合适浓度。应在合理范围内探索高浓度氢气的治疗效果。此外，应区分慢性疾病和急性疾病，并建立差异化的监管指标。

近年来，纳米医学发展迅速，纳米材料在解决氢气扩散和实现靶向治疗方面的疗效已得到充分证实。大量研究表明，封装在纳米材料中的氢气在治疗各种疾病方面具有显著的治疗效果。然而，其在治疗胃肠道疾病方面的应用仍然有限。虽然纳米材料可以帮助减少氢气泄漏并辅助实现氢气的靶向治疗，但其长期安全性、引发异常免疫反应的可能性以及生物降解性，仍需要在临床前研究和临床试验中进一步验证。未来的工作应专注于开发无毒、可生物降解的纳米材料，以辅助氢气的递送。氢气医学是一个新兴的科学领域，近年来取得了显著进展。进一步阐明其潜在机制将为临床应用提供有价值的参考。未来，氢气医学和纳米氢医学系统有望得到显著改善，为人类疾病的诊断、治疗和预防提供新的机遇。

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