氢疗法是普世性抗衰新策略
摘要
衰老是多种疾病发生的主要风险因素，包括心血管和代谢疾病、神经退行性疾病以及癌症。随着全球老年人口数量的不断增加，人们已对多种对抗衰老相关疾病的策略展开研究。最近，由于氢气（H2）具有抗氧化和抗炎特性，能够调节细胞衰老和死亡，并恢复肠道菌群平衡，其作为预防和治疗手段的应用已被提出。尽管探究氢气在延缓衰老及衰老相关疾病中作用的研究仍有限，但当前研究结果支持这样一种观点：摄入氢气可能能够影响这些过程的不同特征。氢气的“大众化”特点在于其多效性、无毒性且成本低，因而具有广泛应用的潜力。在本综述中，我们全面阐述了当前关于衰老及衰老相关疾病的分子和临床特征的最新知识。此外，还将讨论当前延缓这些过程的治疗方法，重点关注氢气作为创新预防和治疗策略的潜在应用。
本文作者来自意大利三家研究机构：a意大利博洛尼亚 IRCCS 大学医院医疗肿瘤学系b意大利博洛尼亚大学医学与外科学系c意大利贝卢诺蓝氢科学公司。博洛尼亚大学（意大利文：Università di Bologna；英文：University of Bologna）是一所坐落在意大利艾米利亚-罗马涅大区首府博洛尼亚的国际顶尖综合性研究型大学，创立于公元1088年-神圣罗马帝国时期，是世界上广泛公认的、拥有完整大学体系的第一所大学，被誉为“世界大学之母”。
图形摘要
氢气（H2）具有显著的抗氧化和抗炎特性，可选择性中和有害的自由基（羟基自由基（.OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO-）），从而预防基因组不稳定性、线粒体功能障碍、细胞衰老和死亡，以及肠道菌群失调，这些均与衰老和衰老相关疾病的发生有关。摄入氢气可预防或延缓通常从50岁开始出现的衰老相关疾病，包括心血管疾病、癌症、代谢性疾病、肌肉骨骼疾病和神经退行性疾病。无论是在成年人还是老年人中，摄入氢气都可能进一步改善健康衰老状况，延缓生理机能衰退的发生。
1.引言
衰老是一个不可避免的过程，其特征是生理和认知功能的进行性损害，这是遗传、表观遗传、环境和随机因素之间复杂相互作用的结果。这一过程是多种病理状况（即心血管疾病、癌症、代谢性疾病、肌肉骨骼疾病和神经退行性疾病）发生的主要驱动因素之一，并伴随着死亡率的指数级增长。
越来越多的证据表明，衰老的功能衰退可归纳为12个进化保守的特征：基因组不稳定性、表观遗传改变、端粒缩短、蛋白质稳态丧失、巨自噬功能障碍、营养感应失调、线粒体功能障碍、干细胞耗竭、细胞间通讯改变、慢性炎症和菌群失调（图1）。此外，最近有人提出细胞外囊泡分泌的改变是衰老的一个新特征。这些特征彼此之间存在层级互联，并与最近提出的健康特征（即长期维持空间区室化、体内平衡以及对扰动和应激源的适当反应）相关。对秀丽隐杆线虫（C. elegans）的开创性研究表明，在胰岛素受体样基因daf-2中引入单个突变后，其寿命可延长一倍。从那时起，对衰老过程背后生物学机制的理解已得出这样的结论：衰老是非线性的可塑性过程，即使在复杂生物体中，也可能通过特定的遗传、饮食、药理和行为干预来调节。这些发现逐渐为衰老这一潜在可调节而非不可逆过程的新范式铺平了道路。因此，确定能够提高预期寿命和健康寿命的策略已成为衰老研究领域的主要目标之一。
由于已有优秀综述描述了衰老的分子和临床特征，在此我们基于当前研究，重点关注可能被氢气（H2）靶向的衰老及衰老相关疾病中的生物学过程（图2）。此外，还将讨论氢气作为对抗衰老相关疾病的创新预防和治疗策略的潜力与局限性。
2. 衰老的分子特征
2.1. 基因组不稳定性
基因组不稳定性是指细胞生命周期中DNA损伤的累积，这会改变其结
构和功能。基因组DNA和线粒体DNA（mtDNA）都会反复受到内源性因素（ 如DNA复制错误和氧化应激）和外源性因素（包括环境和生物因素）引起的损伤（Niedernhofer等，2018）。与基因组DNA相比，mtDNA更容易积累损伤，因为其高氧化微环境、快速复制速率、缺乏组蛋白保护以及有 效的DNA修复机制。大量证据表明，DNA损伤是导致衰老和与年龄相关的疾病（如痴呆症、心血管疾病和癌症）的重要因素之一。最近的一项研究显示，从1个月（相当于人类的早期童年）到30个月（相当于人类的百岁老人）的老鼠，其所有器官的基因组突变数量与衰老呈正相关。随着年龄的增长，DNA损伤的增加与DNA修复机制的老化失效有关，这一点在早老症患者中尤为明 显，遗传性DNA修复缺陷增加了DNA损伤的负担，加速了衰老过程。对于百岁老人而言，保持有效的DNA修复系统对于维持基因组稳定性和实现长寿至关重要。此外，癌症幸存者的观察进一步证实了DNA损伤 在促进衰老过程中的因果作用。接受放射治疗和化疗的个体比未暴露于这些基因毒性治疗的个体衰老得更快。
2.2. 表观遗传学改变
表观遗传改变是指那些能够遗传的基因组修饰，这些修饰会影响基因表达，但不会改变DNA序列。主要的修饰类型包括DNA甲基化、组蛋白修 饰、染色质重塑以及非编码RNA的调控作用。虽然最初认为表观遗传改变 是单向的，但现在认识到这是一个高度动态且可逆的过程，在细胞身份和功能的维持中扮演着核心角色。然而，表观遗传改变可能导致DNA构象变得更加开放，从而增加基因组不稳定的危险，进而促进与年龄相关的疾病。研究表明，随着年龄的增长，全球DNA低甲基化现象显著增加，尤其是在异染色质重复区域，同时一些基因启动子区域的CpG岛出现高甲基化，包括肿瘤抑制基因（Lu等，2023）。有趣的是，有人提出 DNA甲基化图谱可能预测晚年全因死亡率，CpG甲基化水平可用作人类年龄的可靠生物标志物。此外，染色质组织的变化和组蛋白的丢失是衰老过程中的一个共同特征，这些变化影响了染色质的可及性，从而导致与年龄相关的表型。事实上，组蛋白的过表达在酵母和果蝇中均能延长寿命。组蛋白可能经历甲基化和乙酰化等后修饰，这些修饰会导致基因表达的失调。特别是，体外和体内研究显示，与年龄相关的组蛋白H3的赖氨酸9位点（H 3K9me3）、H4K20me3、H3K27me3以及组蛋白H3的赖氨酸9位点（H3K9ac）的甲基化和乙酰化变化。具体而言，异染色质的减少以及H3K9me3和H3K27me3的下降已被观察到。
图1.衰老的分子和临床特征。该图描述了最近提出的12个与老年人典型临床表现严格相关的衰老分子特征：心血管疾病、癌症、代谢和肌肉骨骼疾病以及神经退行性疾病。
图2.氢气靶向的衰老及与年龄相关疾病的主要生物过程，包括基因组不稳定性、线粒体功能障碍、自噬功能丧失、细胞衰老、炎症反应和微生物群失调。ROS：活性氧；ncRNAs：非编码RNA；SASP：衰老相关分泌物。 表型，SCFAs：短链脂肪酸。
在早衰疾病模型和老年个体的成纤维细胞中，H3K9ac随着年龄增长而减少，这一过程在衰老过程中起 着关键作用。总体而言，乙酰化模式的变化已被证明在衰老过程中调节细胞稳态和保持基因组稳定性。乙酰化受sirtuins的活性调控，特别是NAD+依赖的组蛋白去乙 酰化酶，尤其是Sirtuin 1（SIRT1）的过表达对延长寿命有益，其减少与DNA损伤的易感性增加有关。最后，非编码RNA的失调，包括微小RNA（miR）、长非编码RNA和环状RNA，可能破坏基因调控网络和细胞稳 态，进一步加速衰老过程。特别是，在动物模型中，miR-455-3p的过表达对年龄相关变化具有保护作用，而其耗竭则对寿命、认知行为、线粒体和突触活动产生不利影响 。此外，它可能在异时并行中延长小鼠的寿命。总体而言，这些发现表明，表观遗传改变在衰老和与年龄相关的疾病中起着关键作用，更好地理解其动态变化对于改善这些状况至关重要。
2.3. 端粒缩短
端粒是位于染色体末端的高度保守的重复（TTAGGG）n序列，其目的是保持其完整性、功能和复制。每次细胞分裂时，端粒DNA都会发生生理性的缩短，这是细胞正常生命周期的一部分。然而，当端粒长度达到临界点时，细胞可能会进入衰老或凋亡状态。
在氧化应激条件下，这一过程可能会加速，因为富含G的重复序列对线粒体产生的活性氧（ROS）非常敏感，容易受到氧化损伤。端粒损伤可能通过影响p53和过氧化物酶体增殖激活受体-γ共激活因子-1α（PGC-1α）的表达，导致线粒体功能障碍。在人类中，即使年龄相近的个体，端粒长度也存在显著差异，范围从5到15千碱基，每年缩短约70个碱基对。多项研究证实，端粒长度与年龄和与年龄相关的衰退呈负相关，这表明端粒缩短与衰老过程密切相关。事实上，stathmin和EF-1a这两种生物标志物，作为端粒功能障碍和DNA损伤的指标，在人类中随着年龄增长和与年龄相关的疾病而增加，并与细胞衰老的标志物p16的表达相关宋等人（2010）的研究显示，百岁老人的端粒比对照组更长，这有助于保护他们免受与年龄相关的疾病影响，同时改善认知功能和脂 质水平（Atzmon等人，2010）。此外，健康百岁老人的端粒显著长于不健康百岁老人（Terry等人，2008）。 端粒长度受端粒酶调控，这是一种能够从头延长染色体末端的逆转录酶。在人类中，端粒酶活性在胎儿发育和生殖细胞、造血细胞、干细胞及快速更新的细胞中较高，但在大多数正常成体细胞中则极低或不存在。然而，在衰老过程的关键阶段，正常成体细胞中的端粒酶活性可能会恢复，以减轻功能障碍端粒带来的负面影 响，包括衰老压力。有趣的是，研究发现，先天性角化不良（DC）患者的成纤维细胞中，端粒酶的表达导致了端粒长度的增加和寿命的延长。同样，在小鼠模型中，端粒酶治疗减少了DNA损伤和炎症标志物，并增加了SIRT1的水平，使寿命延长了 20%。然而，由于90 %的肿瘤中存在端粒酶再激活现 象，这与癌细胞的无限生长有关，因此端粒酶治疗需要谨慎评估。
2.4. 自噬功能障碍
自噬是一种细胞消化过程，对组织发育和稳态至关重要，并且参与了多种生理和病理过程，包括衰老（Choi等，2013）。自噬对于维持细胞能量、应对环境或营养压力时的大分子循环利用、抵御病原体、细胞重编程、保持干细胞特性或调节衰老等过程至关重要。这一过程可以响应多种压力源而被激活，包括营养或生长因子的缺乏、缺氧、受损的蛋白质或细胞器以及基因毒性应激。自噬速率的提升可能延缓衰老并延长寿命，而其下降则会产生相反的效果，导致一系列类 似早衰的疾病。与年龄相关的溶酶体活性下降是导致蛋白质聚集和功能障碍细胞器积累、病原体清除减少及炎症增强的重要机制，这些因素构成了衰老的基础。有趣的是，从长寿父母的后代中分离出的CD4+ T淋巴细胞显示出比同龄对照组更高的自噬活性，这支持了自噬能力的保持对于长寿、老年保护和延长健康寿命的重要性。
最近的研究发现，巨自噬和青春优化器（Mytho）蛋白在自噬激活中扮演着核心角色，有助于增强抗压能力和促进健康老龄化。有趣的是，这种蛋白质从线虫到人类都高度保守，且在老年小鼠和老年人中表达上调；而当这种蛋白质被删除时，动物模型在氧化应激条件下寿命显著缩短。在分子层面，Mytho的缺失导致细胞增殖速度减慢、线粒体形态和功能的变化，以及与溶酶体功能障碍相关 的β-半乳糖苷酶活性（SA-β-gal）增加。因此，自噬可能成为抗衰老的一个有吸引力的候选者，有令人信服的证据表明，刺激自噬流可以提高健康水平和寿命。
2.5. 氧化应激和线粒体功能障碍
活性氮物种和ROS是由有氧细胞产生的自由基和非自由基氮和氧衍生物。线粒体是内源性活性氧（ROS）的主要来源，这些活性氧的产生源于线粒体呼吸链中的电子泄漏。随着年龄的增长，ROS的产生尤为显著，成为推动这一过程的关键因素。线粒体呼吸链效率下降导致ATP产量减少。当ROS的生成与清除之间出现不平衡时，氧化应激就会发生，这通常是因为内源性抗氧化能力下降导致的过度生成或清除减少。长期的氧化应激可能导致脂质、蛋白质、核DNA和线粒体DNA的损伤，从而引发多种与年龄相关的疾病，包括癌症。尽管研究表明，细胞代谢变化引起的氧化损伤可能缩短模型生物的寿命，但ROS与衰老之间的复杂机制仍需进一步研究。虽然高水平的ROS通常会导致细胞损伤和炎症，但其过度减少也可能导致寿命缩短。2021年的研究指出，活性氧（ROS）可能根据物种和细胞条件的不同，既具有积极作用也存在负面影响。与此相呼应，过量的抗氧化能力可能会增加癌症的发生率和死亡率，这可能是由于干扰了重要的防御机制。 有趣的是，有研究推测低水平的氧化应激可能通过一种称为“线粒体小剂量激活效应”的适应性反应来增强细胞防御，这可以解释在不同模型生物中，线粒体功能受损后ROS水平升高导致寿命增加的现象。然而，仍需进一步研究以确定线粒体如何在不同条件下影响衰老，以及使用抗氧化剂是否是延长寿命的有效策略。
2.6. 细胞衰老
衰老是一种细胞应激反应，主要特征包括在G1期的细胞生长停滞、对凋亡的抵抗以及复杂的衰老相关分泌表型（SASP）。SASP分泌物包含多种细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶，其组成可能因细胞类型、刺激性质及强度的不同而有所变化。这些因子的分泌可引发‘局部无菌性’炎症，这种炎症可能演变为慢性疾病，是与年龄相关的病理过程的一个重要驱动因素。细胞增殖停滞是细胞衰老最显著的特征，主要由端粒缩短引起。
有学者指出，这会导致细胞周期停滞，并引发与SASP相关的促炎因子表达。衰老不仅可以在端粒丢失或功能障碍的情况下被激活，还 可以在多种应激条件下被触发，包括DNA损伤的累积、表观遗传变化和线粒体功能障碍。此外，衰老细胞通常对细胞死亡信号产生抗性。然而，这些抗凋亡机制尚未完全明了。最后，随着年龄的增长，免疫系统出现一系列依赖于年龄的变化，称为免疫衰老，这源于先天性和适应性免疫反应的逐渐衰退，从而形成一个持续的促炎环境，可能增加组织损伤的风险。
老年人因感染引发的损害。因此，衰老细胞的累积可能反映了与年龄相关的免疫监视机制功能衰退，导致免疫反应失控。
2.7. 菌群失调
肠道微生物群，即人体肠道内的微生物群落，在生命过程中会经历显著的组成和功能变化，通常从一种称为‘稳态’的状态转变为另一种称为‘失调’的状态，这可能导致与年龄相关的疾病。实际上，肠道微生物群在调节宿主寿命方面起着关键作用，其紊乱可能促进与年龄相关疾病的出现。目前，普遍认为人类是一个由宿主生物及其相关微生物群组成的复杂整体，这些微生物群与宿主之间存在紧密的相互联系和依赖关系，因此宿主的变化会反映在微生物群的变化上，反之亦然。因此，维持共生状态可能是一种促进健康老龄化的潜在策略。然而，这些变化是导致不健康老龄化的原因还是结果，目前尚不清楚，如何通过调节肠道微生物群来实现抗衰老效果的策略也尚未明确。
在人类中，肠道微生物群随着年龄的增长而共同进化，其组成因外部因素（如低纤维饮食、长期居住护理、非甾体抗炎药和抗生素的使用） 和内部因素而逐渐发生变化。特别是，随着年龄的增长，肠道微生物群的多样性减少，厚壁菌门与拟杆菌门的比例下降，个体间的差异增大，变形菌门的丰度增加，而有益细菌如双歧杆菌的数量减少。2009年，这些变化可能与病原体和肠道微生物的易感性增加以及肠道黏膜屏障受损有关。
此外，衰老与抗生素抗性相关的变形菌基因的高表达有关，特别是编码多药外排泵的基因。有趣的是，百岁老人的微生物组特征独特，具有更高的多样性和健康相关菌群的较高丰度，如克里斯滕森菌科和阿克曼氏菌，这些菌群被认为是健康老龄化的潜在生物标志物。这些细菌是短链脂肪酸（SCFAs）的潜在生产者，这些脂肪酸来源于纤维的微生物发酵，被认为具有抗炎作用，有助于对抗衰老过程中常见的慢性炎症。此外，多糖发酵菌产生的氢气对衰老和与年龄相关的疾病有积极影响，这一点将在下文讨论。最近的一项研究在小鼠模型中证实，Akkermansia muciniphila可能通过恢复健康的肠道微生物群，从而改善健康状况和延长寿命。此外，由肠道细菌（如
Enterocloster asparagiformis、Hungatella hathewayi和Oxalobacter formigene)调节的多种神经活性化合物和抗炎代谢物，在长寿者体内水 平升高，增强了大脑的功能连接，从而保持了认知功能。 总体而言，可以推测肠道细菌的组成和功能的变化有利于老年相关 微生物群的形成，这会引发免疫衰老和慢性炎症，最终导致与年龄相关 的疾病的发生。因此，开发针对肠道微生物群的策略可能成为促进健康老龄化的新途径。
2.8. 慢性炎症
上述衰老的特征在低级别的、‘无菌’的系统性和慢性炎症状态中汇聚，这种状态是衰老和与年龄相关疾病特有的，被称为‘炎症老化’。炎症老化与老年人体内促炎标志物、细胞因子和凝血因子水平的升高有关，这是由于他们处理多种压力的能力下降所致。尽管炎症老化的具体原因尚未完全明了，但持续的病毒和细菌感染、受损细胞的积累、错位的分子、错误折叠或氧化的蛋白质 、 细胞和免疫系统的衰老被 认为是主要机制。线粒体活性氧（ROS）的增加及肠道微生物群产生的有害物质会促进炎症老化，导致目标组织出现慢性炎症状态。 除了炎症反应，元炎症——一种由代谢细胞对营养和能量过剩的慢性低度炎症状态——也被认为是衰老过程的潜在调节因素。过量的营养物质，尤其是葡萄糖和游离脂肪酸（FFAs），可能在胰岛素敏感组织中引发应激反应，导致细胞因子、趋化因子和脂肪因子的释放。此外，随着年龄的增长，主要为内脏成分的脂肪组织量增加，并被激活的巨噬细胞和T细胞侵入，这些细胞会诱导炎症化合物的释放。
在此背景下，关于百岁老人的研究揭示了一种复杂而独特的平衡机制：在抗炎分子水平的显著提升下，原本由促炎状态引发的不良后果得以有效缓解，从而使得他们的炎症老化进程相较于普通人更为缓慢且程 度有限。
3. 衰老的临床表现
3.1. 代谢综合征
代谢综合征（MetS）是指一系列代谢功能障碍，包括腹部脂肪过多、 高血压、高血糖、高甘油三酯水平和低密度脂蛋白（HDL）胆固醇（McCracken等，2018）。MetS的发生严格依赖于遗传因素和后天条件，如肥胖、胰岛素抵抗和慢性炎症。如果不进行治疗，可能会增加2型糖尿病（T2DM）、心血管疾病和与代谢功能障碍相关的脂肪肝病（MASLD）的风险。总体而言，这些代谢变化与年龄相关疾病和寿命缩短有关，表明MetS可能是加速衰老过程的一个重要因素。MetS与衰老之间的关键联系在于活性氧（ROS）的过量产生，因此MetS可能被归类为氧化应激性疾病。实际上，MetS会导致线粒体功能障碍、DNA结构和转录缺陷、细胞损伤以及通常与细胞衰老相关的促炎状态。由于脂肪细胞对营养物质吸收的增加，导致FFAs水平上升，从而引发脂肪酸氧化的补偿性上调和NADPH氧化酶的激活，促进活性氧（ROS）的生成。此外，FFAs水平的升高加剧了胰岛素抵抗，通过增加氧化应激和减少氧化磷酸化及能量生产，导致线粒体功能下降。反过来，线粒体功能障碍不仅损害葡萄糖和脂质代谢，还促进了胰岛素抵抗和代谢异常，包括代谢性脂肪肝（MASLD）。此外，代谢综合征（MetS）可能对PGC-1α的调节产生负面影响，而PGC-1α是线粒体活性与生物发生的重要调节因子。
最近，研究指出肠道菌群失调可能通过某些含有脂多糖（LPS）的肠道细菌的存在，成为代谢综合征（MetS）的一个诱因。这些细菌能引发低度炎症，并加剧胰岛素抵抗。此外，菌群失调还会影响调节食欲和能量代谢的激素及分子的生成，导致热量摄入增加和能量消耗减少。
3.2. 心血管疾病
心血管疾病，无论是作为代谢综合征的一部分还是独立存在，都是老年人死亡和残疾的主要原因。最近一项针对超过两百万人的队列研究显示，如果同时存在四个与代谢综合征相关的风险因素，并且伴有吸烟，男性和女性的预期寿命可能分别减少10年和13年。随着年龄的增长，人们通常会经历多种心血管结构和功能的变化，包括心脏肥大、纤维化、动脉硬化和增厚、内皮功能障碍以及心率下降。这些变化在临床上会导致高血压、动脉粥样硬化、心肌梗死和中风的风险增加。高血压与衰老过程中的某些关键机制相似，如炎症、氧化应激和内皮功能障碍，是心血管疾病、脑血管疾病和认知障碍的重要风险因素。在衰老过程中，面对增加的炎症和氧化应激，功能失调的内皮细胞会释放一些血管活性物质，如内皮素-1、血管紧张素II和环氧化酶衍生的前列腺素，这些物质与健康内皮细胞产生的血管扩张剂一氧化氮（NO）的作用相反 。这种血管扩张剂与血管收缩剂之间的失衡，导致全身血管阻力和血压的升高。反过来，功能失调的内皮细胞会进一步加剧炎症和氧化应激，形成一个恶性循环。此外，由于氧化应激和血管炎症导致的内皮细胞衰老，促进了动脉粥样硬化的形成。这些细胞的积累通过增加内皮素-1的水平和减少一氧化氮的生成，导致血管功能逐渐恶化。此外，在动脉粥样硬化过程中，核因子E2相关因子2（Nrf2）的功能缺陷，以及SIRT1和SIRT6表达的减少，增加了氧化应激并加速了衰老过程。此外，低水平的SIRT6和H3K9、H3K27高度乙酰化诱导的血管平滑肌细胞（VSMCs）衰老，可能促进动脉粥样硬化的发展。实际上，衰老的VSMCs可能通过增加炎症细胞因子的分泌，引发局部炎症，进而导致邻近细胞产生SASP。对哈钦森-吉尔福德早衰症患者的研究显示，血管平滑肌细胞（VSMCs）在动脉粥样硬化中扮演着核心角色。实际上，这些患者的动脉组织中观察到了VSMCs的逐渐减少，这与动脉粥样硬化的严重程度、加速衰老及早逝有关。此外，心肌细胞的衰老在心脏功能老化过程中起着关键作用。衰老的心肌细胞表现出DNA损伤、内质网应激、线粒体功能障碍、端粒缩短、细胞外基质（SASP）和收缩力下降，这些都可能影响心肌的正常功能。氧化应激和代谢应激在心肌细胞衰老的病理生理过程中扮演重要角色，导致DNA和蛋白质损伤、脂质过氧化、线粒体功能障碍和细胞色素c释放，最终导致不可逆的损伤、衰老和死亡。此外，由于心脏需要高能量代谢，心肌细胞必须持续生成ATP，以满足心脏的需求。储存这种分子效率低。因此，代谢障碍导致的能量供应不足可能会引发心肌细胞的衰老。这些衰老的心肌细胞通过旁分泌信号，可能促使邻近的健康细胞也进入衰老状态。此外，老年心肌组织中非心肌细胞的功能障碍会促进心肌细胞的衰老，进而加速心脏功能障碍的发展。最后，研究发现，老年心脏中促炎标志物水平升高，这导致了心脏结构的变化，如纤维化和肥大，这些变化是由于细胞外基质周转受损所引起的，最终导致收缩/舒张功能障碍和心力衰竭。
3.3. 2型糖尿病
2型糖尿病的特征是外周胰岛素抵抗或不敏感、胰腺β细胞功能下降以及肝脏葡萄糖生成调节受损。随着年龄增长，胰岛素分泌通常每年减少约0.7%。65岁及以上的老年人群中，葡萄糖耐受不良和2型糖尿病的发病率正在迅速上升（国家糖尿病审计报告1：护理流程与治疗目标，2018)。2型糖尿病的病理生理学主要涉及几个与年龄相关的因素，包括内脏脂肪组织过多、肝脏、心脏和骨骼肌中的脂质沉积以及肌肉减少症。过多的脂肪组织会导致胰岛素敏感性逐渐下降，这是因为脂肪因子和促炎细胞因子的产生阻碍了胰岛素受体下游的信号传导。关于肌肉减少症，它与2型糖尿病（T2DM）有关，因为随着年龄的增长，肌肉质量和数量的减少导致葡萄糖清除能力下降、肌肉炎症增加以及随后的胰岛素抵抗。反过来，胰岛素抵抗会促进炎症、活性氧积累、内质网应激和胰腺β细胞的功能障碍，从而加速这些细胞的衰老和功能障碍。在2型糖尿病患者的胰岛中，衰老的#细胞数量增加，这些细胞表现出端粒缩短和p16表达量上升，这损害了#细胞的增殖和胰岛素的分泌。除了#细胞外，脂肪细胞的衰老还通过大量分泌促炎细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶，促进了炎症反应和胰岛素抵抗，从而加剧了低度炎症。
3.4. 骨关节炎
骨关节炎（OA）是一种以关节软骨退化、软骨下硬化、骨刺形成及滑膜炎症为特征的病理状态。该病影响全球数十亿人，是西方国家最常见的疼痛原因，超过80 %的65岁及以上老年人患有此病。骨关节炎（OA）老年人因活动能力下降导致的严重残疾是代谢综合征（MetS）的主要驱动因素之一，从而形成一个恶性循环，加剧了这两种状况。氧化应激和炎症是OA发病和进展的关键风险因素。前者促进软骨细胞的刺激，释放促炎细胞因子，降低其存活率。后者则通过代谢重编程，上调糖酵解，下调氧化磷酸化，导致软骨退化和软骨细胞衰老。此外，代谢重编程与线粒体功能障碍相关，导致活性氧（ROS）生成增加和金属蛋白酶13表达上调，进而引起软骨基质的损失（Hui等，2016）。然而，关节疼痛的起源似乎更为复杂，涉及与中枢神经系统敏感化相关的机制。
由弥漫性炎症引起。最后，多项研究表明，骨关节炎的损害和症状至少部分可归因于肠道微生物群失调，因此可以识别出一大群代谢性骨关节炎患者。由急性（如抗生素、化疗等）或慢性条件（如西方饮食习惯、细尘等）引起的菌群失调会导致低度炎症，增加肠道屏障的通透性，导致细菌产物（包括LPS）进入血液循环。这一观察得到了细菌DNA和LPS在关节腔内直接与活化巨噬细胞相关发现的支持。此外，一项大规模的人群研究显示，链球菌属的丰度与膝痛增加有关，这种关联是由膝关节内的局部炎症驱动的。
3.5. 神经炎症
随着年龄的增长，大脑会经历一系列渐进的形态变化，包括灰质退化、白质脱髓鞘、神经递质水平的变化，以及有毒错误折叠蛋白质清除功能的下降。此外，衰老的大脑中先天性和适应性免疫反应逐渐减弱，同时促炎细胞因子的产生也出现失衡。随着年龄增长，神经元数量减少，而免疫驻留的胶质细胞，如星形胶质细胞和小胶质细胞，数量和免疫活性逐渐增加。这些细胞在生理条件下对维持大脑稳态至关重要，因为它们参与清除病原体、受损组织和衰老细胞。然而，在老年人的大脑中，免疫细胞的慢性刺激促进了促炎细胞因子如TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8的释放和活性氧的生成，导致一种低级别的慢性炎症状态，即“神经炎症”。这种状况伴随着血脑屏障功能障碍，导致神经炎症加剧，选择性通透性的丧失以及外周免疫细胞进入脑实质。此外，随着年龄增长，小胶质细胞中的铁蛋白浓度增加，引发促炎性退行性表型，进一步加剧神经炎症。最后，肠道菌群失调可能通过调节微生物-肠道-大脑轴促进神经炎症和神经退行性疾病的发展。慢性神经炎症是神经退行性疾病发病机制的“首要因素”，包括阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症。直到最近，这些病理被认为是大脑中蛋白质聚集物积累的结果。然而，最新的研究表明，神经炎症不仅先于这些聚集物的积累，还可能促进其沉积。
3.6. 神经退行性疾病
3.6.1. 阿尔茨海默病
阿尔茨海默病（AD）的特征包括大脑皮层和海马区的神经元逐渐丧失，星形胶质细胞和小胶质细胞的激活，由淀粉样蛋白β（Aβ）异常沉积导致的老年斑形成，以及由于过度磷酸化的tau蛋白在细胞内积累而形成的神经纤维缠结。AD是老年人痴呆的主要原因，其发病率随年龄增长而增加，65岁及以上人群中约有十分之一的人受到影响。星形胶质细胞、小胶质细胞、内皮细胞等的衰老。神经元与阿尔茨海默病（AD）的发病有关；事实上，在过表达Aβ或tau蛋白的小鼠模型以及AD患者的大脑中，已经观察到神经元数量的增加。这些细胞的逐渐积累导致持续的炎症反应，最终损害突触，引起认知障碍。有趣的是，移除衰老细胞可以减少大脑中的Aβ积累和tau蛋白病。另一个促进阿尔茨海默病（AD）的因素是线粒体功能障碍。由于线粒体自噬在AD患者中受损，功能失调的线粒体会在大脑中积累，并被Aβ蛋白聚集体包围，进一步损害其功能，导致活性氧（ROS）和促炎因子的释放。此外，Aβ蛋白聚集体可能在神经元膜上积累，导致神经元过度兴奋、易受兴奋毒性影响及代谢耗竭。DNA突变和缺陷的DNA修复机制的积累，这些通常发生在衰老过程中，也是AD的驱动因素。事实上，由于神经元细胞的非增殖特性和高代谢活动，它们特别容易受到DNA损伤。在AD患者的神经元中观察到多种DNA改变，如由氧化损伤引起的核苷酸变化，以及DNA修复机制的缺陷，包括组蛋白去乙酰化酶1的下调。表观遗传修饰在阿尔茨海默病（AD）的发展中也扮演着重要角色。研究表明，整体DNA甲基化与AD的早期阶段有关，事实上，在AD的早期阶段，大脑不同区域的5-甲基胞嘧啶和5-羟甲基胞嘧啶水平显著变化。此外，还观察到参与核酸代谢过程的基因出现高甲基化。关于乙酰化，与年轻和老年对照组相比，AD患者颞叶中H3K27ac和H3K9ac的富集以及H3K122ac的减少已被报道。总体而言，这些异常表明表观基因组的重新配置是AD发病机制的一部分。
3.6.2. 帕金森病
PD是第二常见的神经退行性疾病。其特征为黑质内多巴胺能神经元变性，以及神经元细胞内错误折叠的α-突触核蛋白聚集物（称为路易体）沉积。在疾病进程中，这些聚集物会扩散到大脑的不同区域，逐渐加重帕金森病的症状。帕金森病的病因可能是多因素的，其中老化是最主要的风险因素。实际上，随着年龄的增长，帕金森病的发病率也在上升，50至80岁之间的发病率增加了十倍。值得注意的是，帕金森病的发病年龄显著影响疾病的进程，早期发病患者（45-50岁）通常比晚期发病患者（70岁以上）的病情进展更慢。有趣的是，与帕金森病发病机制相关的老化过程的机制，包括线粒体功能障碍、氧化应激、自噬功能受损和神经炎症，与帕金森病的发病机制有重叠。多项体外和体内研究显示，线粒体在线粒体复合物I功能丧失中起着核心作用；同样，在帕金森病患者中也观察到了多巴胺能神经元中线粒体复合物 I 的缺乏 。此外，将啮齿动物模型暴露于导致线粒体损伤的有毒物质后，观察到了与帕金森病患者相似的神经病理变化。另外，神经元中错误折叠的α-突触核蛋白聚集物的表达导致了线粒体碎片化，进而引发了呼吸功能下降和神经元死亡。鉴于此，多巴胺能神经元，由于其高生物能量需求，显得尤为关键。
对线粒体功能障碍敏感。然而，这些细胞的高能量活动可能会引发氧化应激和线粒体损伤。受损的蛋白质降解和自噬功能障碍在衰老过程中加剧，促进了受损线粒体的积累，从而导致帕金森病的发生。最后，无论是老年大脑还是帕金森病患者的大脑，都表现出慢性低度炎症状态，星形胶质细胞和小胶质细胞的变化可能促进神经元的损失。
3.6.3. 肌萎缩侧索硬化症
肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种快速进展的疾病，影响大脑和脊髓中的运动神经元，导致瘫痪和因呼吸衰竭而死亡。ALS的发病率随着年龄的增长显著增加，大多数患者在50至75岁之间被诊断。尽管年龄被认为是ALS的主要风险因素，但其如何促进疾病发展的机制仍不明确。与其它神经退行性疾病类似，线粒体功能障碍、氧化应激、神经炎症和蛋白质聚集等多种因素可能共同导致肌萎缩侧索硬化症（ALS）的发病和发展。特别是，神经炎症在ALS的发病机制中扮演着关键角色。研究发现，在动物模型和ALS患者中，即使在疾病症状出现前，也能观察到外周淋巴细胞、自然杀伤细胞和巨噬细胞的浸润，以及星形胶质细胞和小胶质细胞的激活。星形胶质细胞和小胶质细胞的激活可由突变的超氧化物歧化酶1（SOD1）引发。在小鼠模型中，突变的SOD1被证实能诱导运动神经元的进行性退化，这种现象与人类中的观察结果相似。SOD1在清除活性氧（ROS）方面起着至关重要的作用，其突变会导致氧化应激增加、线粒体损伤和神经炎症。与此一致，ALS患者的血清、尿液和脑脊液中均检测到了ROS水平的升高。此外，研究发现，ALS患者的突变SOD1成纤维细胞中，线粒体膜电位下降、细胞内活性氧（ROS）水平升高以及糖酵解增强。此外，多项研究表明，ALS患者常出现能量代谢紊乱，由于运动神经元的能量需求极高，这些细胞对能量代谢障碍极为敏感，这解释了为何ALS患者中这类细胞会优先死亡。最后，ALS患者中观察到高代谢症的发病率增加，即实际测量的静息能量消耗高于预期。值得注意的是，高代谢症患者表现出更高的下运动神经元受累程度、更快的功能衰退速度和更短的生存期。
3.7. 癌
癌症是老年人群中第二大死亡原因。目前普遍认为，癌症与衰老是两个紧密关联的生物过程。2021年，研究显示，其发病率随着年龄的增长而显著增加；在40岁前约为2%，到80岁时则上升至50%。由于长期暴露于内源性自由基和外源性因素（如紫外线照射），氧化应激和DNA损伤逐年加剧，这可能促进细胞转化和肿瘤的发生。此外，系统性炎症（SASP）、免疫监视功能的丧失、纤维化途径的持续激活以及细胞外基质的过度积累等与年龄相关的进程，都可能促进癌症的发生和发展。相反，癌症本身引发的生物变化，包括基因组不稳定性增加、慢性炎症等，ROS（活性氧）生成增加、免疫反应被抑制以及身体资源的调动（最终导致身体和认知功能下降）加速了衰老过程。此外，系统治疗和/或放射治疗可能会产生长期影响，加速衰老过程，并导致多种与年龄相关的疾病提前出现，包括继发性癌症的发生。有趣的是，衰老过程还可能影响癌症治疗的效果，这一点从观察到年轻患者通常预后较好，非癌症相关死亡风险较低这一点得到支持。研究显示，癌症患者与普通人群的预期寿命差异在癌症诊断后尤为显著，年轻患者的风险最高，随着诊断年龄的增长，这一差异逐渐减小（博塔等，2019)。虽然本综述不旨在探讨氢气在对抗癌症中的作用，但已知氢气可能降低癌症的发生风险，并减少抗癌治疗的毒性。
4. 延缓衰老的策略
尽管上个世纪平均预期寿命有所增长，但健康寿命却没有出现同样的增长趋势。在这个背景下，开发能够对抗衰老并预防与年龄相关的疾病的战略，已成为研究的热点。研究表明，从年轻时开始定期进行体育锻炼，可以通过减少氧化应激和改善自噬、线粒体自噬、DNA修复系统及免疫功能，来延长健康寿命，延缓衰老和慢性疾病的发作。此外，越来越多的证据表明，热量限制（CR），即在不导致营养不良的情况下减少热量摄入，可以限制与年龄相关的疾病的发生，并提高短寿命模型的生存率。然而，在寿命较长的物种中，包括人类，相关研究有限且时间较短，难以得出明确结论。热量限制可能对炎症、胰岛素抵抗、DNA修复机制、端粒、DNA甲基化、组蛋白修饰及其他表观遗传变化产生积极影响。它还可能调节自噬、细胞凋亡和线粒体质量，对心血管疾病和2型糖尿病的发生有积极影响。多种饮食成分，尤其是植物化学物质和必需脂肪酸，似乎对CR效应有贡献。此外，CR可能增加循环中#-羟基丁酸（#-HB）的浓度，这是最丰富的循环酮体，来源于肝脏中FFAs的#-氧化。研究显示，高水平的#-HB可以延长线虫的寿命，而在哺乳动物中，它能减少细胞衰老和SASP，从而预防或改善与年龄相关的多种疾病症状。人类临床试验表明，CR（热量限制）具有益处；然而，这些效果并非普遍，可能受多种因素影响，包括身体状况、心理状态、体重指数、遗传背景、性别、CR的百分比和持续时间。因此，一项针对遗传背景多样的小鼠进行的热量限制（CR）研究显示，这种治疗可能根据限制程度的不同，对健康产生有益的影响。然而，这些影响并不一定与寿命延长相关。特别是，40 %的热量限制显示出最强的效果，但同时也引发了一些不良反应，这表明遗传背景在决定寿命方面起着关键作用。为了延长健康寿命，研究人员开发了多种治疗性CR模拟物作为替代方案，其中包括二甲双胍、雷帕霉素和白藜芦醇。这些化合物通过不同的机制实现代谢调节，例如激活自噬过程、减少活性氧（ROS）、降低胰岛素水平以及抑制胰岛素样生长因子1（IGF-1）信号传导。
肠道微生物群的调节；然而，由于不良副作用，其临床应用受到限制。为了克服这些限制，研究人员探索了其他细胞因子受体模拟物，如氨基葡萄糖、精胺、黄酮类化合物、多酚及其合成类似物，这些物质显示出更好的安全性。此外，去除衰老细胞有助于延长寿命并恢复年轻表型。因此，开发了选择性诱导衰老细胞凋亡的药物，即所谓的“衰老抑制剂”（达沙替尼、槲皮素、纳维托拉克和菲塞汀），这些药物在临床前模型和人体试验中显示出良好的效果。然而，由于细胞衰老可能对肿瘤发生有积极作用，使用衰老抑制剂及其在抗衰老治疗中的生物功能需要谨慎评估。最近，鉴于氢气的有益特性、几乎无副作用和成本有限，有人提出氢气可作为一种新型潜在策略来对抗衰老和与年龄相关的疾病。
5. 氢气
氢气作为医疗气体的应用在医疗实践中越来越受到关注。由于氢气体积小且不带电，它能迅速穿过细胞膜和细胞区室，因此在组织中的生物利用度非常高。哺乳动物细胞本身不会产生氢气，因为它们缺乏能够催化氢化反应的酶。在人体内，氢气由含有氢化酶的肠道细菌（如厚壁菌门和拟杆菌门）通过厌氧代谢未消化的多糖产生，随后扩散到血液中，并随呼出的空气排出。每天产生的氢气量在150毫升到13升之间，且因人而异，甚至在一天中也会有所变化。多年来，人们普遍认为，由于适应机制的存在，持续的氢气（H2）供应对人类健康有益的影响受到了阻碍，因此其在生物体中的作用被大大忽视。1975年，Dole及其同事首次描述了氢气的潜在治疗应用，他们报告说，在小鼠模型中，高压氢气疗法有助于皮肤鳞状细胞癌的消退(Dole等，1975年。随后，在2007年，大泽及其团队发现，氢气因其抗氧化特性，能够直接中和羟基自由基（.OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO-），从而防止缺血/再灌注（I/R）损伤，对细胞具有保护作用。基于这些初步研究，多项证据表明，氢气可能作为医疗气体用于治疗多种疾病，特别是当直接输送到目标区域时。
图3展示了不同给药途径下氢气在大鼠、猪和人体内的分布情况。在大鼠中，研究最广泛的是氢气气体吸入（黄色）、口服富含氢气的水（蓝色）以及静脉或腹腔注射（绿色）。氢气气体吸入主要导致肺部、骨骼肌、肝脏和大脑中的氢气积累。口服富含氢气的水则使胃肠道、胰腺、肝脏和脾脏中的氢气浓度增加。而腹腔或静脉注射则主要使脾脏和胰腺中的氢气浓度增加，心脏和肾脏中的氢气浓度也有轻微增加。相对表报告了不同给药途径下主要器官中的氢气浓度（ppb/g）。对于接受单次氢气气体吸入的猪，动脉血中的氢气半衰期约为1.5分钟，而静脉血（下腔静脉和门静脉）中的氢气半衰期则为5-6分钟；口服后，氢气在下腔静脉中的半衰期达到40分钟，在门静脉中则为55分钟。在人类中，30分钟吸入后，血液中的氢气浓度在20分钟后达到稳定状态，动脉血中的浓度高于静脉血。6分钟后，动脉血中的氢气浓度下降了10 %，而静脉血中的氢气浓度在18分钟后开始下降。
6. 氢气的给药途径和体内分布
目前，氢气的治疗效果不仅取决于剂量和疗程，还受到给药途径的影响。目前，已对不同给药途径进行了研究；每种方法在药代动力学和组织生物利用度方面存在差异，从而影响氢气在不同身体部位的药理活性（图3）。
6.1. 吸入
吸入是氢气给药最简单和广泛使用的方法，因为它可以通过调节暴露时间和气体混合物中的氢气浓度来严格控制氢气的剂量。此外，由于氢气（氢气）的物理化学特性、极小的体积和分子量，吸入可能为氢气提供多种全身作用的机会。实际上，氢气能够轻松穿透肺泡壁，进入血液循环，进而影响不同的器官和组织。关于这种给药途径的药代动力学和安全性，已有多个动物和人类研究进行了探讨。在大鼠实验中，吸入2-4%的氢气后，动脉血中的氢气浓度随剂量增加而上升，在30分钟后达到峰值；而静脉血中的氢气浓度较低，表明氢气主要在组织中保留，其中骨骼肌、大脑和肝脏中的浓度最高。氢气水平在30分钟后开始下降，60分钟后恢复到治疗前的水平。值得注意的是，在连续72小时的治疗后，未观察到基因毒性或临床毒性迹象。在猪体内，氢气以血液流动依赖的方式输送到全身，单次吸入的大部分氢气被肝脏保留。可以推测，肝脏中氢气水平最高可能是因为糖原能够保留氢气，从而在肝脏中充当氢气的储存分子；这解释了其在改善肝病方面的高效性。在人类中，吸入氢气30分钟后，血液中的氢气浓度在20分钟时达到稳定，动脉血中的浓度高于静脉血；随后，氢气浓度在动脉血中提前下降至稳定值的10 %，在静脉血中则较晚下降（Ono等，2012）。值得注意的是，吸入氢气被证明是安全的，因为它不会影响动脉血pH、氧饱和度、血压以及心率等生理参数。
6.2. 经口摄入
口服富氢水（HW）是一种简单安全的氢气给药方法，可通过将氢气溶解于水中至0.01%。在大气压和室温条件下，8 mM的浓度。然而，这种方法存在一些局限性，包括气体溶解度低和氢气在溶液中维持时间短，这使得难以达到足够的剂量以确保临床效果。氢气在摄入HW后，其分布显著不同于其他组织和器官，主要集中在胃肠道，随后进入静脉系统并到达肺部，在那里超过90 %的氢气被吸收。通过正常的呼气过程，氢气浓度在大脑中保持极低水平。对大鼠口服给予HW的研究表明，氢气浓度在五分钟后达到峰值，主要集中在脾脏、肝脏、小肠和胰腺等器官的血液和组织中，随后逐渐降至基础水平。在猪中，给予HW后，氢气通过空肠壁被吸收进入血液，随后流入门静脉（PV）和肝下腔静脉（IVC）。在PV 氢气浓度达到峰值并维持1%的饱和水平后，一小时后，它在肝脏中被代谢或通过肺部排出。在人体内，至少40 %的摄入氢气主要在胃和十二指肠中被吸收，随后进入肝脏。未被吸收的氢气迅速呼出，10-15分钟内达到峰值，随后在60分钟内降至基础水平。然而，呼出气体中的氢气水平可能因人而异，并且在一天中会有显著变化，受到饮食、运动和压力的影响。
6.3. 静脉输注和腹腔注射
尽管静脉（IV）输注和腹腔（IP）注射富含氢气的生理盐水（HS）相比其他给药途径更具侵入性，但它们仍被认为是氢气给药的安全方法。大多数研究中，静脉给药主要应用于人类，而腹腔给药则多用于实验动物模型。这些给药方法的主要优势在于，它们能够精确控制氢气的剂量，并提高其在目标器官中的生物利用度。研究显示，在大鼠中，氢气浓度随剂量增加而上升，分别在静脉注射和腹腔注射后1分钟和5分钟达到峰值。腹腔注射使脾脏和胰腺中的氢气浓度显著升高，而静脉注射则主要在脾脏和胰腺中观察到轻微的增加，其次是心脏和肾脏。
6.4. 其他
目前，正在研究新的氢气（H2）给药方法，包括经皮给药、氢气眼药水、凝胶、贴片、可吞咽胶囊、局部应用、纳米技术和微泡系统。然而，这些方法中的大多数尚未进行充分的药代动力学研究。尽管如此，通过在温热的水浴中浸泡十分钟进行经皮给药已被证明足以让氢气被吸收。实际上，氢气可以轻松穿透皮肤毛孔和皮脂腺，并在温热环境下毛细血管扩张的促进下，扩散至全身。该方法赋予氢气极强的抗氧化能力，正如研究发现，HW沐浴后30分钟是血清抗氧化活性升高的必要时间。
7. 氢气的生物安全性
氢气的潜在治疗效果已在多种动物和人类疾病模型中得到证实，报告的不良事件较为罕见且轻微。然而，大多数研究是在病理条件下进行的，采用不同的氢气给药途径和剂量，这使得识别潜在的不良事件变得困难。因此，进一步的研究在生理状态和受控条件下进行，以更好地了解氢气给药的效果。在健康小鼠中，连续72小时吸入含有2.4 %氢气的气体混合物，并未引起生理参数的显著变化，除了自发运动活动减少。在人类中，对八名健康成年志愿者进行了长达15 L/min的2.4 %氢气气体吸入研究。总体而言，肺部没有显著变化.
在治疗72小时后，未观察到神经功能、认知功能或心电图变化，以及血液学、肾、肝、胰腺或心脏的任何异常。类似的结果也在长期给药的研究中被报告。事实上，健康大鼠吸入或口服氢气后，长期暴露于氢气是安全的，并且改善了肝脏和心脏功能，这主要体现在尿酸、低密度脂蛋白（LDL）和总胆固醇水平显著下降，以及肝和血清心肌酶水平的改善。此外，一项针对40名70岁及以上的健康男女的随机对照试验也证实了长期氢气给药的安全性，这些受试者正在饮用HW。有趣的是，六个月的HW摄入没有造成任何伤害，对身体成分、体能结果和静息血压没有显著影响。相反，治疗组的衰老表型生物标志物，包括身体力量、一般疼痛、脑代谢和睡眠质量，均显著改善。总体而言，关于人类和动物模型中氢化可的松短期和长期给药安全性的数据似乎很有希望，因此鼓励在不同研究人群中进行更长时间的治疗进一步研究。
8. 氢气的生物学效应
目前的研究已经明确表明，氢气可能对涉及衰老过程的多种生物效应产生影响（图4）。
8.1. 氧化应激和线粒体
氢气疗法的核心在于其分子的卓越抗氧化特性，这种特性使其能够选择性地中和有害自由基，同时不影响有益的活性氧（ROS）。这一独特属性使得氢气疗法在多种与病理氧化应激相关的疾病中成为理想的选择。氢气在细胞脂质相中的积累量超过水相，尤其是在不饱和区域，这些区域会发生自由基链反应，直接中和羟基（OH），防止生物分子氧化。特别是，它能减少DNA的氧化形式——8-羟基-2‘-脱氧鸟苷（8-OHdG）。2012年，研究显示，氢气能够避免细胞损伤，这一点在临床前和临床研究中得到了证实。氢气的抗氧化作用还与其清除活性氧（ONOO-）的能力有关，ONOO-是一种导致蛋白质中酪氨酸转化为硝基酪氨酸的活性氮物种，这是氧化损伤的一个重要标志（Radi，2013）。值得注意的是，由于氢气不会像超氧阴离子（O-2）、过氧化氢（H 2O 2）和一氧化氮（NO）那样干扰ROS的生理和信号传导功能，因此其使用不会影响细胞稳态，副作用极小。与许多传统抗氧化剂不同，氢气可以轻松穿透细胞膜，进入线粒体，在那里它们可能作为线粒体电子流的调节器，抑制电子传输链 中 的 过 度 电 子 泄 漏 和 ROS 的 生 成 。这一独特特性使氢气能够直接在自由基的源头进行靶向和中和，保护DNA和细胞成分免受氧化损伤。多项研究表明，氢气在细胞线粒体中的抗氧化作用与其在线粒体复合物I中的功能密切相关，能够有效抑制超氧阴离子（O?）的生成。由于氢气对呼吸链复合物的影响，它还能通过提升能量代谢效率来增加ATP的生成量，这一点在神经母细胞瘤的体外模型实验中得到了验证，Gvozdj‘a’a等的研究表明，氢气能够通过抑制活性氧（ROS）的积累和内质网钙离子的释放，稳定线粒体膜电位，从而防止细胞去极化。此外，氢气还能促进线粒体结构与功能的维持，发挥调节作用。线粒体动力学通过增加mitofusin-2和减少Dynamin相关蛋白1（DRP1）水平来实现，这两种线粒体蛋白分别参与线粒体的融合与分裂过程（Dong et al.，2018）。可以推测，氢气可能通过有丝分裂激素作用过程保护细胞免受氧化应激，如Murakami等人所示。研究显示，轻微激活线粒体活性并诱导弱氧化应激可触发氢气处理细胞的适应性反应，这为将线粒体作为抗衰老及与年龄相关疾病治疗策略提供了可能。此外，氢气可以通过激活抗氧化系统间接发挥其抗氧化作用，增加血红素加氧酶（HO-1）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶和髓过氧化物酶的表达。这些基因的转录受Nrf2调控，在氧化应激条件下，Nrf2从Kelch-like ECH相关蛋白1（Keap1）中分离并进入细胞核。最近的研究发现，与羟基（OH）结合的铁卟啉（PrP-Fe（III）-OH）是氢气的一个靶点，并提出了氢气介导的Nrf2激活机制。PrP-Fe（III）-OH可能与氢气互动，生成水和PrP-Fe（III）-H，后者进一步氧化Keap1并激活Nrf2。因此，Fe（III）可能催化氢气与?OH的反应，通过缓冲其高破坏性的亲电性，并借助类似激素效应机制间接激活Nrf2。最后，氢气能够抑制促氧化酶NADPH氧化酶的活性，并抑制诱导型一氧化氮合酶的表达，从而减少NO和ONOO-的生成。
8.2. 慢性炎症
氢气对炎症的保护作用可以通过抗氧化途径与抗炎反应之间的相互作用来解释。实际上，氢气在炎症初期就能减轻炎症，减少中性粒细胞和M1型巨噬细胞的浸润，并能抑制促炎因子的释放，这些因子会下调细胞间粘附分子1（ICAM-1）、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）和粒细胞-集落刺激因子（G-CSF）的表达。氢气还能促进巨噬细胞从促炎的M1极化为抗炎的M2，产生白细胞介素-10（IL-10）和转化生长因子β（TGF-β）。此外，氢气可以通过抑制促炎细胞因子IL-1β、IL-6、TNFα和高迁移率族蛋白1（HMGB1）的释放，同时增加抗炎细胞因子IL-4、IL-10和IL-13的释放，从而抑制NF-κB通路。与NF-κB一起，氢气还能抑制Nlrp3和Toll样受体4（TLR4）通路，防止炎症反应和免疫系统过度激活，恢复调节性T细胞的损失，并阻止T细胞的趋化。值得注意的是，在人类中，氢气可能在给药后两小时内降低炎症生物标志物水平，如C反应蛋白，并增加总抗氧化能力，具有短期、中期和长期效应。此外，对于患有代谢综合征、哮喘和神经炎症的患者，氢气显著减轻了炎症。由于其抗炎作用，氢气的使用还改善了类风湿关节炎的症状以及银屑病病变的恢复。
8.3. 基因组不稳定和端粒缩短
多项关于不同DNA诱导损伤模型的研究表明，氢气可能有助于保护细胞免受遗传物质的积累。
图4.氢气的主要生物效应。在肠道中，氢气由含有氢化酶的细菌通过厌氧代谢多糖产生。氢气对肠道微生物群有积极影响，减少与菌群失调相关的细菌种类，增加短链脂肪酸（SCFAs）的产生，从而恢复肠道的健康状态。氢气一旦生成，就能轻易穿透生物膜进入细胞，通过选择性中和线粒体产生的有害自由基（如羟基自由基（.OH）和过氧亚硝酸盐（ONOO-）)，发挥显著的抗氧化和抗炎作用。在线粒体中，氢气能抑制过多的电子泄漏，从而改善能量代谢和ATP的生成。此外，氢气通过增加线粒体结构相关蛋白2（MFN2）的水平和减少动力蛋白相关蛋白1（DRP1）的水平，促进线粒体结构和功能的维持，并通过抑制ROS引起的内质网钙离子（Ca2+）释放来稳定线粒体膜电位。氢气通过下调ROS/p53/p21信号通路并恢复NAD+水平，激活sirtuin 1（SIRT1），从而抑制细胞衰老。此外，氢气通过下调促凋亡蛋白BAX，促进线粒体细胞色素C的释放，激活caspase 8和3，并上调抗凋亡因子Bcl2和BclXl，调节细胞凋亡过程。在细胞核中，氢气可以防止基因组不稳定，避免ROS引起的DNA损伤和端粒缩短，并调节表观遗传修饰，特别是p53的乙酰化（p53ac）和H3K27甲基化（H3K27me）。此外，氢气通过核因子Erythroid 2相关因子2（Nrf2）途径增强细胞的抗氧化防御能力。当氢气与Fe-卟啉复合物反应时，Nrf2从Kelch-like ECH相关蛋白1（Keap1）中释放，并转移到细胞核内，调节编码超氧化物歧化酶（SOD）、血红素加氧酶（HO-1）和过氧化氢酶（CAT）酶的基因表达，进一步降低ROS水平。最后，氢气通过抑制核因子κB转移到细胞核内，从而抑制促炎细胞因子白细胞介素-1β、白细胞介素-6、肿瘤坏死因子α和高迁移率族蛋白1的产生，发挥抗炎作用。此外，氢气还能抑制Toll样受体4通路，防止过度炎症反应，从而抑制自噬。另一方面，氢气可以激活自噬，通过上调AMPK和下调mTOR信号通路来促进这一过程。
由于其抗氧化作用，氢气能够防止基因组不稳定和与年龄相关的疾病。在UVA射线照射下的成纤维细胞和角质形成细胞中，氢气显著减少了细胞死亡和DNA损伤。此外，在一项HW洗浴试验中，六名受试者连续三个月每天服用氢气，通过清除ROS和促进真皮中I型胶原蛋白的合成，有效抑制了UVA引起的皮肤损伤。同样，在辐射引起的DNA损伤模型中，氢气的使用能够减少DNA损伤，并重新激活细胞内的抗氧化防御机制。此外，九名糖尿病患者口服HW 8周后，有效预防了全身性的氧化DNA损伤。关于氢气对端粒影响的研究仍然有限。然而，在最近的一项随机试点试验中，研究者评估了6个月饮用HW对70岁及以上老年人的影响。有趣的是，饮用HW使端粒中位长度延长了4.1 %，而减少11%。对照组的端粒长度中位数为1%。无疑，需要进一步研究以更清楚地了解氢气对端粒长度的影响及其潜在作用机制。然而，可以推测，由于氧化应激加速了端粒缩短的过程，氢气可能通过发挥抗氧化作用来缓解这一过程。
8.4. 表观遗传学变化
氢气可能通过诱导表观遗传修饰，如组蛋白的甲基化和乙酰化，从而影响基因表达。研究显示，在有或无饮食压力的大鼠和小鼠中，氢气导致H3K27甲基化水平下降，激活了与蛋白质稳态相关的补偿机制，并改变了与线粒体未折叠蛋白反应（mtUPR）相关的一组基因的表达。在人类中，氢气介导的mtUPR诱导可能激活多种抗压反应，从而延长健康寿命。最近的一项研究显示，在70岁及以上的成年人中，与对照组相比，六个月内使用HW（一种特定的物质）能够增加Tet甲基胞嘧啶双加氧酶2（TET2）的表达。此外，HW组的甲基化水平上升，而对照组则下降。最后，在人脐静脉内皮细胞（HUVEC）中，氢气处理能够减少p53的乙酰化，这与氧化应激相关的细胞衰老有关。
8.5. 细胞衰老
氢气可能通过激活Nrf2通路来调节不同细胞系的衰老过程，如在HUVEC细胞中，它通过激活Nrf2通路抑制了与衰老相关的改变，从而增加了抗氧化酶HO-1和NAD(P)H脱氢酶醌1（NQO-1）的水平。此外，在小鼠胚胎成纤维细胞中，氢气抑制了SA-#-半乳糖的积累。氢气还可能通过促进NAD+依赖的sirtuins活性，特别是SIRT1的活性来调节衰老过程。事实上，过量的活性氧（ROS）生成可能导致细胞内NAD+含量下降，进而抑制去乙酰化酶活性并引发细胞衰老。通过其抗氧化作用，氢气能够减少ROS的生成，从而恢复正常的NAD+水平和去乙酰化酶活性。此外，氢气能够调节ROS/p53/p21信号通路，这一通路在细胞衰老中起着关键作用。研究显示，经过氢气处理的骨髓干细胞不仅增殖率更高，而且多能性更强，与未处理的对照组相比。这种效果是通过减少细胞内的ROS并降低p53及其下游效应子p21的蛋白表达来实现的。
8.6. 细胞凋亡和自噬
氢气如何通过调节细胞凋亡影响衰老过程的分子机制仍需进一步研究。在不同的疾病模型中，氢气可能通过减少促凋亡蛋白Bax、caspase 3、caspase 8和caspase 12的表达，抑制p53信号通路，并上调抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xl的表达，从而保护细胞免受凋亡引起的组织损伤。在缺血再灌注损伤的大鼠模型中，氢气通过激活PI3K/AKT和JAK2/STAT3信号通路，并下调p38 MAPK通路，抑制细胞凋亡。此外，氢气可能在不同的疾病模型中调节自噬，以维持组织稳态。实际上，在慢性疾病中，氢气可能通过FOXO-1介导的自噬产生有益效果；而在败血症中，它可以通过下调哺乳动物雷帕霉素靶点（mTOR）和上调AMP激活的蛋白激酶（AMPK）级联反应来激活自噬。此外，氢气可能作用于TLR信号通路，特别是在巨噬细胞中，它可以抑制LPS诱导的TLR4激活，从而下调自噬。尽管有证据表明，通过诱导自噬可以减缓衰老过程，但在非病理条件下使用氢气的数据仍然缺乏。然而，由于长期氢气给药可能调节自噬过程并有助于清除错误折叠的蛋白质聚集体或缺陷细胞器，因此可以推测这种效应可能有助于维持细胞稳态，并延缓衰老及与年龄相关的疾病。
8.7. 肠道微生物群
关于肠道微生物与氢气摄入之间关系的研究仍然有限，但现有数据显示出积极的前景。大多数胃肠道微生物能够代谢氢气，这不仅影响了肠道细菌的组成，还促进了细菌的移位，可能是导致多器官功能障碍综合症的原因。事实上，摄入氢水可以改善产生丁酸的细菌结构的完整性，并缓解失调的临床症状。此外，摄入氢水显著增加了乳杆菌的相对丰度，同时减少了拟杆菌和双歧杆菌的相对丰度。关于阿尔茨海默病（AD）的研究显示，促炎性大肠杆菌种类增加，而抗炎性微生物如直肠真杆菌减少，这可能导致淀粉样变性和周围炎症。有趣的是，摄入乳清改善了与疾病相关的肠道微生物群症状。此外，研究发现，肠道微生物产生的氢气减少与帕金森病（PD）的发病和进展有关。最后，在败血症的小鼠模型中，通过腔内给予乳清预防了肠道菌群失调、高通透性和细菌移位。
9. 氢气对年龄相关疾病的影响：临床前和临床研究结果
9.1. 代谢综合征
多项临床前及临床研究显示，H型硫辛酸（HSC）通过其抗氧化和抗炎特性，有效管理代谢紊乱。在啮齿动物实验中，补充HSC可提升胰岛素敏感性、减轻肝脏脂肪变性，并优化脂质代谢。此外，HS给药可降低高脂饮食仓鼠的LDL胆固醇水平并增强其HDL功能。另外，在特定代谢综合征大鼠模型中，结肠氢气能够缓解炎症引发的氧化应激。
临床研究中，多项研究探讨了H在治疗代谢综合征（MetS）中的效果。一项为期24周的随机、双盲、安慰剂对照试验显示，高浓度氢气吸入显著降低了血液中的胆固醇、血糖水平和糖化血红蛋白（HbA1c），并改善了炎症和氧化应激指标。另一项针对1088名2型糖尿病（T2DM）患者的六个月随机临床试验表明，接受标准治疗并补充氢气吸入的患者在HbA1c、空腹血糖、总胆固醇和胰岛素抵抗指数方面有显著改善。此外，一项针对2型糖尿病患者的回顾性观察性双臂研究发现，氢气吸入与对照组相比，能有效改善HbA1c、空腹血浆葡萄糖、总胆固醇和胰岛素抵抗。最后，一项涉及43名代谢综合征（MASLD）患者的随机、安慰剂对照临床试验表明，氢气吸入有助于改善中度至重度病例的肝脏脂质水平。H：似乎能降低2型糖尿病（T2DM）的发生和进展风险；实际上，研究发现，内源性H：的增加有助于减少糖耐量受损或2型糖尿病患者的血管疾病风险。这些效果部分归因于氢气在减轻氧化应激方面的作用。此外，H：的使用对能量代谢有积极影响，长期饮用H：可以减少体重和体脂，同时降低血浆中的葡萄糖、胰岛素和甘油三酯水平，这可能是因为胶原蛋白生长因子21（FGF21）表达的增加，这是一种促进脂肪酸和葡萄糖利用的肝脏激素。最近，H：在肥胖治疗中的潜在作用被提出。通过促进健康的肠道微生物环境，补充H：可能增加短链脂肪酸（SCFAs）的产生，从而支持胰高血糖素样肽1（GLP-1）的分泌，进而改善代谢调节。
总体而言，这些研究显示，H：给药可能通过改善代谢参数和降低氧化应激为MetS患者提供治疗益处。然而，需要进一步开展大规模临床试验来确认这些发现并建立标准化的治疗方案。
9.2. 心血管疾病
迄今为止，大多数关于氢气疗法在心血管疾病中作用的研究都是在动物模型中进行的。在心脏缺血再灌注损伤的大鼠实验中，2%的氢气吸入或腹腔注射能够改善心脏功能，减少心肌梗死面积，并减轻心脏损伤。同样，在心脏缺血再灌注损伤的猪模型中，2-4%的氢气吸入也显示出改善心脏功能的效果，减少了心肌梗死面积和室颤的发生率。在心脏肥大的大鼠模型研究中，氢气疗法被证实可以缓解心脏肥大，减少心房纤维化和颤动。在自发性动脉粥样硬化的小鼠模型中，氢气的使用在预防和治疗心血管疾病方面也取得了显著效果。研究发现，HW的摄入显著降低了氧化应激水平和动脉粥样硬化病变。此外，在急性脑缺血再灌注损伤的大鼠模型中，氢气吸入通过减少氧化应激显著减轻了脑损伤。尽管氢气改善心脏功能的具体机制尚未完全明了，但可以推测，减少氧化应激和炎症是其核心作用。在临床应用中，氢气疗法显著改善了健康志愿者的血流介导扩张，与安慰剂组相比，显示出对血管内皮功能的保护作用。此外，一项针对ST段抬高型心肌梗死（STEMI）患者在初次经皮冠状动脉介入治疗后吸入氢气的初步研究显示这种治疗是可行和安全的，并且在STEMI后6个月促进了左心室逆向重构，改善了心脏功能.这些初步结果表明，氢气疗法可能对心血管疾病产生有益的影响，值得在大规模试验中进行进一步的临床研究。
9.3. 神经炎症和神经退行性疾病
近年来，氢气作为一种神经保护剂崭露头角，因其能够减轻氧化应激、调节炎症反应并抑制神经细胞凋亡。多项动物模型研究显示，定期食用核桃可以减少神经炎症，通过促进抗炎细胞因子的表达和调节小胶质细胞的激活。此外，在大鼠子宫内缺血再灌注模型中，母体摄入核桃减少了胎儿海马区的损伤，通过降低氧化损伤和神经炎症。在阿尔茨海默病模型中，氢气恢复了线粒体功能障碍，抑制了Aβ的生成和聚集，减少了过度磷酸化的tau蛋白和神经纤维缠结，并防止了神经元死亡。此外，HW改善了大脑的能量代谢和肠道的微生物平衡，从而减轻了认知障碍。有趣的是，在转基因阿尔茨海默病小鼠中观察到性别依赖效应，三个月的HW摄入显著减轻了雌性小鼠的氧化应激和炎症反应，比雄性小鼠更为明显，这表明氢气可能通过调节雌激素和脑源性神经营养因子信号通路来发挥作用。氢气的效果也在一项针对阿尔茨海默病（AD）患者的试点研究中得到了评估。研究中，患者每天两次吸入3%的氢气，每次持续一小时，持续六个月，之后一年不再使用氢气。值得注意的是，在接受六个月的氢气后，阿尔茨海默病评估量表-认知部分得分显著提高，同时，通过海马体的神经元完整性也比治疗前有所改善。这些改善在六个月的随访中得以维持，表明氢气能够缓解暂时症状，并且具有长期的疾病修饰效果。氢气疗法对帕金森病（PD）的治疗效果也在动物模型和临床研究中得到了验证。在小鼠模型中，氢气显著减少了大脑中的氧化应激，表现为DNA损伤标志物8-OHdG和脂质过氧化标志物4-羟基壬烯醛水平的下降，从而减少了多巴胺能神经元的损失。最近，一项针对左旋多巴诱导的异动症（PD治疗的副作用）大鼠模型的研究显示，氢气吸入通过减少神经炎症，降低了大脑中活化的小胶质细胞和促炎细胞因子的水平，从而减少了异常的不自主运动。尽管动物研究强调了氢气对PD的有益影响，但对PD患者的研究结果却存在矛盾。临床研究显示，摄入HW或吸入氢气后，PD评分和PD症状（如身体弯曲和手部震颤）均有显著改善。然而，后续研究发现氢气吸入并未对帕金森病患者产生有益效果。总体而言，氢气疗法对帕金森病患者的疗效仍存在争议，需要进一步研究以得出明确结论。
9.4. 骨关节炎
目前，骨关节炎（OA）的治疗主要集中在缓解关节疼痛上，通常采用非甾体抗炎药（NSAIDs）进行早期治疗，但这类药物可能会引发胃炎、肾损伤、心脏病发作和中风等副作用。人工关节置换术仍是晚期骨关节炎患者唯一的治疗选择。然而，现有的研究发现其与生物群失调表明，微生物组可能是治疗骨关节炎相关膝痛的一个潜在目标。已有研究表明，在骨关节炎动物模型和临床环境中使用益生菌的效果。由于其抗炎、抗氧化作用以及可能间接恢复肠道生态平衡的作用，氢气可能对这种病理状况产生积极影响。在实验性骨关节炎小鼠模型中，氢气通过抑制细胞凋亡和炎症，对骨关节炎的发病和发展起到了保护作用。此外，局部氢气的供应在骨骼成熟骨细胞中产生了抗炎效果，并重塑了衰老微环境。虽然目前还没有关于在OA环境中使用氢气的人类的已发表数据，但我们对经皮氢气给药的临床实践经验达到了惊人的结果，疼痛迅速缓解，活动恢复，最重要的是，长期维持了益处。这些发现清楚地表明，氢气作用超越了其抗炎和抗氧化作用。
10. 结论
衰老依然是导致多种使人衰弱甚至威胁生命的疾病的主要风险因素，包括心血管和代谢疾病、神经退行性疾病以及癌症。随着全球老年人口的持续增长，预计与年龄相关的疾病将在未来几年内变得更为普遍，对社会和经济产生重大影响。因此，寻找能够促进健康老龄化并预防或延缓与年龄相关疾病的策略，已成为一个迫切且尚未解决的临床需求。在精准医疗时代，针对衰老特定分子机制的多种干预措施已被提出，并显示出临床效果。然而，由于衰老过程的复杂性和多面性，这些靶向干预措施难以长期维持临床效益。此外，这些干预措施在临床应用中也存在一些局限性，包括出现二次抗药性、不良反应和脱靶效应。在这种情况下，氢气疗法能够轻松克服所有上述限制，得益于其广泛的生物靶点、几乎无副作用以及缺乏抗性机制，因此成为对抗衰老和与年龄相关疾病的有效策略。此外，氢气的“民主性质”也值得强调，这种方法适用于广泛的人群，包括健康老龄化和有共病的老年人。此外，氢气疗法的可行性和低成本使其在富裕和贫困的医疗系统中都有潜在的应用价值。总体而言，目前关于氢气疗法对多种与年龄相关疾病的临床效果的研究结果令人鼓舞（表1）。无疑，为了进一步验证这些结果并确定适当的剂量方案及长期治疗可能产生的潜在不良影响，需要在设计良好的临床试验和更大规模的研究人群中进行更多的研究。总之，氢气具备所有条件，有望在未来几年内引发医学领域的哥白尼式革命。
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