氢气吸入对溃结者肠道菌群影响的RCT研究

饮用氢水对肠道菌群的影响已经有比较多研究。但是，饮用氢水时，氢气几乎都在上消化道吸收，如何会影响分布在下消化道的细菌？合理的解释是，虽然氢气大部分都在上消化道吸收，但仍然有可能残留少量氢气保留到大肠。另外一种因素是氢水会影响肠道蠕动，这是非常巨大的作用必然会影响肠道功能和菌群。也是氢水为什么会对许多便秘患者有非常好的作用。但是吸入氢气对肠道菌群的作用就显得莫名其妙了，显然无法产生类似氢水饮用的同样逻辑效果，因为吸入氢气经过肺摄取氢气，经过血液循环虽然能到达肠道粘膜，但能扩散并进入肠道内几乎可以忽略不计，且肠道本身是可以产生氢气，氢气如何逆向进入肠道更难以理解。不过这毕竟是双盲安慰剂对照试验，虽然只有10例患者，但仍然有一定可信度，值得我们学习了解。

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Maruyama T, Ishikawa D, Kurokawa R, Masuoka H, Nomura K, Haraikawa M, Orikasa M, Odakura R, Koma M, Omori M, Ishino H, Ito K, Shibuya T, Suda W, Nagahara A. Hydrogen Gas Inhalation Improved Intestinal Microbiota in Ulcerative Colitis: A Randomised Double-Blind Placebo-Controlled Trial. Biomedicines. 2025 Jul 23;13(8):1799.

摘要

背景与目的

菌群失调与溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC）的发病机制相关。已有研究表明，在小鼠模型中，氢气可促进肠道菌群多样性并抑制溃疡性结肠炎进展。本研究旨在探讨氢气吸入对溃疡性结肠炎患者肠道菌群的影响、治疗效果及安全性。

方法

本研究为随机、双盲、安慰剂对照试验，纳入10例活动性溃疡性结肠炎患者（年龄≥20岁；利希滕格临床活动指数（Lichtiger’s clinical activity index, CAI）3-10分；梅奥内镜分项评分（Mayo endoscopic subscore, MES）≥1分），将其随机分为氢气吸入组（氢气组）和空气吸入组（安慰剂组）。所有患者每日吸入相应气体4小时，持续8周。分别在吸入前和吸入后采集患者粪便样本，通过宏基因组测序分析肠道菌群，并评估临床指标。

结果

临床评估显示，两组患者吸入前后的梅奥内镜分项评分总和存在显著差异。肠道菌群分析结果显示，与安慰剂组相比，氢气组的α多样性更高（p=0.19），且β多样性的变化差异具有统计学意义（p=0.02）。功能基因分析表明，氢气组治疗后出现115个显著的基因变化。整个研究过程中未观察到与吸入相关的不良事件。

结论

氢气吸入可改善肠道菌群多样性，但未观察到其对溃疡性结肠炎具有明确治疗效果。未来需开展进一步研究，且氢气吸入联合粪菌移植等菌群治疗手段，有望成为不良事件更少的溃疡性结肠炎合理治疗方案。

1. 引言

溃疡性结肠炎（UC）与免疫、环境、遗传及饮食等因素的关联已得到公认[1]。溃疡性结肠炎患者的肠道菌群多样性和丰富度降低，导致菌群失衡，即菌群失调[2,3]。

近年来，全球溃疡性结肠炎患病率呈上升趋势，其中亚洲和南美洲的增幅尤为显著，而西方国家的患病率仍维持在较高水平[4]。目前已有多种生物制剂和分子靶向药物用于治疗溃疡性结肠炎，但这些药物存在多种不良反应，包括免疫抑制相关的感染风险和血栓形成[5]。考虑到老年起病型溃疡性结肠炎患者数量增加，副作用更少的治疗方案更受青睐[6]。

以粪菌移植（faecal microbiota transplantation, FMT）为代表的菌群疗法在溃疡性结肠炎治疗领域备受关注，已有大量研究报道其积极疗效[7]。粪菌移植是一种微创治疗手段，通过将健康供体的肠道菌群移植到菌群失调相关疾病患者体内，恢复患者正常的肠道菌群功能[8]。然而，粪菌移植后恢复的肠道菌群长期定植仍面临挑战，因此，探索粪菌移植后肠道菌群维持策略具有重要意义[9,10]。

氢气（H₂）具有抗氧化和抗炎特性，已有研究表明其对小鼠的多种疾病（包括高血压、急性呼吸窘迫综合征、小肠移植及结肠炎）具有治疗作用。在人类临床实践中，氢气在新型冠状病毒感染治疗和心脏骤停后护理中的疗效也得到了证实[11,12,13,14,15,16]。

此外，有研究提示氢气可能对涉及肠道菌群的疾病具有调控作用。在小鼠实验中，摄入氢气可改变肠道菌群多样性，并影响小鼠的食物和水摄入量[17]。同样，有报道显示，人类饮用富氢碱性电解水可改变肠道菌群，并改善正常粪便性状[18]。厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是结肠内丰富的厌氧菌，在碳水化合物降解过程中会产生氢气作为副产物。氢气可为产氢菌（hydrogenotroph）的生长提供底物，从而增加其丰度并促进肠道内氢气代谢，进而改变肠道菌群结构[17]。

此前有研究指出，氢气可通过肠黏膜壁进入血液循环并转运至全身各器官，同时对肠道代谢环境产生影响[13]。研究发现，气态氢气给药时的血药浓度-时间曲线下面积（AUC）显著高于富氢水等其他给药形式[19,20]。

另有研究表明，氢气可减轻小肠移植后缺血再灌注引起的小肠氧化性组织损伤，并抑制肠杆菌科细菌过度生长[21,22]。在葡聚糖硫酸钠（dextran sodium sulphate, DSS）诱导的溃疡性结肠炎小鼠模型中，氢气可缓解其临床和病理性炎症[23,24,25]。然而，氢气对人类溃疡性结肠炎的影响尚未明确。

本随机对照试验旨在探讨氢气吸入对溃疡性结肠炎的治疗效果及其对肠道菌群的影响。

2. 材料与方法

2.1 研究设计

本研究为安慰剂对照、随机、双盲、平行组（1:1）临床试验，旨在评估氢气吸入治疗溃疡性结肠炎的疗效。

通过医院诊室海报和科室官网主页招募患者，参与者均为自愿加入本研究。本研究已在日本临床试验注册中心（UMIN-CTR）注册，注册号为UMIN000042017，注册日期为2020年10月5日。研究方案于2020年8月13日经顺天堂大学医学院伦理委员会批准（伦理审查编号：20-079）。所有参与者在参与研究前均签署了知情同意书。

根据已确立的临床、内镜和组织学标准诊断溃疡性结肠炎。纳入标准为：年龄≥20岁，性别不限；既往接受过内镜评估，确诊为活动性溃疡性结肠炎；利希滕格临床活动指数（CAI）3-10分，梅奥内镜分项评分（MES）≥1分；基线评估前8周内溃疡性结肠炎治疗药物未发生变化。通过血液检查排除所有患者的肠道重叠感染。排除标准包括：恶性肿瘤、严重基础疾病、妊娠及参与其他临床试验。

 2.2 研究对象纳入

2020年11月13日至2021年8月16日期间，共纳入10例日本溃疡性结肠炎患者。表1列出了研究对象的基线特征。

（表1：研究对象基线特征）

本研究为探索性研究，开展时缺乏充分的前期数据支持，因此在指定研究周期内，初始目标样本量设定为20例。为评估研究干预措施的安全性和有效性，在纳入前10例患者后进行了中期分析。由于临床评估未显示出明确的治疗效果，从科学和伦理角度出发，继续开展无明显临床改善的干预试验缺乏合理性。因此，本研究在纳入10例患者后终止。

2.3 随机分组与设盲

由提供安慰剂和氢气发生装置的MiZ公司员工T.K.对参与者进行序贯分组。除分组外，T.K.未参与本研究的其他环节。在所有参与者完成研究前，参与者本人及评估研究结果的研究者均处于盲态。

2.4 研究流程

将一半参与者分配至氢气吸入组（氢气组），另一半分配至安慰剂对照组（安慰剂组）。氢气发生装置采用MiZ公司（日本神奈川县镰仓市）生产的氢气吸入器Jobs-α，通过电解产生体积分数为5%-6%的氢气，流速为4升/分钟。安慰剂组使用外观相同的装置，但移除了电解电极，仅产生流速为4升/分钟的空气。所有参与者每日吸入相应气体4小时，持续8周。按此计算，参与者每日在家吸入的氢气量约为48-57.6升，8周累积吸入量为2688-3225.6升。8周后参与者返回医院时，核查其气体吸入时间。

主要终点指标为：比较两组干预措施的效果，评估从基线到8周后患者梅奥评分、利希滕格临床活动指数（CAI）、梅奥内镜分项评分（MES）及MES总和的变化，并监测不良事件。分别在基线时和8周后进行内镜黏膜评估。缓解定义为8周后梅奥评分降至≤2分。

次要终点指标为：评估组织学指标和血液检查结果的变化。此外，在基线时和8周后收集参与者粪便样本进行菌群分析，具体通过评估α多样性和β多样性来分析氢气吸入对肠道菌群的影响。其中，α多样性是评估单个样本内菌群多样性的指标，反映菌群物种的丰富度和均匀度，同时可评估菌群的生态复杂性；β多样性用于衡量不同样本间菌群组成的差异，有助于了解菌群群落结构的组间变异。

分别在基线时和8周后进行血液检查，检测项目包括：红细胞计数、白细胞计数、血小板计数、白细胞分类、血红蛋白、红细胞沉降率、总蛋白、白蛋白、碱性磷酸酶、总胆红素、天冬氨酸转氨酶、丙氨酸转氨酶、血清尿素氮、乳酸脱氢酶、肌酐、氯、钾、钠、尿酸、胆碱酯酶及C反应蛋白（图1）。

图1：氢气发生装置及患者流程图。（a）本研究使用的氢气吸入器为日本神奈川县镰仓市MiZ公司生产的Jobs-α，该装置通过电解产生体积分数为5%-6%的氢气，与空气混合后以4升/分钟的流速输出。安慰剂装置外观与氢气发生装置完全一致。图中展示了氢气输送装置的显示屏，上方数值表示氢气产生速率（毫升/分钟，mL/min），下方数值表示吸入气体中氢气的体积分数（%）。（b）患者流程图。所有患者均吸入氢气8周，分别在基线时和8周后进行内镜评估、临床评估和菌群分析。UC：溃疡性结肠炎。

2.5 统计学分析

两组间的差异通过各组治疗评分体现。采用Wilcoxon符号秩和检验或Mann-Whitney U检验进行统计学分析。使用SPSS 19.0软件（美国纽约州阿蒙克市IBM公司）进行数据处理。统计学显著性设定为p<0.05。

在理化学研究所综合医学科学中心共生微生物组科学实验室，通过全基因组 shotgun 测序文库构建和宏基因组分析进行菌群分析。

对粪便样本的全基因组 shotgun 测序和宏基因组分析流程如下：首先提取粪便DNA，然后对提取的DNA进行文库构建和测序（下一代测序技术），随后对测序数据进行预处理和组装，以重建微生物的遗传信息，并确定其分类和功能（方法S1）。

3. 结果

本研究共纳入10例患者，基线时氢气组和安慰剂组在年龄、性别、病变部位、利希滕格临床活动指数（CAI）、梅奥评分及血液检查结果方面均无显著差异（表2）。

表2：各组患者基线时的血液检查、内镜及症状评分

所有患者均完成了本试验（氢气组和安慰剂组各5例），未出现任何问题，包括气体吸入器无故障。

两组患者的吸入时间无显著差异（安慰剂组为215.8±120.9小时，氢气组为235.4±72.5小时）。

3.1 主要终点指标

氢气组的缓解诱导率为3/5（60%），安慰剂组为1/5（20%），两组差异无统计学意义（p=0.24）。氢气组梅奥评分从4.4±1.6分降至3.0±1.3分，安慰剂组从5.0±1.4分降至3.8±1.5分。同样，氢气组利希滕格临床活动指数（CAI）从5.2±2.3分降至3.2±2.4分，安慰剂组从5.2±1.2分降至3.6±1.2分。8周时，两组的梅奥评分和CAI均无显著差异（p=0.80）。两组间梅奥内镜分项评分（MES）总和的变化差异具有统计学意义（p=0.02）。效应量（Cohen’s d）计算为1.73，95%置信区间为[0.15, 2.65]，提示可能存在中等到较大的效应。然而，较宽的置信区间反映出样本量较小及相关的不确定性（图S1a）。

3.2 次要终点指标

吸入前后，两组患者的血液检查结果和组织学指标均无显著差异（图S1b-e）。

3.3 不良事件

在氢气吸入期间及吸入后，均未观察到不良事件。

3.4 菌群分析

比较吸入前后肠道菌群的比例（图2）。从直观上看，安慰剂组菌群无明显变化，而氢气组菌群的相对丰度发生了改变。安慰剂组未观察到肠道菌群变化，而氢气组中，未分类的丹毒丝菌科属（Erysipelotrichaceae genus incertae sedis）和未分类的丹毒丝菌科种（Erysipelotrichaceae species incertae sedis）丰度显著增加（p值分别为0.03和0.02），小阿托波氏菌（Atopobium parvulum）和拉莫斯丹毒丝菌（Erysipelatoclostridium ramosum）丰度显著降低（p值均为0.03）（图3）。

图2：（a）柱状图展示了安慰剂组（P1-P5）和氢气组（H1-H5）吸入前后（带撇号表示吸入后，如P1'、H1'）肠道菌群在门水平的相对丰度，不同颜色代表不同的门。（b）柱状图展示了两组在属水平的肠道菌群相对丰度，不同颜色代表不同的属。氢气组吸入后菌群组成变化较小。

图3：（a）属水平分析显示，未分类的丹毒丝菌科属丰度增加（MaAsLin2分析，p=0.03）。（b）种水平分析显示，小阿托波氏菌和拉莫斯丹毒丝菌丰度降低（p值均为0.03），未分类的丹毒丝菌科种丰度增加（MaAsLin2分析，p=0.02）。H₂：氢气。*表示p<0.05，具有统计学意义。

菌群分析显示，作为α多样性和物种丰富度指标的香农指数（Shannon index）在氢气吸入后呈现更高的多样性（p=0.19），但该变化无统计学意义（图4a）。与安慰剂组相比，氢气组的β多样性变化具有统计学意义（p=0.02）（图4b,c）。

图4：（a）对肠道菌群α多样性的分析显示，虽然未观察到显著差异，但氢气吸入后香农指数提示多样性增加（Wilcoxon符号秩检验，p=0.19）。（b）基于Bray-Curtis距离进行主坐标分析（PCoA）以可视化β多样性，主成分1（PC1）和主成分2（PC2）分别解释了20.5%和13.3%的变异。每个箭头代表一名受试者从基线（圆形）到8周后（三角形）的时间变化，颜色代表组别（蓝色：氢气组，灰色：安慰剂组）。由于样本量较小（每组n=5），未绘制置信椭圆，因为在此条件下置信椭圆可能不具有统计学意义。（c）β多样性变化分析显示，与安慰剂组相比，氢气组β多样性变化具有统计学意义（Wilcoxon秩和检验，p=0.02）。*表示p<0.05，具有统计学意义。

基于京都基因与基因组百科全书（KEGG）的功能基因分析显示，氢气组在基线到吸入8周后，KEGG直系同源基因（KO）出现115个显著变化。在这115个KO中，83个在氢气组显著富集，32个显著减少。安慰剂组中，99个KO出现显著变化，其中40个显著富集，59个显著减少。有2个KO（K24217和K00849）在安慰剂组和氢气组中的变化趋势相反（图5）。

图5：（a）氢气组在基线到8周后检测到115个显著变化的KO（p<0.05），其中83个KO富集（红色），32个KO减少（蓝色）。（b）安慰剂组检测到99个显著变化的KO（p<0.05），其中40个KO富集（红色），59个KO减少（蓝色）。KO：京都基因与基因组百科全书直系同源基因。星号表示统计学显著性：*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001。

 4. 讨论

据我们所知，本研究是首个探索氢气（H₂）吸入对人类溃疡性结肠炎（UC）益处的研究。氢气组的梅奥评分（Mayo score）虽呈现改善趋势，但无统计学意义；且两组的临床结局无显著差异。此外，本研究发现肠道菌群组成存在一些变化趋势（如β多样性改善），但由于α多样性无统计学意义且样本量较小，对这些发现的解读需谨慎。总体而言，这些观察结果凸显了本研究的探索性本质，并为未来研究指明了方向。

既往研究表明，在溃疡性结肠炎小鼠模型中，氢气吸入可改善葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎症状[23]。然而，小鼠与人类的肠道菌群组成存在显著差异，且氢气吸入浓度也不同（小鼠吸入的氢气浓度高于人类）。因此，这种差异可能导致氢气吸入未给人类患者带来明确的症状改善[26]。此外，既往使用5-氨基水杨酸（5-amino salicylic acid）治疗可能影响菌群变异性，从而限制了对菌群变化的解读。同样，有研究报道糖皮质激素（corticosteroids）和抗肿瘤坏死因子-α抑制剂（anti-tumour necrosis factor-α inhibitors）治疗前后肠道菌群会发生变化，因此肠道菌群组成可能存在较高的变异性[27,28]。

粪菌移植（FMT）治疗溃疡性结肠炎的高疗效和安全性已得到证实，因此迫切需要开发能维持粪菌移植后菌群多样性的干预措施。目前，越来越多的研究正探索益生菌（probiotics）和益生元（prebiotics）在溃疡性结肠炎治疗中的潜力，但迄今为止，尚无证据表明它们能显著改善菌群多样性[29]。近期研究显示，肠道菌群多样性降低与溃疡性结肠炎病情严重程度相关。粪菌移植可将健康供体的菌群引入患者体内，助力恢复菌群多样性，且粪菌移植后菌群多样性增幅越大，临床结局通常越好[30]。本研究中，尽管氢气吸入未给肠道环境或临床症状带来显著改变，但与安慰剂组相比，氢气组成功提高了肠道菌群的β多样性变异度。此外，氢气组干预后富集的京都基因与基因组百科全书直系同源基因（KO）数量多于减少的数量；与之相反，安慰剂组干预后富集的KO数量少于减少的数量。虽未观察到明确的KEGG通路富集现象，但氢气吸入后部分单个KO出现变化，包括K00242、K18120、K00135和K14534。这些KO参与丁酸代谢（butanoate metabolism），可促进肠上皮修复与屏障功能维持、调控免疫反应，并影响肠道菌群组成。尽管这些KO水平的变化未形成连贯通路，但可能反映了氢气暴露相关的肠道菌群功能轻微改变。这种轻微改变或许是朝着实现粪菌移植治疗溃疡性结肠炎潜力迈出的微小但有意义的一步。氢气吸入联合粪菌移植可能提高治疗效果，值得进一步研究。未来，粪菌移植联合氢气吸入（可维持肠道菌群）有望成为一种无需免疫抑制的溃疡性结肠炎新治疗方法。为增强氢气吸入疗法的临床相关性，未来试验应考虑延长随访时间，以评估菌群变化和临床反应的持续性。此外，将氢气疗法与粪菌移植、益生菌等菌群靶向干预措施相结合，可能产生协同效应。按溃疡性结肠炎亚型或疾病活动度进行分层，也有助于明确哪些患者群体最可能从这类疗法中获益。

本研究存在一些局限性。首先，样本量较小：在对10名参与者进行中期分析后，因未观察到明确的临床改善，试验提前终止。尽管观察到了与菌群相关的变化，但样本量有限导致统计效能降低。其次，干预期间所有患者均继续接受标准治疗，这可能干扰研究结果。从伦理角度考虑，为单独评估氢气效应而停用标准治疗并不合适，因此氢气吸入在此研究中作为辅助疗法使用。第三，缺乏长期随访，无法充分评估疗效和安全性的持续性。部分患者在研究期间接受了额外治疗，导致无法进行连贯的长期观察。最后，由于样本量较小且存在I类错误（Type I error）风险，对观察到的梅奥内镜分项评分（MES）降低需谨慎解读。要证实这些初步发现，仍需开展更大样本量、足够统计效能的研究。

本研究未记录到不良事件，且观察到肠道菌群多样性变异度增加。尽管如此，未来氢气吸入联合粪菌移植等菌群疗法，仍有望成为不良事件更少的溃疡性结肠炎合理治疗方案。

Supplementary Materials

The following supporting information can be downloaded at https://www.mdpi.com/article/10.3390/biomedicines13081799/s1, Figure S1: Changes in the sum of the MES in the placebo and hydrogen groups before and after inhalation. No significant differences were observed in the endoscopic scores before and after inhalation between the two groups. However, a significant difference in the sum of the MES was observed between the hydrogen and placebo groups after inhalation (the Mann–Whitney U test, p = 0.02). No significant differences were noted in Lichtiger’s clinical activity index, the MES, the Mayo score, the C-reactive protein level, or histological indices. MES, Mayo endoscopic subscore; H2, hydrogen. Methods S1. References [31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44] are cited in the supplementary materials.

Author Contributions

Conceptualisation, T.M., D.I. and M.H.; methodology, D.I.; software, T.M. and D.I.; validation, K.N., M.H. and M.O. (Masayuki Orikasa); formal analysis, D.I. and R.O.; investigation, M.K., M.O. (Masashi Omori), H.I., K.I. and D.I.; resources, T.M., D.I. and R.K.; data curation, H.M. and W.S.; writing—original draft preparation, T.M.; writing—review and editing, D.I.; visualisation, T.S. and T.M.; supervision, A.N.; project administration, K.N.; funding acquisition, D.I. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

Funding

This research was funded by MiZ Co., Ltd.