氢气通过调节肠道菌群缓解炎症性肠病

肠道菌群作为氢气通过调控TLR4/NF-κB与Nrf2通路缓解结肠炎的核心介导者

作者信息：

山西医科大学基础医学院，

山西省人民医院临床检验科，

山西医科大学细胞生理学教育部重点实验室，

研究亮点

- 氢气吸入可通过重塑肠道菌群、抑制潜在致病菌、富集潜在有益菌，从而缓解结肠炎。

- 氢气处理后，黏蛋白生成增加且紧密连接蛋白（ZO-1/闭合蛋白）表达上调，肠道屏障完整性得以恢复。

- 氢气可平衡调节性T细胞（Treg）与辅助性T细胞17（Th17）的免疫稳态，抑制核因子κB（NF-κB）信号通路，同时激活核因子E2相关因子2（Nrf2）抗氧化通路。

- 粪菌移植（FMT）验证结果证实，氢气的治疗效应通过重构肠道微生物生态系统介导实现。

炎症性肠病（IBD）是一种胃肠道慢性复发性自身免疫性疾病，其发病机制尚未完全阐明，治疗手段也十分有限。尽管氢气（H₂）已在包括炎症性肠病在内的多种疾病中显示出治疗效果，但其作用机制（尤其是与肠道菌群的相互作用）仍不明确。本研究发现，氢气吸入可通过抑制潜在致病菌（如肠杆菌科、大肠埃希菌-志贺菌属）的增殖、促进潜在有益菌（如拟杆菌属、乳杆菌科）的富集，有效逆转葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的肠道菌群失调，进而恢复微生物稳态。

此外，氢气吸入可增加杯状细胞密度与黏液生成，上调紧密连接蛋白（ZO-1和闭合蛋白）的表达，修复肠道屏障完整性；同时可平衡Treg/Th17细胞比例，纠正免疫失调。在分子水平上，氢气吸入可抑制TLR4/NF-κB信号通路，激活Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1（Keap1）/Nrf2抗氧化轴，从而减少促炎细胞因子与氧化应激标志物的产生，同时提高抗氧化酶水平，最终缓解结肠损伤。

综上，氢气的缓解效应可能通过以下途径介导：重塑肠道菌群、修复上皮屏障、抑制炎症信号通路、激活抗氧化通路。粪菌移植（FMT）实验进一步验证了上述发现。本研究将氢气的治疗效果与肠道菌群的结构及功能重编程相关联，表明微生物生态恢复是氢气缓解结肠炎的核心机制，为氢气吸入在炎症性肠病治疗中的应用提供了机制基础。

图形摘要

炎症性肠病（IBD）是一种结肠慢性炎症性疾病，以黏膜持续性炎症和免疫细胞异常浸润为特征，可导致溃疡、糜烂和纤维化[1]。其临床表现包括腹泻、腹痛、便血和全身炎症反应，严重影响患者生活质量，甚至存在致命风险。尽管病因尚未明确，但炎症性肠病的发生可能与免疫失调、肠道菌群失衡、环境诱因及遗传易感性相关，这些因素共同破坏肠道屏障完整性，引发炎症和氧化性组织损伤[2,3]。

免疫失衡在炎症性肠病中起核心作用，尤其是辅助性T细胞17（Th17）和调节性T细胞（Treg）的分化与功能异常[4]。Th17反应过度激活且Treg功能受损，会加剧肠道炎症——患者体内白细胞介素-17（IL-17）水平升高、Treg数量减少，均与此相关[5,6]。NF-κB通路是炎症性肠病发病机制中的关键通路：肠道屏障受损时，脂多糖（LPS）通过TLR4/髓样分化因子88（MyD88）激活NF-κB，促使其入核并调控促炎细胞因子（如肿瘤坏死因子-α TNF-α、白细胞介素-6 IL-6、白细胞介素-1β IL-1β）的转录[7,8]。该通路还会破坏紧密连接、促进上皮细胞凋亡、加速微生物移位[9,10]。同时，氧化应激通过活性氧（ROS）和活性氮（RNS）加剧损伤，这些物质会破坏脂质、蛋白质和DNA，并与炎症级联反应协同作用[11,12]。Keap1/Nrf2抗氧化系统失调会导致炎症抑制不足、细胞保护基因激活受阻，进一步加速疾病进展[13,14]。

此外，肠道菌群失调在炎症性肠病的发病和进展中起着关键作用，临床研究、遗传学研究和动物模型研究均一致证实其参与免疫调节过程[15,16,17]。炎症性肠病患者的肠道微生物多样性显著降低，表现为致病共生菌（如黏附侵袭性大肠埃希菌AIEC）增多，而有益益生菌（如双歧杆菌属、乳杆菌属）减少。这种生态失衡会破坏肠道免疫稳态，促进Th17过度激活、抑制Treg细胞功能，从而导致慢性炎症持续存在[18]。特定细菌的变化与肠道通透性增加相关，而菌群失调衍生的功能性代谢通路会进一步加剧屏障功能障碍。例如，AIEC可入侵肠道上皮细胞，激活TLR4/NF-κB信号通路，刺激促炎细胞因子释放，最终破坏屏障完整性；此外，AIEC还可能分泌酶或毒素降解黏膜层，加重上皮损伤[19]。

目前，炎症性肠病的治疗主要依赖药物干预，手术切除仅用于药物难治性病例或严重并发症。常用药物包括氨基水杨酸制剂、糖皮质激素、免疫调节剂和生物制剂；然而，这些药物不仅会带来长期不良反应（如肝肾功能损害、骨质疏松），还会造成沉重的经济负担[20]。因此，亟需开发简单可行、成本效益高的预防和治疗策略。

氢分子（H₂）是一种内源性气体分子，具有低分子量、无色无味、生理惰性等特点，已在多种疾病中显示出治疗潜力，其机制包括抗氧化应激、抗炎、抗凋亡[21,22,23,24,25]。在炎症性肠病模型中，氢气也表现出疗效[26]。从机制上看，氢气通过以下途径发挥保护作用：（1）选择性清除羟基自由基（·OH）和过氧亚硝基阴离子（ONOO⁻），通过降低丙二醛（MDA）水平、提高超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽（GSH）活性来缓解氧化应激[27]；（2）下调TLR4/MyD88信号通路，抑制促炎细胞因子释放[28]；（3）通过降低内质网应激蛋白（p-eIF2α/ATF4/CHOP）水平，抑制未折叠蛋白反应[29]；（4）上调紧密连接蛋白表达，降低肠道通透性，增加杯状细胞数量和黏液分泌，共同促进屏障修复[26]；（5）维持有利于益生菌增殖和菌群重建的厌氧微环境[28,30]。

在临床和动物研究中，氢气的主要给药途径包括吸入、富氢水（HRW）口服/注射和氢气浴。尽管富氢水因便携性和安全性常被使用[31]，但存在显著局限性：水溶性低（常温下约0.8 mM）、稳定性差（维持时间<12小时）[32]、代谢半衰期短（血药浓度峰值持续时间<10分钟）[33]，且制备方案和剂量标准不统一。这些因素影响了数据的可比性，给临床标准化带来挑战。相比之下，氢气吸入利用其极小的分子尺寸实现无障碍跨膜扩散，可精准靶向线粒体等亚细胞结构；该方式具有递送浓度高、滞留时间长、操作简单等优势，有效克服了富氢水的局限性。

尽管氢气在抗氧化、抗炎方面显示出治疗潜力，但其通过肠道菌群修复肠道屏障、调节免疫稳态的机制仍不明确。本研究发现，氢气吸入可显著缓解葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的小鼠结肠炎：氢气上调紧密连接蛋白（ZO-1和闭合蛋白）表达，刺激杯状细胞增殖，增加黏蛋白合成，共同恢复肠道屏障完整性；进而抑制LPS/TLR4/NF-κB介导的炎症级联反应，激活Keap1/Nrf2抗氧化信号通路，恢复Treg/Th17免疫稳态，有效减轻肠道炎症浸润和氧化应激损伤。通过分析粪便肠道菌群变化及粪菌移植（FMT）实验，进一步评估并证实：氢气主要通过调节肠道菌群缓解炎症性肠病。