2007年日本医科大学老年病研究所太田成男教授发表氢气选择性抗氧化，启动了氢气分子生物学的研究热潮。到2013年底，国际上发表的论文已经超过500余篇。从各类器官缺血再灌注损伤，到糖尿病、动脉硬化、高血压、肿瘤等各类重大人类疾病，再到各类颇具新意的研究设想和假说，更有数篇初步的临床研究报道。在这些研究中，大家比较公认的前提是把氢气作为一种新型的抗氧化物质，推测在那些氧化应激和氧化损伤相关疾病可能具有治疗作用，当然在研究上述疾病过程中，关于氢气的抗细胞凋亡、抗炎症反应等也有许多证据。由于氧化应激几乎涉及到所有细胞、组织和器官类型，几乎和所有疾病都存在程度不同的联系，因此国际上各类基础和临床研究单位相继去验证各自所关注的疾病。由于篇幅限制，很难对所有的研究进展都全面详细地介绍，另考虑到读者的背景，也没有必要重复这些论文的具体描述。因此本章针对一些比较典型的疾病类型，如神经系统疾病、肝脏疾病、代谢性疾病为主和部分临床研究分别综述，以方便读者对氢气分子生物学主要研究领域相对全面地了解。

第一节   氢气治疗疾病的研究概况 

从2007年到2013年，人们使用多种动物模型和临床观察，确定了氢气可以治疗73种人类疾病，这些研究大部分采用啮齿类动物疾病模型。氢气最重要的效应是对氧化应激相关疾病有很好的治疗效果，例如新生儿脑缺氧、巴金森、组织缺血再灌注（脊髓、心脏、肺、肝、肾和小肠）。

尽管存在许多质疑，氢气的选择性抗氧化仍是目前公认的氢气治疗疾病的最主要机制。另外，氢气对细胞死亡、炎症反应的作用也是氢气生物学效应研究的重要内容。

一、氢气治疗疾病的概况

2007年，Ohsawa的关于氢气选择性抗氧化和对大鼠脑缺血治疗作用的报道是该领域具有开创意义的工作。虽然早在1975年和2001年就有关于氢气抗氧化的报道，但2001年是研究呼吸800 kpa氢气14天的效应，而2007年报道是呼吸２kpa氢气不足1小时的效应，两者分压相差400倍，呼吸时间相差600倍，所以这绝对是完全不同性质的工作。该研究将大鼠中动脉临时阻断90分钟（将一根缝合线插到大脑中动脉起始段），然后再灌流，这是经典的脑中风动物模型，类似脑缺血后再恢复血流的情况。在恢复血液供应前5分钟开始给动物呼吸含氢气1、2、4％的混合气体35分钟，结果发现动物脑组织坏死体积非常显著地减少。他们将这种作用归因于氢气可以选择性中和羟基自由基（羟基自由基是生物体毒性最强的自由基），尽管氢气也可以中和亚硝酸阴离子，但作用比较弱。关于这一点，文章发表后就有人提出质疑，因为氢气和这些自由基反应的速度远低于其他生物体内物质，例如蛋白质核酸等物质（也是这些物质容易受到自由基攻击，产生氧化损伤的根本原因）。氢气又如何发挥这选择性抗氧化？

该文章发表后，迅速引起国际上的广泛关注，大批临床和基础医学学者迅速跟进，到现在已经有63个疾病类型被用于证明是否可以被氢气有效治疗。每年氢气生物学文章数量，如2007年3篇、2008年15篇、2009年26篇、2010年50篇、2011年63篇、2012年95篇，呈现爆发式增长。而引用第一篇论文的次数更是达到惊人的300次以上。在87篇关于氢气治疗各类疾病效果的文章中，摄取氢气的方法包括呼吸氢气21篇、饮用氢气水23篇、腹腔注射或局部使用氢气生理盐水27篇、氢气溶解细胞培养液10篇、使用透析液或其他方法6篇。87篇文章中使用5种实验动物和细胞，其中使用啮齿类动物67篇、人类7篇、兔1篇、猪1篇、细胞11篇。

上述研究中，有2篇证明2种疾病使用氢气无效的文章。尽管呼吸氢气对大鼠脑缺血、注射氢气生理盐水对新生儿脑缺血缺氧效果显著，但有一项研究表明呼吸氢气对重型新生儿脑缺血缺氧治疗无效。过去也曾经大量研究发现，许多治疗措施对重型疾病治疗无效，当然氢气也不例外。另一个是证明饮用氢气水对废用性肌肉萎缩无效。尽管过去研究证明氧化应激参与废用性肌肉萎缩的发病过程，但使用氢气治疗该疾病并没有获得任何效果，对废用性肌肉萎缩无效或许暗示氧化应激可能不是该疾病最重要的病理生理机制。

氢气的分子效应可在多种组织和疾病存在，例如大脑、脊髓、眼、耳、肺、心、肝、肾、胰腺、小肠、血管、肌肉、软骨、代谢系统、围产期疾病和炎症等。在上述这些器官、组织和疾病状态中，氢气对器官缺血再灌注损伤和炎症相关疾病的治疗效果最显著。有意思的是，目前只有4篇文章涉及到恶性肿瘤。首先，有研究证明氢气可以对HSC-4人类舌癌细胞和HT-1080人类纤维肉瘤细胞的增殖有显著抑制作用，但不影响对DOK正常人类舌上皮样细胞的生长。其次，氢气可以抑制血管内皮细胞生长因子(VEGF)的表达，而VEGF是决定癌肿增长中血管生成的关键调节因子。在A549人类肺腺癌细胞中，氢气可以通过下调细胞外信号调节激酶。第三项研究发现，氢气可以保护BALB/c小鼠辐射诱导的胸腺淋巴瘤。氢气清除自由基可能是降低体细胞突变几率的原因。最近有学者在研究非酒精性脂肪肝病时，发现饮用氢气水可减少脂肪肝病诱导的原发性肝癌发病率，而且肿瘤体积也明显减少，关于氢气对这种原发性肝癌的作用，作者认为这主要是来自氢气对脂肪性肝病治疗。与其他疾病模型不同，恶性肿瘤研究中4篇论文有２篇采用细胞学研究。从肿瘤发生的角度，用清除自由基减少细胞突变来解释比较合理，但对肿瘤生长和转移的作用机制则需要更多分析研究。

二、氢气治疗疾病的病理生理学机制

氢原子是自然界结构最简单的原子，由一个质子为原子核和一个原子核外电子组成。氢气分子由两个氢原子组成的，是自然界结构最简单的分子。当氢气和氧气混合时，氢气可以发生燃烧甚至爆炸，氢气燃烧的浓度范围是4-75%。不过氢气在常温下是一种化学性质不活泼的，相对惰性的分子，不太容易和其他物质发生反应。例如，氢气和氧阴离子反应可以产生氢原子和羟基自由基，反应速度常数k = 8.0 x 10⁷M-1•s-1。

•O- + H₂= H•+ OH-    k = 8.0 x 10⁷ M-1•s-1

•OH + H₂= H•+ H₂O    k = 4.2 x 10⁷ M-1•s-1

H• + •OH=H₂O  k = 7.0 x 10⁹ M-1•s-1

氢气和强毒性自由基（如羟基自由基）的反应速度常数为10⁷，但许多其他常见分子和这些强毒性自由基的反应速度常数10⁹，也就是说，氢气比身体内许多物质的还原性低大约1000倍。因此，单纯从化学还原性角度考虑，氢气似乎难以发挥抗氧化的作用。

尽管这样，由于氢气是一种小分子，可以非常容易地扩散到身体和细胞内，氢气和其他分子或原子碰撞几率可能会非常高，氢气的这种强大扩散能力或许是弥补氢气反应速率低或还原性低的缺陷，使其不仅稳定，而且具备选择性，这可能就是氢气具有抗氧化作用的特殊优势。

目前关于氢气治疗疾病病理生理学机制主流观点仍是氢气的选择性抗氧化，在选择性抗氧化基础上，人们相继证明氢气对各类疾病过程中的氧化损伤，炎症反应、细胞凋亡和血管异常增生等具有治疗作用。

活性氧在各类心脑血管疾病如中风和心肌梗死、代谢性疾病如糖尿病动脉硬化等人类重要急性和慢性疾病的病理生理进程中扮演了重要角色，它是分子氧在还原过程中的中间产物，包括以氧自由基形式存在和非氧自由基形式存在的两大类物质，其中氧自由基又包括羟自由基、超氧阴离子、一氧化氮、亚硝酸阴离子等物质。生理情况下，活性氧在体内不断产生，也不断被清除，处于动态平衡。但在缺血、炎症等病理状态下，机体将产生大量的活性氧。其中，羟自由基和过氧亚硝基阴离子毒性较强，是细胞氧化损伤的主要介质。而一氧化氮、超氧阴离子和过氧化氢等物质毒性较弱，具有重要的信号转导作用。既往在抗氧化损伤的治疗中，还原性过强的药物可能导致机体氧化- 还原状态出现新的失衡，这可能是目前抗氧化治疗效果不佳的重要原因。2007 年Ohsawa等人研究证实，氢气能够选择性清除毒性较强的羟自由基和亚硝酸阴离子，而对其它具有重要生物学功能、毒性较低的活性氧影响不大，此即氢气的选择性抗氧化作用。该作用为抗氧化治疗提供了新的思路。

早在2001 年，Gharib等人报道吸入8 个大气压的氢气对肝脏血吸虫感染引起的炎症反应具有治疗作用，他们认为氢气与羟自由基直接反应是氢气抗炎作用的基础。2009 年Kajiya等人报道氢气能明显抑制葡聚糖硫酸钠诱发的结肠炎症反应，减少受损结肠的炎症因子水平，减轻炎症的病理损伤，改善预后。氢气的抗炎作用与其抑制活性氧产生、中和羟自由基、抑制促炎因子释放有关。另外，巨噬细胞在炎症反应和免疫调节中起重要作用，氢气对巨噬细胞的调节为其抗炎作用奠定了基础。虽然氢气的抗炎作用最初并不是在心血管疾病中发现的，但是鉴于炎症反应在人类各种重要疾病中的重要地位，提示氢气在这方面有较高的研究价值。

我们2008 年的研究发现，氢气能减少大鼠缺血缺氧模型的组织损伤，呼吸低浓度的氢气可时间依赖性地减少凋亡酶Caspase-3和Caspase-12 的活性，减少凋亡阳性细胞数量，研究提示氢气的作用与减少Caspase 依赖性凋亡有关。由于氢气具有抗凋亡作用，因此在缺血- 再灌注损伤、炎症等病理生理过程的研究中正受到越来越多的关注，但是关于氢气抗凋亡作用的确切机制还未完全清楚，需要进一步深入研究。

活性氧在血管增生过程中起重要作用，有研究表明大量产生的活性氧可诱发血管平滑肌增生。Kubota等报道使用含氢气的水滴眼具有抗角膜血管增生的作用。其机制可能与氢气清除角膜损伤后大量产生的活性氧，减少核转录因子-κB（一种重要的和细胞增殖关系密切的基因表达转录因子）的基因转录，降低内皮细胞血管生长因子表达水平和活性，进而抑制血管增生有关。血管再生不仅是许多血管性疾病的重要病理生理学机制，也在肿瘤发生过程中发挥重要影响。因此关于氢气在血管增生中的作用，其病理生理学价值值得深入探讨。