氢气医学研究中给氢方式选择及研究进展

李恒宇， 李嘉图， 林莹妮， 李红鹏， 李庆云

（1.上海交通大学医学院附属瑞金医院呼吸与危重症医学科 上海交通大学医学院呼吸病研究所，上海 200025；2.上海交通大学医学院，上海 200025）

氢气（H2）是一种常温下惰性气体，具有一定还原性，还通过清除氧自由基及调控多种信号转导通路等机制来对多种疾病起到治疗作用。 相关研究中所采用的给氢方式包括吸入H2、腹腔注射富氢液体或促进内生H2等，给氢方式的选择还取决于具体研究目的。 本文对H2医学研究给氢方式的选择及相关研究进展作一综述。

H2医学研究的发展沿革

早在1975 年，《科学》杂志上最早发表高压H2用于治疗无毛白化病大鼠皮肤癌模型[1]，该文提出H2能清除羟基自由基。 但是由于高压H2实验难以重复， 未见后续研究报道。Ohsawa 等[2]于2007 年提出H2可通过清除羟自由基，减轻大鼠脑缺血再灌注损伤， 开启了H2医学研究和应用领域的新篇章。 自此，H2作为治疗性气体在多种疾病中的应用得到广泛研究。 2008 年，Cai 等［3］在国际上首次证实了吸入 H2对新生儿缺血缺氧性脑病具有良好疗效。 同年，Kajiyama 等［4］证明了饮用富氢水可治疗人类代谢综合征和早期糖尿病。 鉴于饮用氢水不能提供稳定且持续的 H2，2009 年Shimouchi等［5］尝试应用牛奶动员肠道细菌产生H2，发现与饮用氢水组相比，牛奶可使受试者稳定且持续地呼出H2，但此试验对乳糖不耐受人群并不适宜，且产量与作用范围有限，现实应用价值不高，故后续研究不多。 2010 年，日本学者证明含氢水滴眼可治疗视网膜缺血［6］，提出局部用药新思路。 同年，Kawamura 等［7］发现用2%含H2气体灌注离体肺可显著抑制多种炎性介质的产生，预防移植肺的缺血再灌注损伤，延长保存时间。 后续研究显示，H2对移植肺的冷缺血期、再灌注期以及离体肺灌注支持过程中均有保护作用。 近年来，研究还证实含H2腹膜透析液可改善透析液诱导的腹膜损伤［8］；吸入2%含H2气体可减轻小肠移植后的氧化应激及炎症[9]；2%含H2气体灌注降低猪的离体肺白介素（interleukin,IL）-1β、IL-6 和肿瘤坏死因子 （tumor necrosis factor，TNF）-α的表达等［10］。

供氢途径选择及研究进展

一、含H2气体

1.吸入途径：最早的外源性H2吸入应用于潜水医学领域， 主要为了增加潜水深度并避免氮麻醉而选择氢氧混合气作为呼吸介质。 虽此举并非为了治疗疾病，但首次证实了吸入H2的安全性。 目前可利用H2电解水生成装置，通过面罩或鼻导管同时为患者提供氧气（O2）与H2。 此法反应快速，给药直接，但持续吸入效果并不理想。 而且，若氢氧比例失调易发生爆炸危险，因此并不安全，这就要求H2浓度需控制在4%以下或75%以上的安全范围。 不过，尚未观测到H2吸入引起生理上的不良反应， 吸入H2不影响血液生理参数（pH、血压、氧分压及体温等）。 多种疾病模型研究表明2%～4%低浓度含H2气体可有效改善帕金森病［11］、呼吸机相关肺损伤［12］及高氧诱发的肺损伤［13］等。Buchholz 等［14］通过麻醉液体气化器，让小鼠用面罩吸入含2% H2气体，证实H2可减轻移植物诱导的炎症介质CC 趋化因子配体2（CC chemokine Iigand 2，CCL2）、IL-1β、IL-6 和 TNF-α 的上调，显著降低脂质过氧化及中性粒细胞募集。 Fukuda 等［15］给麻醉的小鼠施用含H2气体，即在再灌注前10 min 通过气体流量计将H2气体以流速1 L/min 供应到含麻醉气体 （1.5%七芳烃）一氧化二氮（N2O）/O2（70∶30）气体中，直到再灌注结束（总共190 min），同时在实验过程中利用气体流量计控制流量，呼吸气体分析仪测定H2浓度，证实H2可减少氧化应激。可见吸入H2研究需设计相应的组合吸入气体的成分及吸入H2的设备，并合理选择H2浓度。

2.腹腔注射： 动物模型中采用直接腹腔注射H2的方法，相较于直接吸入操作较为简易，且能较长时间维持呼出气 H2高浓度。 黄国庆等［16］比较了腹腔注射 H2、氢水及静脉注射氢水3 种方式，发现腹腔注射H2使呼出气中H2达峰时间最长[分别为（17.8±6.48）、(3.25±1.80）和（7.45±1.39） min，P＜0.01]；半减期最长[分别为（141.50±85.01）、（7.40±2.09）和（1.20±0.37） min，P＜0.01]， 提示腹腔注射 H2能长时间维持H2水平。 Wang 等［17］建立兔后肢缺血再灌注模型，将 30 只家兔随机分为假手术组、缺血再灌注组（IR 组）、缺血再灌注合并 H2灌注组（IRH 组）。IRH 组腹腔注射 H2，假手术组和 IR 组腹腔注射等量的空气。 腹腔注射H2可降低血清丙二醇水平及骨骼肌诱导型一氧化氮合酶 （induced nitric oxide synthase，iNOS）， 并增加内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）表达水平，提示 H2对 IR 诱导的骨骼肌损伤具有保护作用。

二、富氢液体

1.口服富氢水： 口服富氢水可有效避免吸入法给氢的潜在不安全性，目前常用的制备方法有以下4 种。 ①电解法制氢：通过电解水，同时产生H2与O2，通常H2在水中的饱和浓度大约为1.6 ppm（1 ppm=1 mg/L）；②镁滤芯制氢：在滤芯中加入金属镁、托玛琳等，当水流过滤芯时，经置换反应，产生H2，不过，随着使用次数增加，滤芯被氧化，制氢能力下降；③氢棒制氢：基本原理同镁滤芯制氢，使氢棒（含金属镁）与水在密闭容器中反应，氢棒周围产生H2，但多次使用会因镁粒子被氧化导致效果下降；④高压溶解法：使用高压和特殊工艺将高浓度的H2溶解在水中并密封保存， 高压下H2浓度可达 3 ppm 及以上。 Nishimaki 等［18］给痴呆小鼠饮用饱和氢气水， 发现可以降低氧化应激并改善小鼠认知功能。Muramatsu 等［19］通过妊娠大鼠羊水中注射脂多糖建立新生大鼠支气管肺发育不良 （bronchopulmonary dysplasia, BPD）模型， 母体大鼠饮用富氢水可使其子代体内活性氧含量下降，BPD 明显改善。 Matsumoto 等［20］发现饮用富氢水可增加帕金森小鼠模型胃促生长素分泌而改善基底节多巴胺神经元的缺失。 另外，与其他给氢模式相比，饮用富氢水可显著增加胃肠道系统局部H2浓度［21］，可能更适于用于胃肠道疾病相关研究。

富氢水制备方便且安全性高， 更便于临床应用及推广。目前已有多项临床研究证实富氢水的保护作用。 一项随机、双盲、安慰剂对照研究结果显示，饮用富氢水治疗48 周可降低帕金森病患者统一帕金森病综合量表评分， 提高患者生活质量［22］。 另一项新近双盲、安慰剂对照交叉研究发现，饮用富氢水治疗28 d 可改善非酒精性肝硬化患者肝脏脂肪浸润并降低天冬氨酸转氨酶水平［23］。 此外，饮用富氢水还可降低轻度认知障碍（mid cognitive impairment，MCI）患者阿尔茨海默病评估量表-认知亚量表（Alzheimers disease asesment scale-cognitive section，ADAS-cog）评分[18]，降低高强度运动后血乳酸水平并改善运动相关的自觉疲劳程度量表评分（ratings of perceived exertion, RPE）［24］，改善代谢综合征患者脂代谢紊乱［25］，并改善接受 mFOLFOX6 方案（奥沙利铂+亚叶酸钙+5-氟尿嘧啶）化学治疗（化疗）的结直肠癌患者的肝功能［26］。

2.注射用富氢0.9%氯化钠溶液：富氢0.9%氯化钠溶液的制备方法与制备富氢水方法相似。 浓度一般低于口服用富氢水，为1 ppm 左右。 与口服富氢水相比，注射用富氢0.9%氯化钠溶液更易控制H2的浓度，同样成本低，方便、安全，并增加了H2利用度。 注射方式分为腹腔注射、静脉注射、鞘内注射以及玻璃体内注射等，腹腔注射最为多用。 在多柔比星诱导的心肌病大鼠模型中，腹腔注射富氢盐水可改善心功能并减轻心肌组织炎症细胞浸润及心肌细胞局灶性肌溶解，提高大鼠生存率[27]。 Ogawa 等［28］通过夹闭沙鼠双侧椎动脉 15 min造成缺血性听力损失模型后对其静脉注射5 mL 富氢0.9%氯化钠溶液，发现H2治疗可减少沙鼠耳蜗损伤，并使其听力部分恢复。

3.其他： 富氢0.9%氯化钠溶液器官冷藏液可改善移植器官的冷缺血再灌注损伤； 富氢0.9%氯化钠滴眼液开启了H2局部用药的先河。 此外，因为H2易穿透皮肤并通过血流分布全身，因此也可用富氢水淋浴，不过，由于H2的溶解度很低，容易弥散在空气中，H2吸收效率很低，往往用量大而吸收量小，且难以定量研究，因此成本高，且H2浓度难以控制，实验中与实际医疗中很少采用。 Uto 等［29］发现富含氢的威斯康辛大学溶液 （hydrogen-rich University of Wisconsin solution, HRUW）可降低大鼠移植肝的氧化应激损伤及肝细胞凋亡。 HRUW 可延长移植物保存时间，改善移植物功能。Takahashi 等［30］将大鼠左肺门夹闭 1 h，再灌注 3 h 来诱导肺缺血再灌注损伤。在大鼠肺缺血期间，给予灌注0.9%氯化钠溶液或富氢0.9%氯化钠溶液至大鼠左胸腔， 通过气相色谱仪测量左肺中氢浓度。 结果发现富氢0.9%氯化钠溶液组的肺功能显著高于0.9%氯化钠溶液组， 而促炎因子水平显著低于0.9%氯化钠溶液组。

三、H2微泡法

由于H2溶解度低， 无论是直接吸入还是溶于液体都难以定向释放，在一定程度上限制了其应用，超声微泡载药技术可弥补该缺陷。 超声微泡载药一般使用脂质微泡，具有靶向性好、提高靶向药物浓度、安全、稳定、传输效应高、及免疫反应小的优点，还便于超声造影检查［31］。H2载药微泡的制备方法套用一般脂类载药微泡的制备法，形成以一定比例混合的全氟丙烷 （C3F8）/H2微泡。 动物实验证实浓度为 （1.14±0.07）×1010微泡/mL 的溶液， 微泡释放 H2达到峰值时间为80 s，溶液中 H2含量能维持在（33.45±0.67） ppm，远高于普通富氢水［32］。 陈逸寒［33］对载氢超声微泡对于小鼠缺血再灌注心肌的定向释放进行了研究。 利用薄膜震荡法制作氟氢比(C3F8/H2)为 3∶0、1∶1 和 0∶3 的脂质微泡，将其按一定浓度通过尾静脉注射入SD（Sprague-Dawley）大鼠体内，应用超声检测左心室造影成像效果。 结果证实了H2微泡在心肌缺血再灌注损伤中起保护作用，同时提出超声引导气体可视化治疗新思路。 因此，H2超声微泡法具有靶向性好及浓度高等优点，还可超声观察，但此方面研究还少，尚有待深入。

四、促进内源氢产生

除前述外源性给氢途径外，刺激内源氢的产生亦可达到供氢目的。 人体内源氢来源于体内细菌的糖酵解，主要来自肠道，给药方便且产H2速度快，具体方法包括口服药物（阿卡波糖、果糖等）及膳食促进（姜黄、牛奶等）。 但由于肠道菌群存在个体差异性，缺乏定量实验以及H2只能从肠道开始扩散，选择用此方法供氢时需考虑上述诸多变量。

Nishimura 等［34］研究显示给大鼠口服寡聚果糖可显著增加腹腔内及门静脉的H2浓度。口服寡聚果糖组腹腔组织（尤其是脂肪组织）中H2浓度是对照组的5.6～43 倍，而腹腔中H2浓度是对照组的11 倍。 给高脂饮食的大鼠连续喂养寡聚果糖或菊粉 （50 g/kg），28 d 可降低脂肪组织中核因子（nuclear factor，NF）-κB、IL-6 及 CCL2 基因表达水平，提示口服寡聚果糖可能通过促进内源氢产生， 并通过抗炎作用改善代谢综合征。 口服乳果糖亦可促进肠道内细菌产生H2，健康人在口服6 g 乳果糖70 min 后呼出H2浓度开始逐渐上升，至 180 min 后达到（38.0±4.2） ppm，但存在一定个体差异，其中14%健康人口服乳果糖后呼出H2浓度未见明显变化［35］。 研究者发现口服乳果糖可有效改善结肠炎小鼠肠道的组织结构损伤，并降低炎症因子水平，该保护作用可被抑制肠道菌群的抗生素所阻断。 此外，饮用牛奶比饮用富氢水能使呼出气H2含量达到峰值的时间延迟， 且能长时间维持高的呼出气H2含量且受乳糖不耐受影响。 内源氢还受生理条件的影响，有研究发现实验动物脱水时呼气H2含量上升。因此，内源氢研究需考虑乳糖及果糖不耐受，生理状况及肠道菌群的个体差异等［36］。

总之，各种供氢方式已得到研究，但其治疗的有效性及安全性仍需大量大样本前瞻性临床研究来进一步明确。 实际临床应用中尚存在不少问题有待解决，例如，针对不同疾病如何选择合适的供氢方式， 不同供氢方式所需的有效H2浓度、达峰值的速度、持续时间及用量等。 此外，含氢溶液中H2浓度的定量研究较少，且由于H2溶解度小并存在挥发问题，因此如何提高并保持含氢溶液的浓度成为一大难题，采用纳米技术有望解决。