氢气生物医学研究进展

赵鹏翔， 谢飞， 刘梦昱， ADZAVON Yao Mawulikplimi， 马雪梅

北京工业大学环境与生命学部，北京氢分子研究中心，抗病毒药物北京市国际科技合作基地，北京100124

很长一段时间，氢气在生物医学领域被认为是一种生理惰性气体，即不会对人体功能产生影响。但近年来的研究证明，逾百种疾病可能从使用氢气中获益。1975 年,美国学者 Dole 等[1]在《科学》报道，连续14天吸入8个大气压的氢气能够明显降低小鼠皮肤癌肿瘤的大小，这是在人类历史上首次发现氢气的医学效应。日本医科大学太田成男教授于2007年在《自然-医学》上发文证明吸入氢气可以有效减轻大鼠的脑缺血再灌注损伤，这一作用在人体实验中也被证实[2]。由于氢气是一种早就为人们熟知的气体，反应的产物只有水，对人没有任何毒性，氢气的疾病治疗作用意味着这种气体可能在医疗上有广阔的应用前景，因此这一研究迅速受到国内外生物医学领域的关注。

到目前为止，国际上已发表的氢气在生物医学领域应用的相关论文已经近两千篇，自2010 年后，氢气生物学研究领域获得的国家自然科学基金项目已经达到八十多项。目前氢气在医学领域的应用主要依据两点：一是安全性高，迄今还没有明显的毒副作用的报道；二是氢气对抗自由基损伤的作用，这方面有大量的动物实验和百余项人体试验研究数据。

安全性是氢气在医学领域得以应用的突出优势。氢气的安全性主要体现在以下几个方面：一是作为一种呼吸气体在潜水医学中已有很多应用[3]，人类曾经在20 大气压高于90%的超高浓度氢气环境中长期生活28 天未见明显不良反应，世界上最大潜水深度记录采用的就是呼吸氢-氧混合气的潜水方式，其安全性显著超过氧气。二是氢气本身就是人体内存在的一种内源性气体，1969 年Levitt 等[4]在《新英格兰医学杂志》报道人的肠道菌可以产生和利用氢气。三是氢气与其他物质反应后生成水，多余的氢气可通过呼吸排出体外，不会有任何残留。到目前为止尚无任何氢气对身体有毒副作用的报道。四是除我国外，目前还有包括美国、日本等多个国家已经将氢气列入食品添加剂名单中。总之，从目前研究结果来看，还没有氢气生理上不安全的报道，这也为氢气用于健康和医疗领域提供了保障。

大量细胞、动物模型和人类临床患者的研究先后证明氢气对多种疾病具有潜在的治疗作用。目前已经公开报道的氢气临床试验逾百项[5]，其中包括神经退行性疾病、代谢性疾病、心脑血管疾病、血液透析、炎症、肿瘤等。这些研究进一步确定了氢气对人体的安全性，表明氢气对某些疾病如脑梗病人康复、代谢性疾病（如糖尿病、动脉硬化以及这些疾病的并发症）、类风湿性关节炎、缺血再灌注损伤、电离辐射损伤和神经退行性疾病等均有一定的作用，对肿瘤辅助治疗具有一定价值，在创伤辅助治疗和急救辅助治疗等方面也显示了一定作用，特别是用于新冠肺炎治疗已进入国家诊疗方案。

日本已于2016 年将吸氢治疗心脏停跳综合征纳入“日本先进医疗B 类”体系，可用于治疗心脏心肌梗塞、心脏缺血再灌注、恢复心率等症状。氢氧混合气呼吸疗法已经被证实可以缓解慢性阻塞性肺炎急性加重，降低气体在支气管树中的流速阻力，提高氧气的利用率，减轻呼吸困难的症状，达到辅助治疗的作用。2020 年2 月2 日国家药品监督管理局批准“氢氧气雾化机”列入“国家创新”三类呼吸医疗设备，辅助用于需住院治疗的慢性阻塞性肺疾病急性加重期的成人患者的症状（包括呼吸困难、咳嗽、咳痰）改善。在我国应对新冠肺炎的过程中，国家《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第六、七、八版）》已经把氢气治疗作为推荐治疗方法。

本文将重点介绍氢气在代谢性疾病、神经退行性疾病、急救和创伤医学以及肿瘤领域的研究进展，希望对广大氢分子医学研究者提供参考。

1 代谢性疾病和神经退行性疾病

代谢性疾病和神经退行性疾病是常见的、多因素参与的慢性疾病，包括糖尿病、脂代谢紊乱、代谢综合征、肥胖、痛风、阿尔兹海默症和帕金森病等。近年来，代谢性疾病发病率和死亡率急剧升高，已成为备受关注的公共健康问题。目前已有大量动物和临床试验表明，氢气疗法对糖尿病、脂代谢紊乱、代谢综合征、肥胖、痛风和神经退行性疾病等均有一定的预防、保护和治疗作用，氢气介入在上述疾病中的临床试验研究汇总见表1。

表1 氢气介入在代谢性疾病和神经退行性疾病中的临床研究汇总Table 1 Summary of clinical research on hydrogen intervention in metabolic diseases and neurodegenerative diseases

1.1 氢气应用于糖尿病的临床及实验研究

目前关于氢分子对糖尿病的效应研究有许多，综合目前研究结果来看，氢气对糖尿病及其并发症，尤其是对部分2 型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）已经显示出良好的治疗效果。2008年，Kajiyama等[6]首次设计了一个随机双盲对照试验，30 名通过饮食和运动治疗的T2DM 患者和 6 名糖耐量受损（impaired glucose tolerance，IGT）患者通过氢气疗法进行干预，8 周后通过口服葡萄糖耐量试验对胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）、糖代谢及一些氧化应激的生物学标志物进行测量和评估。结果提示，氢气治疗有预防T2DM 和IR 的潜能。日本东北大学的Ogawa 等[7]开展了一项多中心、前瞻性、双盲、随机对照试验，该试验收录了50 名T2DM 患者，分为氢气治疗组和对照组，试验时间为3个月。结果表明，虽然氢气治疗组IR 水平下降，但与对照组相比并无统计学差异。然而在对患者进行分组比较后发现，对胰岛素抵抗严重（基础值HOMA-IR＞1.73）的患者，IR 指数发生了显著改善。相关结果提示，氢气疗法对胰岛素抵抗比较严重和处于氧化应激状态的患者效果最佳，而对胰岛素抵抗较弱的患者效果相对较弱，甚至无效。

此外，动物实验结果初步显示，氢气疗法对1型糖尿病（T1DM）有潜在治疗作用，有望作为替代胰岛素治疗T1DM 的选择[8]。同时，多项动物实验研究显示，氢气疗法对糖尿病的并发症，如视网膜病变[9]、勃起功能障碍[10]、心脏功能受损[11]、骨丢失[12]等有很好的改善作用。综上所述，氢气疗法对T2DM 患者尤其是胰岛素抵抗比较严重的患者效果较好，对于胰岛素抵抗较弱的患者效果较差。动物实验已经显示出对T1DM 患者的治疗潜力，但仍需临床试验证据支持。动物实验显示氢气疗法对糖尿病引起的并发症具有显著改善作用，但仍需要进一步的临床试验证据支持。

1.2 氢气应用于代谢综合征的临床及实验研究

目前已有多项动物和临床试验研究表明，氢气疗法对代谢综合征具有潜在的预防和治疗作用。Nakao等[13]在2010年对20名有潜在代谢综合征的患者进行8 周的开放性初步研究，以检验氢气疗法对潜在代谢综合征的有效性。从试验开始到第 4 周，HDL-c 增加 8%，总胆固醇/HDL-c 降低13%，该研究结果提示，氢气治疗可预防代谢综合征。国内泰山医学院秦树存教授团队[14]以20 个潜在的代谢综合征患者为研究对象，观察了氢气疗法对患者血清脂蛋白和生物活性物质的影响。研究结果显示，连续采用氢气治疗10 周后可显著降低血清总胆固醇（total cholesterol，TC）和低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平，载脂蛋白apo B100和apo-E 水平也显著降低，同时高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）功能显著提高，该试验结果证实了氢气疗法对潜在代谢综合征的有效性。最近LeBaron 等[15]对60 名代谢综合征患者（30 男30 女）进行了随机、双盲、安慰剂对照临床试验，初始观察期为一周以获取基线临床数据，然后随机分为安慰剂组和氢气治疗组，试验持续24周。结果表明，与安慰剂组相比，氢气治疗可显著降低血胆固醇和血糖水平，降低血清糖化血红蛋白，改善炎症和氧化还原稳态的生物标志物，同时也能促进身体质量指数和腰臀比的下降，该结果提示，氢气疗法可作为一种治疗代谢综合征危险因素的有效方法。

此外还有大量动物实验已经证实，氢气疗法对代谢综合征及其并发症具有很好的治疗作用[16]。综上所述，氢气疗法对代谢综合征具有潜在的预防和治疗作用，主要表现为缓解肾小球硬化和肌酐清除、改善肾脏功能、降低血浆TC 和LDL-C、改善HDL功能以及改善体脂构成等。

1.3 氢气应用于肥胖的临床及实验研究

氢分子对肥胖的作用目前已有动物和临床试验研究。最近一项双盲安慰剂对照交叉试验评估了氢分子对中年超重妇女体脂组成和激素状态的影响。对10名中年妇女，通过氢气疗法干预4周，结果表明，氢气疗法虽然对体重、体质指数和身体围度无显著影响，但可显著降低体脂含量、手臂脂肪指数、血清甘油三酯和空腹血清胰岛素水平[17]。此外，Kamimura 等[18]通过动物试验证明，氢气疗法可使糖原聚集在肝脏，显著减少肝脏氧化应激水平，改善db/db 大鼠和饮食引起肥胖的大鼠的脂肪肝症状，抑制体重增长，并降低血糖和甘油三脂水平。综上所述，氢分子对肥胖可能有改善作用，主要体现在降低体脂含量和血脂水平，这种改善作用还需更大规模的临床试验数据证实。

1.4 氢气应用于痛风的临床及实验研究

高尿酸血症（又称痛风）是由于人体嘌呤代谢紊乱，致使血液中尿酸含量增高引起的代谢性疾病，多见于男性。最近，一项临床试验证明了氢气疗法在治疗男性痛风中的有效性，该研究共入组67例男性高尿酸血症患者，其中37例采用氢气疗法进行干预，另外30例作为对照，干预时间为3个月。结果表明，氢气治疗组的舒张压、总胆固醇和尿酸水平出现显著性下降，尤其是尿酸水平在干预后下降最为显著，而对照组前后无明显变化[19]。此外，还有一些动物实验也证实了氢气疗法对痛风治疗的有效性[20]。

1.5 氢气应用于阿尔兹海默症的临床及实验研究

阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease,AD）又称老年性痴呆，最初表现为记忆力减退，是目前最常见的神经系统退行性病变，其病理特征是异常折叠蛋白如β 淀粉样蛋白（Aβ）和Tau 蛋白聚集沉积。Nishimaki等[21]采用随机双盲安慰剂对照临床研究对73 名轻度认知障碍患者采用氢气疗法持续干预一年，结果提示，对载脂蛋白E4 基因型携带者的轻度认知功能障碍患者，氢气治疗可能通过降低患者氧化应激水平进而改善疾病症状。此外，多项动物实验也证实了氢气疗法可改善AD大鼠学习、记忆能力和运动功能[22]。综上所述，氢气疗法对阿尔兹海默症有潜在治疗作用，尤其对携带APOE4基因型的患者效果更佳。

1.6 氢气应用于帕金森病的临床及实验研究

帕金森病（Parkinson’s disease,PD）主要的病理改变是中脑黑质多巴胺神经元变性死亡，导致中枢运动系统功能障碍。日本顺天堂医院的Yoritaka 等[23]开展了一项针对PD 患者安慰剂对照的随机、双盲、平行对照临床试验，17 例PD 患者（11 女，6 男）连续48 周进行氢气治疗后帕金森病统一评定量表（UPDRS）得分显著改善，而安慰剂组结果继续恶化，该研究初步证实了氢气疗法的安全性和耐受性良好，并能显著改善PD患者的生活质量。该团队还开展了另一项较大规模随机双盲安慰剂对照多中心临床试验[24]，178 例（89 女，89 男）PD 患者分为氢气治疗组和对照组，持续观察时间为80周，通过对不同时间点39项帕金森调查表（PDQ-39）和PD改良Hoehn-Yahr分级对帕金森症状进行评估，以确定氢气疗法的安全性和耐受性以及对PD患者症状的治疗效果，但目前该临床试验的结果尚未公布。此外还有多项动物实验证实氢气疗法可预防PD 模型大鼠的黑质纹状体变性，抑制DA 神经元丢失和功能下降，最终延缓PD 的发生和发展[25]。综上所述，氢气疗法在帕金森病治疗中已经显示出很好的潜力，其疗效的进一步确认目前还需大规模临床试验的证据支持，氢气疗法在未来很可能给PD患者带来新的希望。

2 新冠肺炎治疗

2.1 新冠肺炎引发的细胞因子风暴

目前在全球范围内累计新冠肺炎（COVID-19）确诊病例已超过1.92 亿人，死亡人数超过423 万人，严重危害着人类健康与经济发展。临床主要以对症治疗为主，氧疗、机械通气、经验性使用抗生素和奥司他韦，是目前使用的主要治疗手段，此外免疫球蛋白输注、糖皮质激素治疗、人工肺（extracorporeal membrane oxygenation, ECMO）等手段也被用到了一线治疗当中。COVID-19感染通常能够引起免疫系统的过度反应，该过程中涉及一系列免疫因子的上调和释放，引起细胞因子风暴，并在机体内部产生了形似自杀式的反应。因此，COVID-19重症病人救治难度及死亡率依然相当高，原因往往就是忽然加速的细胞因子风暴造成全身器官衰竭。同时，多数危重症病人存在痰不多但粘稠的特点，给呼吸机的应用造成较大难度。因而，重症患者治疗主要对症需考虑：一是抑制细胞因子风暴，二是减少气道阻力。

2.2 氢气应用于新冠肺炎辅助治疗的进展

氢气由于其分子量小、易扩散、抗炎抗凋亡，特别是安全性高等独特优点，《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第六、七、八版）》已经把氢氧气治疗作为推荐治疗方法，应用于新冠肺炎患者的辅助治疗，提出对病人“及时给与有效氧疗措施，包括鼻导管、面罩给氧和经鼻高流量氧疗。有条件可采用氢氧混合吸入气（H2/O2：66.6%/33.3%）治疗”（第八版试行）[26]。

在中国新冠病毒疫情流行期间，氢氧混合气也成为抗击病毒的重要武器，已开展多项临床研究。氢氧混合呼吸辅助新冠肺炎治疗的随机临床试验（NCT04378712），共入组90 例病人（44 吸氢氧气，46 吸氧气），研究发现，氢氧混合气（H2/O2：66.6%/33.3%）吸入能迅速改善病情，提高病毒感染患者预后[27]。哈医大四院的杨巍教授团队等对40 名新冠病人（中国临床试验注册中心注册号：ChiCTR2000030258）进行氢气吸入治疗（20 纯氢吸入，20 对照组）。结果表明，吸入氢气能明显改善新冠肺炎患者症状，无论基线疾病严重程度如何，在治疗结束时，新冠病人发热、呼吸困难、肝肾功能、肺炎变化的改善都更显著。试验有效率达到100%，试验组无转成重症患者。

2.3 氢气辅助新冠肺炎治疗的优势

2.3.1 呼吸氢氧混合气减少气道阻力 根据气体密度越小流动所需驱动压越小的原理，达到相同的通气量，空气所需的驱动压力约为氢-氧气的2.44倍，纯氧所需的驱动压力约为氢-氧气的2.69倍。吸入氢氧混合气可以改善气道阻力，增加氧气弥散度和氧流量。

2.3.2 容易实现 氢气机通过电解水产生，随用随时打开机器就可以呼吸，方便简单。在实施上容易实现，不会对现有治疗产生干扰。

2.3.3 安全性好 氢气具有抗氧化、抗炎症和抗凋亡等生物学作用，且不同于任何药物，其体内代谢产物只有水，其对人体的安全性得到广泛认可。

2.3.4 抗细胞因子风暴功能强 氢气具有抗氧化、抗炎症和抗凋亡的生物学效应，在新冠肺炎辅助治疗中具有缓解炎症风暴和组织损伤的潜在应用价值。大量的临床和实验研究发现，氢气可以缓解多种组织器官中的炎症反应，降低炎症因子水平和氧化应激相关蛋白水平，减少病灶组织炎症损伤的发生。北京工业大学在严重创伤的研究中发现，急性创伤期呼吸氢气能够使细胞因子风暴得到极大抑制，伤口愈合大幅提前（未发表数据）。大量研究也证明氢气对活性氧爆发造成的炎症反应具有明显的抑制作用。Ishibashi 等[28]研究发现，类风湿性关节炎患者氢气治疗后，机体氧化应激反应及炎症反应得到改善，患者的关节炎症状得到缓解。Chen 等[29]给予结肠炎模型BALB/c 小鼠氢气治疗后发现，结肠TNF-α、IL-1β、丙二醛（malondialdehyde，MDA）和髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO）水平均降低，提示氢气可通过降低炎性因子的表达水平减轻小鼠结肠炎症状。Ren等[30]给予急性胰腺炎模型BALB/c小鼠氢气治疗后，结果表明氢气可通过降低小鼠 NF-κB、TNF-α、IL-1β的水平发挥急性胰腺炎治疗效果。

2.3.5 改善患者呼吸系统反应症状及抑制系统性免疫风暴 在改善呼吸系统方面，氢气的保护作用研究是最早起步也是研究最多的。大量的实验研究显示，氢气对于肺缺血再灌注损伤[31]、机械通气相关肺损伤[32]、脓毒症相关肺损伤[33-34]、高氧性肺损伤慢性阻塞性肺病[35]、支气管哮喘[36]等均有很好的治疗效果。在以往呼吸系统疾病的应用研究中，氢分子介入尤其是通过呼吸高浓度氢气的方式，已经发挥了非常显著的治疗效果。除大量动物实验外，目前已有的氢分子应用呼吸系统疾病的临床试验，包括支气管扩张症（ClinicalTrials.gov ID：NCT02765295）、气管狭窄（NCT02961387）[37]、重度哮喘（CT02883582），以及重度慢性阻塞性肺疾病（NCT02850185）研究，临床效果显著，且无副作用。因此，氢气在改善新冠肺炎患者呼吸道相关症状的应用潜力巨大。

综上所述，目前已有的临床和实验研究数据均已证实，氢气可以作为一种清洁、便利、无污染的治疗手段，通过抗炎、抗凋亡、抗氧化应激等生物学效应，抑制新冠肺炎患者细胞因子风暴，从而减少重症转化的比例；同时通过对呼吸系统功能的改善，减轻患者呼吸窘迫等症状。这一治疗方式也将有望在更多的传染性疾病和炎症免疫反应疾病中得到应用。

3 创伤和急救医学

缺血再灌注（ischemia-reperfusion，I/R）损伤是组织或器官经历一段时间缺血之后，由于血液和氧气重新供应所导致的继发性损伤。缺血再灌注引发的组织损伤涉及多种病理类型，包括心肌梗死、缺血性脑卒中、急性肾损伤和肠缺血等。此外，缺血再灌注损伤也是器官移植、心胸外科、血管外科、创伤医学等领域亟待解决的难题。2007年日本科学家太田成男报道，呼吸氢气对脑卒中缺血再灌注损伤的治疗效果显著[38]，这是氢气应用于脑卒中治疗的第一项实验研究，也进一步提示，氢气很可能在急救医学中发挥重要作用。该研究也成为氢医学快速发展的奠基性工作，氢气受到了更广泛的关注。已有的临床试验和动物学研究均显示，利用其抗凋亡、抗氧化等生物学效应，通过早期介入氢气治疗，有望能够减轻脑梗、心梗、心肺复苏和复苏后综合征等造成的组织、器官损伤，并发挥神经保护功能，从而达到对该类患者急救和争取康复时间的目的。表2 汇总了有关氢气用于治疗缺血再灌注损伤相关疾病的临床试验。

表2 氢气介入缓解缺血再灌注损伤的临床研究汇总Table 2 Summary of clinical studies on hydrogen intervention to relieve ischemia-reperfusion injury

3.1 氢气应用于脑卒中治疗的临床及实验研究

脑卒中是全球致残、致死的首要原因之一，而缺血性脑卒中占所有卒中的80%以上。由于脑卒中的危险性巨大，致死率较高，因此氢气应用的相关临床试验开展存在较大困难。一项关于脑干梗死的无对照临床试验（通过日本西岛医院伦理委员会审批）对比了常规药物依达拉奉单用组（26人）与氢气联用依达拉奉（8 人）的效果，MRI 和临床指标结果显示氢气与依达拉奉联合使用可以明显减少病人恢复正常的时间[39]。

另一项日本学者的临床研究中[2]（JMACCT ID:JMA-IIA00142），采用随机对照临床研究，对氢气在治疗轻度-中度严重性急性脑梗死患者的安全性和有效性进行了评估。综合各项检测指标显示，氢气吸入治疗对急性脑缺血患者脑组织恢复、神经功能改善和生活质量都有显著的效果。以上结果提示氢气治疗急性脑梗死可能是一种安全有效的治疗手段。

氢气的疗效在不同模型的动物实验中被广泛验证，有学者研究证明，在大鼠脑缺血及冠状动脉缺血模型中，吸入氢气具有很强的抗氧化作用，对于减少脑缺血再灌注损伤导致的脑梗死效果显著，其治疗脑缺血的效果类似免疫抑制剂FK-506[40]。其他全脑缺血性卒中治疗中，氢气仍然能够显著降低病死率。Nagatani 等[41]利用双侧颈总动脉栓塞法建立全大脑缺血模型，发现氢气治疗组7 天生存率对比对照组提高至50%，且氢气可通过阻断细胞自噬减少脑细胞凋亡。急性脑干梗死模型的研究中，造模后10～11天，氢气组MRI显示梗死区可显著恢复[42]。出血性脑卒中尽管发生率较缺血性脑卒中小，但颅内出血情况发生后往往更加凶险。出血性脑卒中后24 h和72 h血脑屏障破坏和脑水肿较为明显。Manaenko 等[43-44]研究发现，氢气呼吸可以改善出血性脑卒中小鼠24 h 后脑水肿程度，改善神经功能，推测氢气在该疾病中发挥急性保护作用；进一步的细胞水平研究中，显示呼吸氢气可以促进组织肥大细胞激活，保护血脑屏障，从而减轻脑水肿。

3.2 氢气在心肌缺血急救中的应用研究

心脏骤停（cardiac arrest, CA）是全球人类面临的重要疾病之一，世界上平均每天约有1 万人发生心脏骤停，其中心梗也是产生CA 的原因之一。造成CA 患者复苏后死亡的主要原因是复苏后综合征，即自助循环恢复后因全身缺血再灌注引发的多器官功能障碍或衰竭。由于氢气在缺血再灌注损伤中强大的保护作用，因此是进行心肌缺血急救的理想方案之一，相关的临床试验较多在日本开展。

Yoshinori 等开展的一项较早的临床研究中，评估了吸入氢气预防经皮冠状动脉介入治疗后的急性心肌梗死患者再灌注损伤的安全性和有效性（UMIN000006825）[45]。结果发现，氢氧混合气安全性良好，在心梗急性期，吸入氢气并不能有效减少梗塞面积；而在心肌梗死后1周和6个月获得的心脏磁共振成像数据比较显示，氢气组患者左心室搏动量明显增加，提示氢气对于心梗再灌注损伤的保护作用。最新的一项临床研究中，Tomoyoshi 等[46]对5 名心脏骤停后成功复苏的患者（UMIN000012381）氢气吸入后不同时间点的动脉血液中氢气浓度、氧化应激指标和细胞因子水平进行了检测。结果显示，氢气疗法对于心脏骤停急救有一定的应用前景，但由于研究样本量较少，日本学者目前正在对氢气吸入治疗心脏骤停综合征开展大规模临床研究（UMIN000019820）[47]，尽管目前还没有最终结果的报道，但结合大量动物学实验和前期病例报道，预计结果将会较为显著。

吸入氢气用于室颤大鼠的心肺复苏研究中，发现氢气能减轻缺血再灌注损伤，保护神经功能[48]。在窒息大鼠的心肺复苏研究中，发现氢气同样可保护复苏后大鼠的神经功能[49]。2014 年，Drabek 等[50]发现呼吸氢气对实验性心脏骤停后复苏导致的脑损伤具有明显保护作用。呼吸氢气在心脏发生室颤后6 min进行，能明显提高动物存活率、减少神经组织损伤、保护神经功能。这种效果和低温的治疗效果类似。氢气联合传统低温治疗CA 的大鼠模型中，大鼠CPR 后，氢气联合低温治疗组优于单独低温组的治疗效果，表现出全身性炎症反应降低（IL6 等）、较好的左室舒张末期压和肺气肿、心肌细胞变性衰减的减轻等[48]。另一项兔CA模型研究中，CPR后高剂量氢气组72 h存活率显著改善，减少了神经元损伤和血浆氧化标志物的表达[51]。日本已于2016 年将吸氢治疗心脏停跳综合征纳入“日本先进医疗B 类”体系，可用于治疗心脏心肌梗塞、心脏缺血再灌注、恢复心率等症状。

3.3 氢气应用于创伤治疗的临床及实验研究

与国内外创伤治疗策略相比，氢分子展示出更大的优势和更好的应用前景。已有的研究显示，氢分子尤其在抗炎、抗氧化、抗凋亡等方面有益于创伤修复。一项氢气介入治疗软组织损伤的临床研究中（NCT01759498），受试者在软组织损伤24 h内立即接受治疗，持续治疗2周后，对比正常处理组和正常处理联合氢气治疗组治疗效果。研究发现，氢气联合治疗组患者血清黏度降低，受伤肢体活动性增强，屈伸程度恢复至正常关节活动范围的时间缩短，提示氢气在创伤治疗中有广阔的应用前景[52]。在皮肤损伤修复的研究中已经发现，氢气能够通过抑制 JNK、NF-B、TNF、Bax/Bcl-2、ASK-1 等炎症、凋亡信号通路，有效改善动物腹部/背部皮瓣等缺血再灌注损伤[53]。氢气还能够通过抗炎、抗氧化作用，促进烧伤皮肤损伤修复[54]，加速口腔伤口愈合[55]，以及抑制成纤维细胞氧化应激损伤与凋亡[56]。

外伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）的致死率和致残率较高，成为儿童、中青年人群和战场上最主要的死亡原因之一。TBI 存活者通常表现为学习能力和记忆力下降。TBI 大鼠可出现脑水肿、神经系统功能障碍和重塑时间延长等改变，其中氧化应激是导致以上病理改变的重要因素。已有研究证实，吸入氢气可以降低TBI 大鼠脑组织中的氧化产物，提高抗氧化酶的活性，改善脑水肿和神经系统功能障碍[57]。氢气对液压冲击后的大脑保护作用研究中，提示氢气可使抗氧化调节因子升高，突触可塑性、学习记忆力和认知功能均有所改善[58]。本团队研究也发现，吸入氢气对于急性TBI 大鼠脑损伤、细胞凋亡和神经系统的功能恢复均有良好的治疗效果[59]。

综上可知，氢分子具有显著抗炎、抗氧化、抗凋亡能力，有望应用于多种缺血再灌注引起的损伤疾病包括心梗、脑梗、创伤等的辅助治疗。而氢气具体治疗策略和效果的确认，仍需要进一步大规模临床试验的验证。

4 肿瘤辅助治疗

1975 年顶级学术期刊《科学》上的研究发现，连续呼吸高压氢氧混合气可有效治疗动物皮肤恶性肿瘤。研究中，通过将小鼠放入氢氧高压仓内进行治疗，其中氢气含量高达97.5%，连续呼吸14 天后，小鼠的恶性皮肤肿瘤得到有效治疗[1]。随着近年来氢分子效应研究呈爆发式增长，大量结果证明氢分子在肿瘤中能够起到一定的辅助治疗作用，如可以有效缓解传统放化疗引起的副作用，也具有直接抑制肿瘤细胞生长的生物学效应，这些研究结果提示将氢分子应用于临床治疗具有巨大潜能，最新的研究发现氢能够改善癌症患者的临床试验终点及其替代标志物。同时，由于氢的相对分子质量极小，容易穿透各类膜组织，可以直接与蛋白质及相关效应因子发生作用，因此在肿瘤治疗的研究中，氢分子可能通过多种方式起到“减毒增效”抑制肿瘤的作用。

4.1 氢气对化疗药物的“减毒”作用

已有研究中使用氢气联合多种抗肿瘤药物进行了研究，获得一定进展。胃肠道肿瘤常用mFOLFOX6化疗方案，其中包括亚叶酸钙、5-氟尿嘧啶和奥沙利铂多种药物联用。Yang 等[60]对144名（41～86 周岁）患者随机分为两组，氢气治疗组（n=76）和安慰剂组（n=60），氢气治疗组在使用化疗药物前后，患者肝功生理指标（ALT、AST 和IBIL）没有明显变化，维持了生理指标的平稳，而安慰剂组患者的ALT 和IBIL 水平经过化疗药物治疗后发生明显变化。结果提示氢分子能够有效保护化疗患者的肝功能[60]。这些结果提示在多种药物联合作用的情况下，氢对正常组织器官具有一定的保护作用。

4.2 氢气在放疗治疗中的“保护增效”作用

放疗、化疗和手术是肿瘤治疗的三大手段，特别是大部分恶性肿瘤的治疗，手术切除联合放化疗仍是现今主要的治疗方案。放疗后常常会产生胃肠道功能紊乱的副作用，患者往往出现恶心呕吐、厌食等症状，生活质量严重下降。来自韩国的临床研究结果发现，氢气在化疗中起到保护作用。研究选取了49 名肝癌或转移性肝肿瘤患者，其中包括33名男性和16名女性，通过给予患者氢治疗来研究氢对癌症患者放射治疗后的生活质量改善。结果显示氢治疗6 周后，参照欧盟QLQ-C30 评价体系进行评分，患者的生活质量显著提高，体内的抗氧化水平升高，活性氧自由基水平下降，同时放疗对氢治疗组患者产生的抗肿瘤作用没有受到影响[61]。

2019 年由中国工程院院士汤钊猷主持，广州复大肿瘤医院院长徐克成主编，多位医学界著名学者和临床实践家共同参与完成的《氢气控癌：理论和实践》专著中报道了近百例居家吸氢的癌症患者的随访记录[62]。通过82 例进展期癌症患者的真实世界研究（real world study, RWS）发现，呼吸高浓度氢气能够发挥多种生物学效应。如男性食管癌患者、84岁女性胃癌患者和56岁肝癌男性患者在放化疗治疗时联合每日吸氢，体内肿瘤体积显著减小，肿瘤进展得到控制。使用呼吸氢气治疗进行的RWS 主要选取有病理证实的Ⅲ和Ⅳ期癌症患者，对结果进行统计学分析表明，有57.1%的Ⅲ期患者和36.1%的Ⅳ期患者获得体能改善，生活质量得到一定提高。其中呼吸氢气2～4 周后，患者的生活质量，包括气促、食欲不振、易疲劳、失眠以及便秘腹泻等得到有效改善。长期吸氢后（≥3 个月），癌症患者特别是肺癌患者的体能得到了较明显的提高，同时肿瘤标志物的表达也显著降低，癌症的进展也得到一定的控制（Ⅲ期患者肿瘤稳定率达到84%，Ⅳ期患者稳定率达到49%）。同时，所有随访患者中有36.2%的肿瘤标记物降低，通过比较发现吸氢联合其他治疗的患者较单独吸氢患者肿瘤标志物水平下降更明显，达到42.5%。这些结果提示，氢气可能从三个方面发挥作用，即术前应用辅助后续治疗、协助放化疗起到“减毒增效”作用以及单独吸氢稳定肿瘤作为替代性治疗。癌症患者吸氢治疗的真实世界研究，为氢气应用于临床治疗奠定了重要的实践基础。

4.3 氢气在肿瘤免疫治疗中的促进作用

肿瘤患者体内存在着一种免疫逃逸机制，人体免疫T 细胞表面存在着一种蛋白质受体PD-1，当它与正常细胞表面的PD-1配体结合后，可识别并避免对正常细胞的误伤，而肿瘤细胞表面也可产生 PD-1 配体，与 T 细胞的 PD-1 受体结合后，使T 细胞将肿瘤细胞误认为正常细胞而产生免疫逃逸。因此，肿瘤患者体内PD-1 阴性免疫T 细胞作为一类预后生理指标，代表了较好的无进展生存期和较长的总体生存时间。由此机制的发现研制的PD-1 免疫治疗药物也成为近年来治疗肿瘤的有力手段。2019 年来自日本的临床研究发现，呼吸氢气对肿瘤免疫治疗能起到一定的辅助作用[63]。自2014—2017 年，该项临床研究中共招募了55 名晚期结直肠癌患者，联合化疗并每日居家呼吸氢气3 h。通过对患者外周血检测，发现呼吸氢气后，癌症患者体内具有免疫活性的PD-1阴性T 细胞数量增加，患者的无进展生存期和总体生存时间都得到了一定改善，提示呼吸氢气在肿瘤免疫治疗中具有一定的辅助作用。

4.4 氢气作用肿瘤的生物学效应的基础研究进展

4.4.1 氢分子联合放化疗的研究 目前体内体外研究已证明，氢分子在肿瘤治疗中主要产生3 种生物学效应：①对放化疗不良副作用的缓解作用；②与辐照治疗的协同作用；③对肿瘤形成及肿瘤细胞生长的抑制作用。在氢分子联合放化疗治疗中，研究发现肺癌化疗常用吉非替尼和广谱抗肿瘤药物顺铂与氢气联用后，实验动物的组织器官炎症得到缓解，肿瘤模型小鼠的体重及生存率也得到提高，且对化疗药物的药效产生明显的影响[64-67]。这些结果提示在多种药物联合作用的情况下，氢气对正常组织器官具有一定的保护作用。关于氢气缓解化疗引起的损伤研究中，对大鼠进行44 Gy 照射诱导皮肤损伤，结果发现与对照组相比，氢气组大鼠具有较高的抗氧化活性，同时损伤皮肤愈合速度也较快[68]。研究发现对腹部放射治疗的小鼠给予氢气处理后，小鼠的胃肠道功能得到显著改善，胃肠道动力及免疫水平相关基因也得到上调[67]。氢气联合近红外辐照治疗后，氢分子也显示了其增效的治疗效果[69]。

4.4.2 氢分子对肿瘤的抑制作用研究 随着近年来对氢分子医学的关注，越来越多的研究发现氢分子对肿瘤的形成及肿瘤细胞的生长具有一定的抑制作用。有研究使用次氮基三乙酸铁注射诱导大鼠肾损伤及引发早期肿瘤形成，结果发现氢分子不仅能够保护大鼠肾脏组织，同时还能抑制大鼠体内多种肿瘤相关蛋白的表达，降低了肾细胞瘤的发病率并抑制肿瘤的生长[70]。同时，肝癌是我国最常见的肿瘤之一，由于多种原因刺激导致的非酒精性脂肪性肝炎是肝癌的诱因之一。小鼠体内模型显示，经过氢处理后，肝脏胆固醇等肝功生理指标趋于正常，小鼠表现出较强的抗炎症、抗氧化应激和抗凋亡水平。同时发现氢气组小鼠肿瘤成瘤率及肿瘤大小均低于对照组及阳性对照组，上述结果均表明氢分子具有降低器官损伤和肿瘤发生率的生物学效果[71]。同时，氢分子还能够直接抑制肿瘤细胞的增殖。针对肺癌细胞的研究表明，氢气能够抑制肿瘤细胞增殖、迁移及侵袭，体内实验结果也证明呼吸氢气能够显著降低肿瘤的生长及肿瘤细胞增殖指标Ki67、VEGF 和SMC3 的表达。这些结果提示氢气有望作为一种新的治疗方式应用于肺癌的治疗[72]。

随着氢分子作用肿瘤细胞并抑制其生长现象的发现，氢分子如何作用于肿瘤细胞成为近年来的研究热点，氢分子对肿瘤干细胞的抑制可能是其作用的关键。CSCs 是一类具有持久的自我更新能力、能够持续增殖并具有多向分化潜能，在二次移植后仍能起始肿瘤形成的细胞，是肿瘤复发、耐药且难以治愈的重要原因。研究发现人卵巢癌细胞经过氢分子处理后，难以形成肿瘤球，同时细胞Ki67 和CSCs 标志物CD34 及血管生成水平均受到抑制，肿瘤细胞的增殖能力、侵袭水平及迁移能力显著下降。将人源肿瘤细胞异种移植入免疫缺陷小鼠中，呼吸氢气治疗后，小鼠皮下肿瘤形成大小明显小于对照组[73]。本研究团队最新研究发现氢气对肿瘤的抑制是通过促进肿瘤干细胞分化产生作用的。研究中对恶性脑胶质瘤模型和肝癌原位模型及人源皮下异种移植模型小鼠进行呼吸氢气处理，均发现氢分子对肿瘤形成的抑制作用，同时实验动物的生存时间得到延长。体外细胞实验也证明氢分子处理后，肿瘤干细胞特性指标均显著降低，进一步研究发现氢分子能够促进肿瘤干细胞分化从而抑制其高侵袭等干细胞特性[74]。这一发现也为氢分子在放化疗中“减毒增效”的作用机制起到重要的提示作用。目前，在国内外已申请或开展多项氢气在肿瘤相关疾病的临床干预性研究，临床项目汇总见表3。

表3 氢气应用于癌症治疗的临床研究汇总Table 3 Summary of clinical studies on the application of hydrogen in cancer treatment

大量研究、临床试验以及真实世界随访记录表明，氢气在多种肿瘤中具有辅助治疗作用。经过氢分子参与治疗的体内外结果表明，氢分子能够抑制体内活性氧自由基、恢复线粒体功能、提高抗氧化和抗炎能力，起到保护正常组织器官的作用，同时氢分子还能够对肿瘤细胞起到一定的抑制作用（表4）。氢分子在肿瘤治疗中起到的多种生物学效应提示，氢分子可能通过改造肿瘤微环境发挥对癌症的控制作用。大量研究均已证明肿瘤的复杂性及特异性，因此针对个体采取有效的治疗方式成为肿瘤治疗的难点，而氢分子有望通过调节整个个体及微环境产生作用，为未来将呼吸氢气应用于各种不同肿瘤的辅助治疗提供了新的思路。

表4 不同氢分子介入方式在多种肿瘤辅助治疗中的研究汇总Table 4 Summary of studies on the intervening mode of hydrogen in cancer adjuvant therapy

5 展望

尽管氢气生物医学已经迅速发展，但氢气更加广泛的临床应用仍然受到诸多因素的制约，如氢气的剂量效应研究有待深化，氢气医学的临床研究规模还较小，多数研究提示了氢气对健康具有正面的改善作用，大量人群应用氢气的真实世界资料汇集也提示氢气的“神奇”功能，这在医学界是少见的现象。但是对于氢气为什么具有这种“非药治多病”的功能在学术界尚有争论，因此更为深入的基础研究和大规模临床试验对于氢气医学更好地造福人类至关重要。

这些疾病的机理完全不同，氢气如何发挥作用是氢医学的核心问题。

人们对于氢气生物医学功能的认识经历了“从惰性到神奇”的转变。惰性和神奇是两个极端，却将氢分子反应活性弱以及生物活性强的特性准确地描述出来。惰性和神奇预示着氢气可能在最基础的生命过程层面发挥作用，而非氢气和自由基简单的化学反应。从化学的角度，氢气是惰性的，氢气如果在生物体的温和条件下发生化学反应则应该是与高氧化性的物质反应，所以研究人员多联想到羟自由基。氢气和羟自由基发生反应清除自由基发挥抗氧化功能，这一假说分别在《科学》（1975）[1]、《自然》（1996）[79]和《自然-医学》（2007）[39]上被提出来，到目前也是氢气生物学机理方面被普遍接受的观点。但是这一假说无法绕过去的问题是体内存在众多可以与自由基反应的高反应活性物质，氢气在数量和反应能力都弱很多的情况下如何优先与自由基发生反应？

我们的观点是，氢气是生命的基本元素，很有可能在最基础的生命过程层面发挥作用，已有研究从线粒体、生物酶和细胞膜功能等角度提供了初步的实验证据。

回到生命产生之初，地球是一个富氢的环境，含有40%的氢气，没有氧气，生命在这样一个环境下起源和进化，必然带上氢气的烙印。目前地球上依然有90%以上的生命（主要是微生物）保留有代谢氢气的能力，也就是具有分解和产生氢气的能力，这也从另一方面提供了证据。我们的肠道微生物每天都在产生和利用氢气，即我们的细胞一直都是沐浴在氢气中的。真核生物是从微生物进化而来，在最基础的生命过程层面保留氢气的痕迹是合乎逻辑的。

2020年，马雪梅等[80]提出，高等生物可能具有氢化酶活性，也就是合成氢气和分解氢气的吸氢酶和放氢酶活性，线粒体电子传递链上的酶可能是氢气作用的重要靶点之一。在植物线粒体的研究中我们定位复合物Ⅰ为最有可能产生氢气的位点[81]。在动物细胞的研究中，我们发现氢气处理可以明显增强多种细胞线粒体的膜电位，表明氢气促进了质子梯度的形成。

这一假说与目前主流的氢气选择性清除毒性自由基理论完全不同，表现在以下几个方面。

①氢气和抗氧化。很多研究已经发现氢气具有抗氧化作用。线粒体的电子传递链是细胞氧化应激产生自由基主战场，常规理论认为氢气是在自由基产生之后去清除自由基，但我们认为氢气的主要作用是通过调节线粒体来调节自由基产生的“阀门”发挥对抗自由基的作用，氢气对保持细胞的稳态发挥重要作用。两者比较，调节阀门的作用会更强大，特别是在缺血再灌注等自由基的急性爆发期。

②氢气和能量。线粒体是细胞的能量工厂，如果氢气在“生命能量”中发挥作用，那么它将超越所有分子（包括抗氧化剂），和氧气共同构成高等生命细胞能量代谢的核心。

氧气的作用是在线粒体能量代谢的最后一步接受电子形成水，是进化过程中的一种高效能量利用方式。氢气作为能量则更久远，在没有氧气的时候就已经存在，并且形式也更多样，氢气可以与众多的物质构成提供和接受电子的氧化还原对，从而与能量代谢联接。随着高等生物的进化和氢气在地球上的减少，高效的有氧能量代谢占据主导地位，并带给高等生物进化上的优势，但伴随而来的副作用则是强氧化自由基的产生，动物体衰老的自由基假说因此诞生。抗氧化被广泛接受，成了抗衰老追求长寿的法宝。氢气的选择性抗氧化假说也因此一经提出就广泛被大众所接受。

如果氢气以能量分子的形式存在，这无疑是对现有理论的颠覆。但是这可以解释“氢气作为还原剂通过和自由基反应清除自由基”这一假说无法解释的很多现象，比如：多个用氢后白发返黑的案例、氢气“减肥”、氢气对肿瘤放化疗的“减毒增效”作用等。

线粒体位于整个细胞能量代谢网络的中心，氢气对能量代谢的调节必然传递到细胞的各类信号通路。衰老主要体现在线粒体的老化，脂代谢、糖尿病、神经退行性疾病等疾病的核心也在能量代谢，因此，氢气对这类疾病产生影响也就容易理解了。肿瘤从某种意义上讲也是一种代谢异常疾病，例如肿瘤细胞的线粒体代谢功能会被抑制，我们的研究显示氢气可以通过基于线粒体的代谢重编程“改造癌细胞”，这是氢气辅助肿瘤治疗的核心。

③氢气和进化。线粒体被认为是内化到细胞中的古老生物体，它的祖先具有代谢氢气的氢化酶功能，人们普遍认为线粒体的氢化酶功能随着进化丢失了。氢气的生物学机制还没有取得共识，我们认为高等生物的氢化酶功能并没有丢失，只是在目前氧气浓度很高的环境下被抑制隐藏起来了，合适的条件下依然会发挥作用。

另外，细胞膜上可能具有代谢氢气的酶活性[80]，离子通道也受到氢气的调节[82]，氢气影响生物酶的活性[83], 这里边蕴含的生物学意义也是未来重要的探索方向。

我们提出高等生物具有基于氢化酶的氢代谢,特别是线粒体的氢代谢功能，如果这一假说最终能被确证，人们对于基础生物学的理解，对于医学的理解，可能都需要重新思考，氢气的作用可能正是由于发生在最基础的生物学过程层面，所以影响深远。只有深入解析氢气生物学作用的机制，才能更好地利用这一宇宙中最简单的分子。