氫氣在醫學領域的應用進展

劉星宇，趙國利，李雪婧

中石化（大連）石油化工研究院有限公司，遼寧 大連 116045

通常觀點認為氫氣是一種生物惰性分子。直到1975 年，Dole 等［1］發現吸入高壓氫氣（8 個大氣壓）可以有效抑制小鼠鱗狀癌細胞的生長，這是關于氫氣在醫學領域應用的首次報道。2007 年，Ohsawa 等［2］發現了氫氣選擇性清除羥基自由基和過氧亞硝酸鹽的作用機制，這一發現推動了氫醫學的快速發展。氫醫學，顧名思義是研究氫氣對疾病治療作用的一門新興學科。近十年來，隨著氫醫學的蓬勃發展，研究人員發現氫氣對多種與氧化應激、炎癥相關的疾病具有治療效果，如癌癥［3-4］、缺血再灌注損傷［5-6］、阿爾茲海默癥［7］、皮炎［8］、糖尿?。?］、哮喘［10］和慢性阻塞性肺?。?1］等，這與氫氣具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用相關。氫氣可以誘導一些抗氧化酶的表達［12］。研究表明經氫氣處理后，超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）［13］、血紅素氧化酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）［14］以及核-紅細胞系2相關因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）［15］的表達顯著增加，并且消除活性氧（reactive oxygen species，ROS）的潛力也顯著增強。炎性細胞因子是介導一系列先天免疫反應的信號分子，失調可能誘發多種疾病。典型的炎性細胞因子包括白細胞釋放的白介素（interleukins，ILs）和巨噬細胞釋放的腫瘤壞死因子（tumor necrosis factors，TNFs），它們均可以被氫氣抑制［16-17］。此外，氫氣還可以通過影響酶的表達來調節細胞凋亡。在一定濃度下，它可以增強抗凋亡的B 細胞淋巴瘤-2 蛋白（B-cell lymphoma-2，Bcl-2），抑制促凋亡的Bcl-2 相關X 蛋白（B-cell lymphoma-2-associated X protein，Bax）和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3，8，12（Caspase-3，8，12）［18］作為細胞凋亡抑制劑，同時也可以作為細胞凋亡誘導劑［19］。

隨著對氫醫學研究的不斷深入，納米氫醫學應運而生，即通過納米材料實現氫氣的靶向傳輸和可控釋放。該方法不僅能增強局部組織氫氣濃度，還能與其他傳統治療方式結合，增強療效的同時減少了不良反應。氫療法作為一種新型治療方法，廣譜有效且安全性高。氫氣作為內源性氣體遞質，無血液中毒風險，我國已于2014 年發布了氫氣作為食品添加劑的國家標準。2020 年，我國將氫氣療法寫入第七版和第八版新型冠狀病毒肺炎診療方案中。同年，氫氧混合吸入類設備作為三類醫療器械被批準上市?；诖?，本文介紹了釋放氫氣的不同形式，重點概述了氫氣對多種疾病的作用效果，旨在為拓展氫醫學的研究提供基礎。表1 總結了氫氣在動物實驗和臨床試驗中的治療作用。

表1 氫療法的適用病癥及研究對象Table 1 Applicable symptoms and research objects of hydrogen therapy

1 氫氣釋放方式

1.1 直接快速釋放氫氣

氫氣是一種無色無味的氣體，攝入人體后在血漿中的相對累積量較高，這使得其具有很高的生物利用度［35］。吸入氫氣作為一種最直接的治療方法，能在短時間內提供較大的攝入量。研究表明，氫氣濃度低于4%時不會發生爆炸，這使患者可以安全地吸入氫氣［36］。

此外，可以將氫氣加壓溶解在水中，使用鋁和氫氧化鈣作為氫氣生成劑，密封于聚對苯二甲酸（polyethylene terephthalate，PET）塑料瓶中，反應生成的氫氣通過止回閥進入瓶內的水中，即可制得過飽和富氫水［37］。目前，通常使用電解法制備富氫水，研究表明，交流電電解制備的富氫水中氫濃度為1.55 mg·L-1，接近理論最大值1.6 mg·L-1，其氧化還原電位和pH 與體液接近，該富氫水在98 ℃下可保存30 d 以上。Cheng 等［38］研究了富氫水對胃蛋白酶活性和結構的影響，發現氫分子通過蛋白質分子中疏水界面的局部變化與胃蛋白酶發生相互作用，可提高蛋白質的活性，并改變其力學性能（楊氏模量）。

氫氣還可以溶解于生理鹽水中。已有研究表明，用富氫生理鹽水低溫保存移植器官（如心［39］、肺［40］、肝［41］、腎［42］），能夠改善缺血和再灌注引起的器官損傷，降低器官移植風險［39］。此外，富氫生理鹽水可以用作白內障手術的洗液，保護角膜內皮細胞［43］。

1.2 可控持續釋放氫氣

直接攝入氫氣簡單快捷，但持續時間短，難以直達病灶?；谖⒓{米材料構建的氫氣釋放系統能夠持續釋放氫氣，有利于長期、精準給藥［44］。

已有臨床研究表明，植入鎂合金可用于骨修復［45］。鎂合金降解過程會釋放氫氣，且供氫能力（41.7 mmol·g-1）遠高于飽和富氫水（0.8 μmol·mL-1），有利于長期供氫。然而，鎂的降解速率過快，產生的大量氫氣會使患者出現皮下氣腫［46］。因此，可以通過制備微納米顆粒使鎂緩慢降解。Kong等［47］以介孔二氧化硅為殼層制備的Mg@p-SiO2納米粒子可以保護細胞免受氧化損傷，該納米粒子通過調節殼層厚度控制鎂的降解速率和氫氣的擴散速度，從而實現體內精準給藥，產生的氫分子會溶解在體液中，不會形成具有潛在危害性的氫氣泡。

軟骨細胞凋亡和巨噬細胞中產生的過量ROS會導致骨關節炎［48］，而氫分子的抗凋亡和抗氧化作用可以緩解骨關節炎的癥狀［49］。Wan等［50］將鎂粉包埋在聚乳酸-羥基乙酸（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）中，制備的Mg@PLGA 微粒用于治療骨關節炎。Mg@PLGA 微粒被注射到小鼠膝關節內，通過體液中Mg 的鈍化/活化循環實現原位持續釋放氫氣。氫氣的持續釋放能夠緩解組織炎癥，防止軟骨退化（圖1）。

圖1 Mg@PLGA微粒對骨關節炎的作用機理[50]Fig.1 The action mechanism of Mg@PLGA particles on osteoarthritis[50]

Wang 等［51］制備的MgH2-PLGA 微針貼片能夠與體液反應，生成的氫氣減少了ROS 的產生，改變了糖尿病患者的病理微環境，有助于加速傷口愈合。Ma 等［52］通過堿-熱處理法修飾金屬鎂的表面結構，以控制鎂的降解速率和氫氣的釋放速度。氫氣的持續釋放有利于長期清除自由基，進而抑制腫瘤的生長。

1.3 條件響應釋放氫氣

與正常細胞相比，腫瘤細胞的有氧糖酵解率高，產乳酸量多，細胞外液pH低，這些特點有利于腫瘤的靶向治療。氨硼烷（ammonia borane，AB）是一種酸敏感型制氫前藥，但易水解。Yang 等［53］以介孔二氧化硅納米顆粒（mesoporous silica nanoparticles，MSN）為載體，通過強氫鍵負載氨硼烷，制備的納米粒子（AB@MSN）不僅載氫能力高（65.3 mmol·g-1），且具有高度酸響應，在正常體液環境下（pH 7.4）不會產生氫氣。該納米粒子能有效抑制腫瘤生長，不影響正常細胞和組織，且生物安全性高。

氫氣作為一種強抗氧化劑，可以選擇性清除羥基自由基·OH 和過氧亞硝酸鹽ONOO-。Zhang等［54］制備了一種響應ROS 的含鎂微球（Mg@PLPE MS），用于治療椎間盤病變。該微球具有殼核結構，芯材為鎂顆粒，殼層為PLGA 和一種響應ROS信號的聚合物［poly（PBT-co-EGDM）］，該聚合物與過氧化氫反應后會由疏水化合物變為親水化合物，進而促使鎂與水反應生成氫氣，氫氣可以與·OH反應消除ROS。該微球既能控制氫氣釋放又能清除過氧化氫，還可以減少細胞外基質的降解和椎間盤細胞的凋亡，對椎間盤退變大鼠具有明顯的抗氧化和抗炎作用。

此外，光觸發給藥易于操作，可按需給藥。例如，Zhao 等［55］開發了SnS1.68-WO2.41納米催化劑，通過近紅外光催化生成氧化空穴和氫氣，空穴可以消耗腫瘤內過表達的谷胱甘肽，生成的氫氣和消耗的谷胱甘肽降低了癌細胞能量，破壞了氧化還原平衡，從而誘導腫瘤細胞凋亡。

2 氫氣在醫療領域的應用

2.1 腦和神經系統疾病

缺血性腦卒中及后期重新恢復血流灌注會使活性氧激增［56］，破壞神經元和神經膠質細胞，誘導脂質過氧化，引發神經炎癥和氧化損傷［57］。氫氣作為一種強抗氧化劑，可選擇性地減少具有細胞毒性的活性氧，以緩解缺血后大腦氧化應激的破壞作用［58-59］。表2 列出了氫療法對幾種腦和神經系統疾病的研究。

表2 氫氣對腦和神經系統疾病的治療作用研究Table 2 Research on the therapeutic effect of hydrogen on brain and nervous system diseases

多項動物實驗表明，吸入氫氣（1%～4%）可以改善腦梗［60］。Ono 等［23］進行了一項隨機對照臨床研究以評估氫氣對急性腦梗的治療效果，實驗組吸入3% 氫氣（每天2次，每次1 h），對照組進行常規靜脈藥物治療。結果發現氫氣組患者血氧飽和度得到明顯改善，無不良反應，這表明氫氣用于治療急性腦梗是安全有效的。

氧化應激引起的線粒體功能障礙會誘發阿爾茨海默癥（alzheimer's disease，AD）。然而，氫氣在AD 患者腦內的溶解度較低，難以持續高效積累。Zhang等［7］開發的PdH 納米顆粒載氫能力高，并且能在AD 大腦中原位持續釋放氫氣。由于Pd具有催化加氫作用，PdH 納米顆粒釋放的氫氣具有較高的生物還原性，有利于以自催化的方式高效清除自由基，減少淀粉樣蛋白的產生和聚集，恢復線粒體功能，阻斷突觸和神經元凋亡（圖2）。

圖2 PdH納米顆粒對阿爾茲海默癥的作用[7]Fig.2 The effect of PdH nanoparticles on Alzheimer's disease

此外，研究表明在阿爾茨海默癥轉基因模型中，富氫水可以防止神經元凋亡和突觸丟失，抑制淀粉樣斑塊沉積，減少高度磷酸化TAU 蛋白組成的神經元纖維纏節［61］。通過腦缺血動物研究了氫的神經保護分子機制，發現其有助于減少體內氧化應激，激活抗凋亡途徑，抑制神經炎癥，同時增強小膠質細胞的作用［62］。

2.2 心血管疾病

心臟驟停綜合征是一種復雜的病理生理過程，主要表現為腦損傷、心肌損傷以及全身缺血再灌注反應。自發循環的恢復會導致活性氧急劇增加，引起的氧化應激對心臟驟停綜合征的發生、進程和病理生理狀態起重要作用。

氫分子可以降低心臟驟停動物的氧化應激水平并發揮抗炎作用［63］。Tamura 等［20］評估了心臟驟停休克患者吸入氫氣后氧化應激標志物和細胞因子的變化，并對血氫濃度、血漿和尿液氧化應激標志物和細胞因子水平進行了測定，結果發現動脈氫濃度與吸入氫平衡，心源性休克患者氧化應激減少，細胞因子水平不變；膿毒性休克患者氧化應激水平不變，細胞因子水平降低。

He 等［34］開發了一種載氫微氣泡（H2-MBs）將氫氣靶向輸送至心肌缺血再灌注損傷區。微氣泡可以通過超聲成像系統進行跟蹤，并能有效釋放治療氣體。在常溫常壓下，該體系可顯著提高單位體積的氫氣濃度。心肌缺血大鼠在再灌注時全身給藥（H2-MBs）可顯著減少梗死面積并預防病理性重構。進一步分析表明，這種方法可以顯著抑制心肌細胞凋亡，減少心肌缺血再灌注時的心肌炎癥和氧化損傷。Katsumata 等［21］對ST 段提高型心肌梗死進行了研究?；颊呶?6% O2和1.3% H2，對照組吸入26% O2不吸入H2，經過6 個月隨訪，吸入氫氣組的左心房容積指數和左心室射血分數均優于對照組，這說明吸入氫氣能促進左心室逆重構，且安全有效。氫療法對心血管疾病的研究見表3。

表3 氫氣對心血管疾病的治療作用研究Table 3 Research on the therapeutic effect of hydrogen on cardiovascular diseases

2.3 糖尿病

Kajiyama 等［29］以2 型糖尿病和糖耐量受損患者為研究對象，探究了攝入富氫水對脂質和糖的代謝影響。通過口服葡萄糖耐量試驗評估氧化應激、胰島素抵抗和葡萄糖代謝的生物標志物，發現攝入富氫水后氧化型低密度脂蛋白、膽固醇和8-異前列腺素水平顯著降低，這表明補充富氫水有利于預防2型糖尿病和減輕胰島素抵抗。

糖尿病足潰瘍是糖尿病最常見的慢性并發癥之一，伴有長期炎癥、自主神經異常和細菌感染等癥狀，使糖尿病創面愈合困難。Chen 等［32］通過摻氫二氧化鈦納米棒光催化治療糖尿病患者傷口，利用高糖微環境中的葡萄糖作為犧牲劑持續地生成氫氣，同時消耗該部位的葡萄糖，通過抑制晚期糖基化終末產物的合成和受體的表達，減弱皮膚細胞的凋亡，促進皮膚細胞的增殖和遷移，使糖尿病患者傷口愈合更加簡便、安全、高效。Xu 等［65］開發了C3N4納米片包封水凝膠作為超聲催化劑，該方法生成的氫分子跨膜能力強，可以深入到致密的生物膜內調節細菌的能量代謝，從而從內部破壞細菌。同時，原位生成的氧化空穴有利于破壞生物膜的表面結構，影響電子傳遞，促進糖尿病創面的有效愈合。表4 總結了氫氣在臨床試驗和動物實驗中對糖尿病及其并發癥的治療作用。

表4 氫氣對糖尿病及其并發癥的治療作用研究Table 4 Study on the therapeutic effect of hydrogen on diabetes and its complications

2.4 癌癥

腫瘤靜脈的病理滲透和腫瘤的高滲透長滯留效應，使尺寸在10～200 nm 的納米藥物具有被動靶向抗癌能力。Kou 等［33］使用具有生物相容性的羧甲基纖維素（carboxyl methyl cellulose，CMC）包覆并穩定Fe 納米顆粒，合成的Fe@CMC 納米藥物在體內和體外均具有腫瘤內高蓄積能力、對酸高度敏感、優異的光聲成像性、選擇性抗癌效果以及生物安全性高等優點。通過靜脈注射該納米顆?？梢砸种颇[瘤生長，這主要是由于釋放的氫氣能夠調控能量代謝穩態。

Xia 等［66］通過介晶ZnS 納米顆粒聲催化完全分解水生成氫分子和氧分子，進而治療深部腫瘤。生成的氫分子能促進M2 型巨噬細胞向M1型極化，氧分子可以緩解腫瘤細胞內的缺氧環境，有效阻斷CD8+T 細胞免疫衰竭，從而激活免疫系統并實現抗腫瘤作用。Chen 等［25］對82 例Ⅲ期和Ⅳ期癌癥患者進行隨訪，發現吸入氫氣4 周后，41.5 %的患者身體狀況得到改善，其中肺癌患者的效果最好。在58 例腫瘤標志物異常升高的病例中，吸入氫氣后36.2%的患者標志物水平降低。Ⅲ期患者的疾病控制率明顯高于Ⅳ期患者（分別為83.0%和47.7%），吸入氫氣可以改善晚期癌癥患者的生活質量并控制癌癥進展。表5 總結了氫氣對多種癌癥的治療作用。

表5 氫氣對癌癥的治療作用研究Table 5 Research on the therapeutic effect of hydrogen on cancer

3 展望

本文總結了氫氣的多種釋放形式及其在醫學領域的研究進展。傳統釋氫方式簡單快捷，如直接吸入氫氣、飲用富氫水和注射富氫生理鹽水等，能在短時間內提供大量氫氣。隨著氫醫學的不斷發展，納米氫醫學開始嶄露頭角，通過納米材料可以實現氫氣的靶向傳輸和控制釋放，對深部疾病有更廣闊的應用前景。在應用過程中，可以根據實際情況選擇適宜的釋氫形式。氫氣易于應用，無不良反應，對氧化應激和慢性炎癥等相關疾病都具有顯著療效，其能清除自由基改善氧化應激，還原炎性細胞因子，并影響酶的表達，這些抗氧化、抗炎和抗凋亡作用使之對腦和神經系統疾病、心血管疾病、糖尿病和癌癥等疾病都具有良好的廣譜治療效果。但在進一步的研究中，還應考慮下列問題。

首先，關于氫氣的給藥和劑量方案缺乏統一的標準。如前所述，各種氫氣釋放形式已顯示出對多種疾病的治療效果，氫療法對健康的促進作用和對疾病的治療作用與劑量和作用時間密切相關，對于富氫水或富氫生理鹽水，在不同的研究中溶解氫氣的壓力、時間以及血氫濃度的測量方式存在差異，釋氫納米材料也面臨同樣的問題。因此，需要更多的研究來進一步確認動物和臨床研究中氫氣給藥的最佳途徑、劑量、藥代動力學、毒理和生物學，使氫療法的應用和評價更規范化。

其次，氫氣作用的確切分子靶點和機制尚不清楚。氫分子對細胞的作用研究正不斷深入，氫的抗氧化、抗炎和抗凋亡作用已得到廣泛研究，但各個途徑之間的關系仍不清楚。此外，盡管研究發現氫氣對多種基因和蛋白質存在調節作用，但需要進一步確認這些調節作用是氫氣抗氧化、抗炎作用的原因還是結果。為了更深入地研究氫氣的生理及病理作用，還應該對氫氣在生物體內（如血液、腦脊液等）的半衰期展開研究。

最后，氫療法的臨床研究范圍窄規模小。盡管目前已有一些氫氣的應用研究，但是多數處于動物實驗階段，相比之下，臨床研究較少，且大多數臨床研究均采用吸入氫氣或注射富氫水的方式，而氫氣溶解度低易揮發，納米材料釋氫能長時間維持一定的濃度，因此開展相關臨床研究更有利于治療深部疾病。氫療法作為一種對多種疾病廣譜有效的治療方法，為了實現對患者提供個性化治療，有必要進行大規模的前瞻性臨床研究，以針對不同疾病選擇合適的給氫方式。