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(rèn)為氫氣是一種生物惰性分子。直到1975 年，Dole 等［1］發(fā)現(xiàn)吸入高壓氫氣（8 個大氣壓）可以有效抑制小鼠鱗狀癌細(xì)胞的生長，這是關(guān)于氫氣在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的首次報道。2007 年，Ohsawa 等［2］發(fā)現(xiàn)了氫氣選擇性清除羥基自由基和過氧亞硝酸鹽的作用機(jī)制，這一發(fā)現(xiàn)推動了氫醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展。氫醫(yī)學(xué)，顧名思義是研究氫氣對疾病治療作用的一門新興學(xué)科。近十年來，隨著氫醫(yī)學(xué)的蓬勃發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)氫氣對多種與氧化應(yīng)激、炎癥相關(guān)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(guān)。氫氣可以誘導(dǎo)一些抗氧化酶的表達(dá)［12］。研究表明經(jīng)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(xì)胞系2相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）［15］的表達(dá)顯著增加，并且消除活性氧（reactive oxygen species，ROS）的潛力也顯著增強(qiáng)。炎性細(xì)胞因子是介導(dǎo)一系列先天免疫反應(yīng)的信號分子，失調(diào)可能誘發(fā)多種疾病。典型的炎性細(xì)胞因子包括白細(xì)胞釋放的白介素（interleukins，ILs）和巨噬細(xì)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(dá)來調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡。在一定濃度下，它可以增強(qiáng)抗凋亡的B 細(xì)胞淋巴瘤-2 蛋白（B-cell lymphoma-2，Bcl-2），抑制促凋亡的Bcl-2 相關(guān)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(xì)胞凋亡抑制劑，同時也可以作為細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)劑［19］。

隨著對氫醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，納米氫醫(yī)學(xué)應(yīng)運而生，即通過納米材料實現(xiàn)氫氣的靶向傳輸和可控釋放。該方法不僅能增強(qiáng)局部組織氫氣濃度，還能與其他傳統(tǒng)治療方式結(jié)合，增強(qiáng)療效的同時減少了不良反應(yīng)。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(nèi)源性氣體遞質(zhì)，無血液中毒風(fēng)險，我國已于2014 年發(fā)布了氫氣作為食品添加劑的國家標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)備作為三類醫(yī)療器械被批準(zhǔn)上市?；诖耍疚慕榻B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(yī)學(xué)的研究提供基礎(chǔ)。表1 總結(jié)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(nèi)提供較大的攝入量。研究表明，氫氣濃度低于4%時不會發(fā)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(yīng)生成的氫氣通過止回閥進(jìn)入瓶內(nèi)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(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)氫分子通過蛋白質(zhì)分子中疏水界面的局部變化與胃蛋白酶發(fā)生相互作用，可提高蛋白質(zhì)的活性，并改變其力學(xué)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(fēng)險［39］。此外，富氫生理鹽水可以用作白內(nèi)障手術(shù)的洗液，保護(hù)角膜內(nèi)皮細(xì)胞［43］。

1.2 可控持續(xù)釋放氫氣

直接攝入氫氣簡單快捷，但持續(xù)時間短，難以直達(dá)病灶?；谖⒓{米材料構(gòu)建的氫氣釋放系統(tǒng)能夠持續(xù)釋放氫氣，有利于長期、精準(zhǔn)給藥［44］。

已有臨床研究表明，植入鎂合金可用于骨修復(fù)［45］。鎂合金降解過程會釋放氫氣，且供氫能力（41.7 mmol·g-1）遠(yuǎn)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(chǎn)生的大量氫氣會使患者出現(xiàn)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(hù)細(xì)胞免受氧化損傷，該納米粒子通過調(diào)節(jié)殼層厚度控制鎂的降解速率和氫氣的擴(kuò)散速度，從而實現(xiàn)體內(nèi)精準(zhǔn)給藥，產(chǎn)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(xì)胞凋亡和巨噬細(xì)胞中產(chǎn)生的過量ROS會導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎［48］，而氫分子的抗凋亡和抗氧化作用可以緩解骨關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)炎。Mg@PLGA 微粒被注射到小鼠膝關(guān)節(jié)內(nèi)，通過體液中Mg 的鈍化/活化循環(huán)實現(xiàn)原位持續(xù)釋放氫氣。氫氣的持續(xù)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(guān)節(jié)炎的作用機(jī)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(yīng)，生成的氫氣減少了ROS 的產(chǎn)生，改變了糖尿病患者的病理微環(huán)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(jié)構(gòu)，以控制鎂的降解速率和氫氣的釋放速度。氫氣的持續(xù)釋放有利于長期清除自由基，進(jìn)而抑制腫瘤的生長。

1.3 條件響應(yīng)釋放氫氣

與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解率高，產(chǎn)乳酸量多，細(xì)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(qiáng)氫鍵負(fù)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(yīng)，在正常體液環(huán)境下（pH 7.4）不會產(chǎn)生氫氣。該納米粒子能有效抑制腫瘤生長，不影響正常細(xì)胞和組織，且生物安全性高。

氫氣作為一種強(qiáng)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(yīng)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(jié)構(gòu)，芯材為鎂顆粒，殼層為PLGA 和一種響應(yīng)ROS信號的聚合物［poly（PBT-co-EGDM）］，該聚合物與過氧化氫反應(yīng)后會由疏水化合物變?yōu)橛H水化合物，進(jìn)而促使鎂與水反應(yīng)生成氫氣，氫氣可以與·OH反應(yīng)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(xì)胞外基質(zhì)的降解和椎間盤細(xì)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(fā)給藥易于操作，可按需給藥。例如，Zhao 等［55］開發(fā)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(nèi)過表達(dá)的谷胱甘肽，生成的氫氣和消耗的谷胱甘肽降低了癌細(xì)胞能量，破壞了氧化還原平衡，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。

2 氫氣在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 腦和神經(jīng)系統(tǒng)疾病

缺血性腦卒中及后期重新恢復(fù)血流灌注會使活性氧激增［56］，破壞神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化，引發(fā)神經(jīng)炎癥和氧化損傷［57］。氫氣作為一種強(qiáng)抗氧化劑，可選擇性地減少具有細(xì)胞毒性的活性氧，以緩解缺血后大腦氧化應(yīng)激的破壞作用［58-59］。表2 列出了氫療法對幾種腦和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究。

表2 氫氣對腦和神經(jīng)系統(tǒng)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(jìn)行了一項隨機(jī)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(jìn)行常規(guī)靜脈藥物治療。結(jié)果發(fā)現(xiàn)氫氣組患者血氧飽和度得到明顯改善，無不良反應(yīng)，這表明氫氣用于治療急性腦梗是安全有效的。

氧化應(yīng)激引起的線粒體功能障礙會誘發(fā)阿爾茨海默癥（alzheimer's disease，AD）。然而，氫氣在AD 患者腦內(nèi)的溶解度較低，難以持續(xù)高效積累。Zhang等［7］開發(fā)的PdH 納米顆粒載氫能力高，并且能在AD 大腦中原位持續(xù)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(chǎn)生和聚集，恢復(fù)線粒體功能，阻斷突觸和神經(jīng)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(zhuǎn)基因模型中，富氫水可以防止神經(jīng)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(jīng)元纖維纏節(jié)［61］。通過腦缺血動物研究了氫的神經(jīng)保護(hù)分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其有助于減少體內(nèi)氧化應(yīng)激，激活抗凋亡途徑，抑制神經(jīng)炎癥，同時增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞的作用［62］。

2.2 心血管疾病

心臟驟停綜合征是一種復(fù)雜的病理生理過程，主要表現(xiàn)為腦損傷、心肌損傷以及全身缺血再灌注反應(yīng)。自發(fā)循環(huán)的恢復(fù)會導(dǎo)致活性氧急劇增加，引起的氧化應(yīng)激對心臟驟停綜合征的發(fā)生、進(jìn)程和病理生理狀態(tài)起重要作用。

氫分子可以降低心臟驟停動物的氧化應(yīng)激水平并發(fā)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(yīng)激標(biāo)志物和細(xì)胞因子的變化，并對血氫濃度、血漿和尿液氧化應(yīng)激標(biāo)志物和細(xì)胞因子水平進(jìn)行了測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)動脈氫濃度與吸入氫平衡，心源性休克患者氧化應(yīng)激減少，細(xì)胞因子水平不變；膿毒性休克患者氧化應(yīng)激水平不變，細(xì)胞因子水平降低。

He 等［34］開發(fā)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(qū)。微氣泡可以通過超聲成像系統(tǒng)進(jìn)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(yù)防病理性重構(gòu)。進(jìn)一步分析表明，這種方法可以顯著抑制心肌細(xì)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(jìn)行了研究?；颊呶?6% O2和1.3% H2，對照組吸入26% O2不吸入H2，經(jīng)過6 個月隨訪，吸入氫氣組的左心房容積指數(shù)和左心室射血分?jǐn)?shù)均優(yōu)于對照組，這說明吸入氫氣能促進(jìn)左心室逆重構(gòu)，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(zhì)和糖的代謝影響。通過口服葡萄糖耐量試驗評估氧化應(yīng)激、胰島素抵抗和葡萄糖代謝的生物標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)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(yù)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(fā)癥之一，伴有長期炎癥、自主神經(jīng)異常和細(xì)菌感染等癥狀，使糖尿病創(chuàng)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(huán)境中的葡萄糖作為犧牲劑持續(xù)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(chǎn)物的合成和受體的表達(dá)，減弱皮膚細(xì)胞的凋亡，促進(jìn)皮膚細(xì)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(fā)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(qiáng)，可以深入到致密的生物膜內(nèi)調(diào)節(jié)細(xì)菌的能量代謝，從而從內(nèi)部破壞細(xì)菌。同時，原位生成的氧化空穴有利于破壞生物膜的表面結(jié)構(gòu)，影響電子傳遞，促進(jìn)糖尿病創(chuàng)面的有效愈合。表4 總結(jié)了氫氣在臨床試驗和動物實驗中對糖尿病及其并發(fā)癥的治療作用。

表4 氫氣對糖尿病及其并發(fā)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(yīng)，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(wěn)定Fe 納米顆粒，合成的Fe@CMC 納米藥物在體內(nèi)和體外均具有腫瘤內(nèi)高蓄積能力、對酸高度敏感、優(yōu)異的光聲成像性、選擇性抗癌效果以及生物安全性高等優(yōu)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(diào)控能量代謝穩(wěn)態(tài)。

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(jìn)而治療深部腫瘤。生成的氫分子能促進(jìn)M2 型巨噬細(xì)胞向M1型極化，氧分子可以緩解腫瘤細(xì)胞內(nèi)的缺氧環(huán)境，有效阻斷CD8+T 細(xì)胞免疫衰竭，從而激活免疫系統(tǒng)并實現(xiàn)抗腫瘤作用。Chen 等［25］對82 例Ⅲ期和Ⅳ期癌癥患者進(jìn)行隨訪，發(fā)現(xiàn)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(biāo)志物異常升高的病例中，吸入氫氣后36.2%的患者標(biāo)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(zhì)量并控制癌癥進(jìn)展。表5 總結(jié)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(jié)了氫氣的多種釋放形式及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。傳統(tǒng)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(nèi)提供大量氫氣。隨著氫醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，納米氫醫(yī)學(xué)開始嶄露頭角，通過納米材料可以實現(xiàn)氫氣的靶向傳輸和控制釋放，對深部疾病有更廣闊的應(yīng)用前景。在應(yīng)用過程中，可以根據(jù)實際情況選擇適宜的釋氫形式。氫氣易于應(yīng)用，無不良反應(yīng)，對氧化應(yīng)激和慢性炎癥等相關(guān)疾病都具有顯著療效，其能清除自由基改善氧化應(yīng)激，還原炎性細(xì)胞因子，并影響酶的表達(dá)，這些抗氧化、抗炎和抗凋亡作用使之對腦和神經(jīng)系統(tǒng)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(jìn)一步的研究中，還應(yīng)考慮下列問題。

首先，關(guān)于氫氣的給藥和劑量方案缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)作用和對疾病的治療作用與劑量和作用時間密切相關(guān)，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(jìn)一步確認(rèn)動物和臨床研究中氫氣給藥的最佳途徑、劑量、藥代動力學(xué)、毒理和生物學(xué)，使氫療法的應(yīng)用和評價更規(guī)范化。

其次，氫氣作用的確切分子靶點和機(jī)制尚不清楚。氫分子對細(xì)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(guān)系仍不清楚。此外，盡管研究發(fā)現(xiàn)氫氣對多種基因和蛋白質(zhì)存在調(diào)節(jié)作用，但需要進(jìn)一步確認(rèn)這些調(diào)節(jié)作用是氫氣抗氧化、抗炎作用的原因還是結(jié)果。為了更深入地研究氫氣的生理及病理作用，還應(yīng)該對氫氣在生物體內(nèi)（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(guī)模小。盡管目前已有一些氫氣的應(yīng)用研究，但是多數(shù)處于動物實驗階段，相比之下，臨床研究較少，且大多數(shù)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(fā)，納米材料釋氫能長時間維持一定的濃度，因此開展相關(guān)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(xiàn)對患者提供個性化治療，有必要進(jìn)行大規(guī)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。