這是最近發(fā)表在《大學(xué)化學(xué)》上的一篇綜述。非常樂于見到化學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者關(guān)注和研究氫氣生物醫(yī)學(xué)，因為對氫氣生物作用的分子機(jī)制，一定要從化學(xué)上來解釋，才是最符合學(xué)術(shù)邏輯的。
 

摘要：氫氣(H2)，自然界中最小的分子，最輕的氣體，在我們的生活中具有非常重要的作用，對人體的多種疾病具有顯著的預(yù)防和改善效果，是一種重要的工業(yè)原料，是最具發(fā)展前景的清潔能源。本文對氫氣的發(fā)現(xiàn)史以及氫氣在醫(yī)學(xué)健康、合成化學(xué)中的作用進(jìn)行闡述。
 

氫氣(hydrogen)，化學(xué)式為H2，是一種雙原子氣體分子，由兩個氫原子通過共用一對電子構(gòu)成。氫氣是自然界中最小的分子，最輕的氣體，密度只有空氣的十四分之一。氫氣在我們的生活中占據(jù)非常重要的地位，由于氫氣可以選擇性地清除羥基自由基(?OH)和過氧亞硝基陰離子(ONOO−)，同時又不影響其他具有生理功能的活性氧物質(zhì)，可以將氫氣應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，氫氣已被證實對眾多的疾病具有顯著的預(yù)防和改善效果。氫氣是一種重要的工業(yè)原料，可以用于合成氨、甲醇、醛等一些重要的化合物;也可以用作還原劑，還原烯烴、醛、酮等不飽和鍵，特別是在手性催化劑的存在下進(jìn)行的不對稱氫化，廣泛應(yīng)用于天然產(chǎn)物和藥物的合成中。與此同時，氫氣作為一種可再生的清潔能源受到人們越來越多的關(guān)注。本文對氫氣的發(fā)現(xiàn)史以及氫氣在醫(yī)學(xué)健康、合成化學(xué)中的重要作用進(jìn)行闡述。
 

1氫氣的發(fā)現(xiàn)史
 

早在16世紀(jì)，瑞士醫(yī)生帕拉賽斯(Paracelsus)將鐵屑與酸放在一起得到一種會燃燒的氣體，這個氣體就是氫氣，但由于當(dāng)時他沒有對其做進(jìn)一步的研究，錯失了在化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)史上留名的機(jī)會。到17世紀(jì)，比利時的科學(xué)家海爾蒙特(Helmont)在偶然間也接觸過氫氣，卻沒有將它分離并收集起來研究。雖然英國的化學(xué)家波義爾也曾經(jīng)偶然收集過這種氣體，但也未對其進(jìn)行研究。真正抓住機(jī)會的是英國化學(xué)家卡文迪許(Cavendish)。1766年，卡文迪許在一次實驗中，不小心將鐵片掉進(jìn)了鹽酸溶液中，發(fā)現(xiàn)溶液中產(chǎn)生了許多氣泡，這種現(xiàn)象立即引起了卡文迪許的極大興趣。他通過排水法將該氣體收集起來并進(jìn)行了仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)該氣體與空氣混合后遇火星會爆炸，在空氣中燃燒后會生成水等一系列實驗結(jié)果。由于卡文迪許第一個將氫氣收集起來并進(jìn)行了研究，因此成為了化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)史上氫氣的公認(rèn)發(fā)現(xiàn)者。然而，由于受到燃素論的影響，卡文迪許一度認(rèn)為這種氣體是一種燃素。直到1787年，法國化學(xué)家拉瓦錫(Lavoisier)正式提出氫是一種元素，由于氫氣燃燒后生成水，所以把這種易燃?xì)怏w命名為“氫”，意思是水的生成者。
 

2氫氣的醫(yī)學(xué)用途
 

最初，人們認(rèn)為氫氣是一種生理學(xué)惰性氣體，將其應(yīng)用于潛水領(lǐng)域，替代壓縮空氣中的氮氣，消除由高壓氮氣引起的氮麻醉問題。1975年，Dole等在研究中發(fā)現(xiàn)使用8個大氣壓含97.5%氫氣和2.5%氧氣的混合氣體對小鼠的鱗狀細(xì)胞癌具有改善作用，這是最早關(guān)于氫氣生物學(xué)作用的報道。但由于條件苛刻、操作困難等因素，并未引起生物學(xué)家的關(guān)注。直到2007年，Ohsawa等在研究中證實，使用2%的氫氣對大鼠的腦缺血再灌注損傷具有改善作用，同時提出了氫氣具有選擇性還原的特點，只對體內(nèi)的羥基自由基(?OH)和過氧亞硝基陰離子(ONOO−)產(chǎn)生作用。該結(jié)果一發(fā)表就受到了生物學(xué)家的廣泛關(guān)注，并掀起了氫氣生物學(xué)效應(yīng)研究的熱潮。由于氫氣的相對分子質(zhì)量小，所以氫氣具有滲透和穿透能力強(qiáng)、擴(kuò)散速度快的特點，進(jìn)入人體后能快速地擴(kuò)散到所需區(qū)域發(fā)揮抗氧化作用，同時氫氣具有很高的生物安全性，無毒無殘留，與氧化劑作用后得到水，因此氫氣是一種非常理想的藥物。越來越多的研究表明氫氣對多種疾病具有很好的改善效果。泰山醫(yī)學(xué)院的劉東杰等對近年來氫分子在緩解眼科方面疾病的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，指出氫氣可以減輕由氧化應(yīng)激和炎癥所引起的眼部損傷，通過向眼部滴注富含氫氣的生理鹽水，能對視網(wǎng)膜和角膜損傷起到保護(hù)作用，對白內(nèi)障具有改善作用。作者還對氫氣在緩解眼科疾病中的作用機(jī)制進(jìn)行了闡述，為氫氣在臨床上眼科疾病中的應(yīng)用和研究提供了基礎(chǔ)。西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的劉健康等對氫氣分子在心臟損傷中的改善作用進(jìn)行了綜述，指出氫氣可以有效地清除心臟損傷所產(chǎn)生的?OH并增強(qiáng)機(jī)體的抗氧化能力，能抑制損傷組織產(chǎn)生的促炎因子并活化淋巴細(xì)胞產(chǎn)生的腫瘤壞死因子TNF-α和干擾素IFN，從而減少因電離輻射對心肌造成的損傷，緩解心臟缺血再灌注損傷，對心臟移植、心肺流轉(zhuǎn)術(shù)等造成的心臟損傷都具有很好的預(yù)防和改善效果。氫氣對結(jié)腸損傷具有保護(hù)作用，對心血管疾病、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等多方面疾病具有顯著的預(yù)防和改善效果。目前氫氣醫(yī)學(xué)已從基礎(chǔ)研究走向臨床應(yīng)用。北京工業(yè)大學(xué)的謝飛等對當(dāng)前氫分子在臨床應(yīng)用中的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，指出氫分子在腫瘤、II型糖尿病和高尿酸血癥等代謝相關(guān)疾病、腦梗死和脊髓損傷等神經(jīng)系統(tǒng)疾病、胃食管反流病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等疾病的臨床應(yīng)用中都表現(xiàn)出不錯的效果，為氫分子大規(guī)模、多中心的臨床試驗提供了參考。圖1對氫氣在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了總結(jié)。氫氣的給藥方式主要有直接吸入、飲用富氫水、注射氫氣生理鹽水、使用含氫眼藥水以及含氫沐浴產(chǎn)品和化妝品等。氫氣吸入是最直接的攝入方法，通過肺泡的換氣作用，氫氣經(jīng)血液循環(huán)快速到達(dá)身體的各個部位發(fā)揮作用。飲用富氫水是最便捷的方法，有望成為疾病預(yù)防和改善的有效手段。含氫溶液的靜脈注射和局部使用是臨床上使用最廣泛的，氫氣生理鹽水的注射已經(jīng)在包括失血性休克模型和急性胰腺炎等多種疾病模型中得到應(yīng)用。含氫眼藥水可以用于減輕視網(wǎng)膜損傷。