(1)缺血再灌注損傷與器官移植：大量的研究表明，氫分子具有抗氧化和抗細(xì)胞凋亡的作用，能夠通過清除羥基自由基(·OH)和過氧亞硝酸鹽根(ONOOˉ)來減輕缺血再灌注引起的氧化損傷，在心、肝臟、腎、腦、肺、小腸等器官的缺血再灌注模型上，都證實(shí)了氫分子的作用，即可以通過減少缺血再灌注損傷而不改變血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)來減少器官的梗死體積以及保護(hù)由全身炎癥引起的多器官損傷等。

另外，氫分子還能減輕移植供體在體外的氧化損傷。2012年，筆者課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，在同種腎移植大鼠模型中，富氫UW溶液(Hydrogen-Rich University of Wisconsin Solution，HRUW)可以在早期階段，通過降低腎臟移植物的氧化應(yīng)激、腎小管上皮細(xì)胞凋亡和間質(zhì)巨噬細(xì)胞浸潤發(fā)揮保護(hù)腎小管上皮細(xì)胞免受炎癥和凋亡影響的作用，從而減輕腎移植缺血再灌注損傷、改善腎臟功能并延長受體存活率。

2014年，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的Hayashida等指出在冠狀動(dòng)脈血流重建之前吸入2%氫氣可以快速增加“心肌梗死高危區(qū)域”的氫氣濃度，并在冠狀動(dòng)脈再通時(shí)減輕缺血/再灌注損傷。大多數(shù)抗氧化劑在再灌注開始前并不能及時(shí)到達(dá)梗死危險(xiǎn)區(qū)域，然而吸入氫氣不僅起效快，還能在不影響血壓的情況下對抗急性氧化應(yīng)激，即使在沒有血流的情況下，氫氣也可以通過快速擴(kuò)散到達(dá)危險(xiǎn)區(qū)域。Kentaro等的研究使用了已建立的心臟異位移植模型，先將供體大鼠的心臟移植物儲(chǔ)存在包含Celsior且氫氣可滲透的塑料袋中，浸入含有高濃度氫氣的保存液的電解槽中6小時(shí)，然后將心臟移植物進(jìn)行異位移植。在無氫處理的對照組移植物中，再灌注3小時(shí)后血清肌鈣蛋白 I 和肌酸磷酸激酶均顯著升高，移植物表現(xiàn)出明顯的炎癥反應(yīng)，包括中性粒細(xì)胞浸潤、促炎細(xì)胞因子、趨化因子以及信使RNA的上調(diào)。而富氫水浴則可顯著減輕心肌損傷和炎癥反應(yīng)。相比對照組，富氫水浴組的心臟移植物線粒體損傷明顯減少，三磷酸腺苷含量也明顯增高。

小腸移植(SBT)是終末期腸衰竭的唯一改善方法，但是由于免疫抑制和缺血再灌注(I/R)損傷，患者和移植物的存活率很低。2014年，筆者課題組研究發(fā)現(xiàn)，腸移植前腸腔內(nèi)注射含氫保存液可以有效改善大鼠腸移植缺血再灌注損傷。實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)組：假手術(shù)組、無腸腔注射組、腸腔注射5%葡萄糖鹽水(GS)組和腸腔注射富氫5%葡萄糖鹽水(HRGS)組。我們發(fā)現(xiàn)，HRGS組的氧化應(yīng)激反應(yīng)明顯減少，誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(iNOS)、IL-1β、TNF-a、IL-6等促炎細(xì)胞因子水平降低，隱窩細(xì)胞凋亡也明顯受到抑制。在組織病理學(xué)上，HRGS組與其他組相比保持了腸絨毛的完整性。由NOS生成的一氧化氮與超氧自由基反應(yīng)生成過氧亞硝酸鹽，具有很強(qiáng)的氧化能力。在HRGS組，iNOS表達(dá)明顯受抑制。因此，氫分子不僅可以減少羥基自由基，還可以減少過氧亞硝酸鹽。我們的研究首次證明了腔內(nèi)注射富氫溶液的有效性，也是SBT腸移植物保存方法的一個(gè)重要突破。

由于器官短缺，有的時(shí)候需要使用次優(yōu)移植物，脂肪肝對包括肝移植在內(nèi)的肝臟手術(shù)中的缺血再灌注(I/R)損傷具有較低的耐受性。筆者課題組在蛋氨酸和膽堿缺乏癥(MCDHF)飲食誘導(dǎo)的脂肪肝小鼠模型中，研究了氫分子對I/R肝損傷的保護(hù)作用。在缺血再灌注過程中，我們用含7ppmH2的生理鹽水進(jìn)行處理，并分析處理后細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白及其信號(hào)通路的組成。與對照組相比，MCDHFI/R組血清AST、ALT、TUNEL陽性凋亡細(xì)胞、F4/80免疫陽性細(xì)胞、炎性細(xì)胞因子mRNA水平、信號(hào)通路成分、肝促凋亡分子、庫普弗細(xì)胞(Kupper cells，KCs)以及原代肝細(xì)胞均明顯升高。而富氫鹽水改善組則顯著抑制了脂肪肝模型缺血再灌注損傷的征象，并且增加了肝臟、KCs和肝細(xì)胞中Bel-2、HO-1和SIRT1的表達(dá)，抑制了caspase的活化、Bax和p53的乙?；?。由此可見，氫分子能夠通過減少肝細(xì)胞凋亡、抑制巨噬細(xì)胞活化和炎癥細(xì)胞因子、誘導(dǎo)HO-1和SIRT1表達(dá)，改善脂肪肝模型的缺血再灌注損傷。

之前的研究報(bào)道，HO-1是一種與熱休克蛋白相關(guān)的成分，是一種限速酶，可將血紅素分解為膽綠素、一氧化碳和游離鐵，具有抗氧化功能、微循環(huán)維持功能、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)功能和抗炎功能。筆者課題組在Lewis大鼠同基因原位肝移植模型中研究發(fā)現(xiàn)，氫分子可以通過上調(diào)HO-1的表達(dá)，改善肝臟缺血再灌注損傷。在氫改善組，我們將肝臟移植物放入一個(gè)裝有70毫升冷富氫UW溶液塑料儲(chǔ)存袋中密封，然后浸入富氫液中以保持氫分子的濃度。在富氫UW溶液中保存的移植物，其肝組織中氫分子的濃度隨保存時(shí)間的延長而升高，1小時(shí)后趨于穩(wěn)定，血清肝酶水平顯著降低，肝損傷的組織學(xué)評分明顯低于對照組。和對照組相比，富氫UW溶液組肝臟移植物的氧化損傷和肝細(xì)胞凋亡減少，促炎細(xì)胞因子表達(dá)降低，HO-1蛋白水平顯著升高。

在醫(yī)學(xué)實(shí)踐中，器官摘除前的改善往往是非常困難的，而在植入前的器官靶向改善則應(yīng)用廣泛。我們使用的富氫UW溶液和氫氣水浴作為器官保存新方法是突破性的，且具有安全、簡單的特點(diǎn)，為藥物、氣體和移植的新聯(lián)合療法提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，具有重要的臨床意義。
 

(2)腦血管疾病：氧化應(yīng)激具有破壞神經(jīng)元的作用，是導(dǎo)致神經(jīng)退行性病變的主要原因之一。因此，需要有效的抗氧化劑來保護(hù)神經(jīng)前體和神經(jīng)元使大腦免受氧化損傷。然而，大多數(shù)抗氧化劑由于無法通過血腦屏障而不能接觸神經(jīng)元，而氫分子具有抗氧化應(yīng)激的作用，并且能夠通過氣體擴(kuò)散的方式穿透血腦屏障，保護(hù)神經(jīng)元，對輕度認(rèn)知障礙、阿爾茨海默病和帕金森病等神經(jīng)退行性疾病都有一定的保護(hù)作用。Kiyomi Nishimaki等研究發(fā)現(xiàn)，在癡呆小鼠模型中，飲用富氫水可以明顯降低氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平，抑制小鼠的記憶力減退和神經(jīng)退行性變。此外，富氫水組的平均壽命也比對照組長。

2009年，九州大學(xué)的研究者Kyota Fujita等在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)誘導(dǎo)的帕金森病小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，飲用富氫水可以抑制多巴胺能神經(jīng)元的丟失，減輕MPTP對多巴胺神經(jīng)元的急性毒性作用，對MPTP慢性給藥模型引起的行動(dòng)障礙也有一定的作用。

2012年，日本順天堂大學(xué)的Asako Yoritaka等對17例使用左旋多巴藥物改善的帕金森病患者進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)、雙盲、安慰劑對照的臨床研究，評估了富氫水對左旋多巴胺化帕金森病患者的療效。在48周的時(shí)間里，參與者每天飲用1升的富氫水或者純水。結(jié)果顯示，富氫水組患者在統(tǒng)一帕金森病評定量表(UPDRS)中的分?jǐn)?shù)得到了明顯改善，而安慰劑組的UPDRS分?jǐn)?shù)則變得更差。盡管存在樣本數(shù)量以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間等限制性因素，但是兩組結(jié)果的顯著差異在一定程度上說明富氫水對帕金森病起到一定的改善作用。

氫分子改善在腦血管疾病方面也顯示出巨大的潛力。缺氧缺血性腦損傷(HIBD)是指圍生期缺氧缺血窒息引起的腦損傷，已被證實(shí)是新生兒死亡和殘疾的主要原因。筆者課題組研究發(fā)現(xiàn)，在新生大鼠的缺氧缺血性腦損傷模型中，吸入氫氣能夠顯著減輕新生HIBD大鼠的神經(jīng)元損傷，有效改善早期神經(jīng)反射以及大鼠成年后的學(xué)習(xí)記憶。這種保護(hù)作用與持續(xù)吸入氫氣的起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。此外，吸入氫氣還可以通過激活MAPKs信號(hào)通路來增加HO-1的表達(dá)，上調(diào)PGC-1a和SIRT1的表達(dá)來增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化防御能力。

筆者課題組還評估了氫氣吸入不同時(shí)長對HIBD改善的神經(jīng)保護(hù)作用。首先，我們誘導(dǎo)了出生后第7天的大鼠缺氧缺血腦損傷模型，然后分別讓其吸入氫改善30分鐘、60分鐘或90分鐘。通過檢測腦內(nèi)白細(xì)胞介素-1(IL-1)、NFcBp65表達(dá)及Iba-1免疫熒光來評價(jià)其急性炎癥反應(yīng)，再通過檢測p-JNK、p53的表達(dá)及NeuN免疫熒光檢測神經(jīng)細(xì)胞凋亡。術(shù)后36天采用Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)對大鼠神經(jīng)行為功能進(jìn)行評估。結(jié)果表明，氫氣可以抑制缺氧缺血損傷誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞炎癥反應(yīng)。改善時(shí)間越長，這種抑制作用越明顯(P<0.05)。其次，氫氣改善可以減少缺氧缺血引起的神經(jīng)元損傷，使凋亡因子p-JNK、p53表達(dá)降低(P~0.05)，還能夠改善缺氧缺血導(dǎo)致的腦發(fā)育過程中出現(xiàn)的長期空間記憶缺失(P<0.01)。
 

(3)代謝性疾病：氧化應(yīng)激被普遍認(rèn)為與各種代謝性疾病有關(guān)，包括肥胖癥、糖尿病、衰老和脂肪肝等。氫分子已被證明可以減輕氧化應(yīng)激，改善脂質(zhì)、葡萄糖和能量代謝。此外，飲用富氫水會(huì)降低2型糖尿病和潛在代謝綜合征等患者的幾種氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物水平。

氫分子還能夠促進(jìn)能量代謝。2011年，日本醫(yī)科大學(xué)的Kamimura等通過研究發(fā)現(xiàn)飲用富氫水能夠顯著改善db/db小鼠脂肪肝，對野生型小鼠高脂飲食誘導(dǎo)的脂肪肝也有明顯改善。而且長期飲用可明顯控制脂肪和體重，降低血漿葡萄糖、胰島素和甘油三酯水平，增強(qiáng)肝細(xì)胞生長因子(HGF)和成纖維細(xì)胞生長因子21(FGF21)的表達(dá)。

2014年，岡山大學(xué)的Tomafuji等研究發(fā)現(xiàn)，氫分子還能夠通過減少氧化性mtDNA的損傷來延緩大鼠模型牙周組織的老化。除了端粒短縮外，活性氧(ROS)也被證明可以通過pl6INK4a和p2130的轉(zhuǎn)錄激活，觸發(fā)DNA損傷反應(yīng)(DDR)通路，促進(jìn)細(xì)胞衰老。

2018年，東京都老年醫(yī)學(xué)研究所的Iketani在動(dòng)脈粥樣硬化的小鼠中發(fā)現(xiàn)，氫分子對細(xì)胞衰老抑制作用可能是因?yàn)槠淇梢越档蚏OS而下調(diào)DDR通路的表達(dá)。他們使用低密度脂蛋白受體缺陷小鼠通過喂養(yǎng)高脂肪飲食(HFD)13周建立動(dòng)脈粥樣硬化模型，評估持續(xù)飲用富氫水的效果。在富氫水飲用組的小鼠動(dòng)脈粥樣硬化中，表達(dá)衰老因子pl6INK4a和p21的內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量明顯低于對照組小鼠。此外，巨噬細(xì)胞浸潤和TNF-a表達(dá)也相對于對照組有所降低，這些結(jié)果都表明了氫分子可以抑制血管老化。

本課題組的研究發(fā)現(xiàn)，富氫水可以有效地預(yù)防膽堿補(bǔ)充氨基酸(CSAA)飲食誘導(dǎo)的脂肪肝，改善膽堿缺乏性氨基酸(CDAA)小鼠肝臟纖維化。富氫水組小鼠的炎癥細(xì)胞因子mRNA表達(dá)明顯低于對照組。更重要的是，富氫水可以逆轉(zhuǎn)非酒精性脂肪性肝炎(NASH)患者的肝細(xì)胞凋亡、肝炎癥狀以及肝臟的纖維化。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)氫分子是一種新的非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)保護(hù)因子，可以通過誘導(dǎo)Kupffer細(xì)胞HO-1/IL-10軸來調(diào)控STAT3磷酸化從而改善NAFLD。氫分子與HO-1/IL-10軸相互作用，抑制STAT3磷酸化和下游pMAPK信號(hào)的激活。以氫分子為靶點(diǎn)對小鼠NAFLD具有改善作用，可能是開發(fā)新型HO-1/IL-10軸激活劑改善NAFLD/肝纖維化的有效策略。

CD36在正常肝組織中的表達(dá)水平很低，但在高脂飲食(HFD)誘導(dǎo)的脂肪肝小鼠和NAFLD患者的肝組織中表達(dá)水平顯著升高，大量研究證明CD36在肝脂肪變性中起重要作用。東京都老年研究所的Akio等研究發(fā)現(xiàn)，氫分子能夠下調(diào)CD36蛋白表達(dá)，抑制HepG2細(xì)胞的脂肪酸攝取和脂質(zhì)積累，還能夠調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，如JNK通路等，證明了氫分子對肝脂肪變性和NAFLD等脂代謝紊亂具有調(diào)節(jié)作用。

越來越多的證據(jù)表明，氫分子不僅可以降低氧化應(yīng)激，還可以發(fā)揮基因表達(dá)和信號(hào)通路調(diào)節(jié)的作用。然而上述研究并未闡明氫分子在基因表達(dá)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上的作用靶分子。這些調(diào)控分子可能不是氫分子的直接效應(yīng)分子，但是可以間接使用氫分子發(fā)揮作用。由此推測，氫分子在這些疾病中的效應(yīng)很可能是通過對某些未知基因和信號(hào)通路的調(diào)節(jié)介導(dǎo)的，同時(shí)也需要更多的研究去加以論證。
 

(4)消化系統(tǒng)疾病：腸道細(xì)菌是體內(nèi)氫的唯一來源，機(jī)體內(nèi)大量的腸道菌群每天可以通過發(fā)酵未被吸收的碳水化合物來產(chǎn)生大約150mL的氫氣，隨后排泄出人體或者被結(jié)腸菌群吸收而進(jìn)一步代謝。與其余氣體性細(xì)菌產(chǎn)物相比，氫氣能夠改善腸管的運(yùn)動(dòng)性而抗菌改善能夠顯著減少腸道氫氣的產(chǎn)生。小鼠胃和肝臟的氫分子濃度為20~80umol/L，這些氫分子被血液吸收后運(yùn)送到身體各部分，發(fā)揮內(nèi)源性抗氧化物質(zhì)的作用。

雖然人類和許多動(dòng)物的胃腸道本身可以產(chǎn)生氫氣，但到目前為止，并沒有證據(jù)證明它有明顯的改善效果。然而研究表明，通過誘導(dǎo)胃腸道產(chǎn)生更多的氫氣，可以改善一些疾病。Kajiya等研究發(fā)現(xiàn)，通過給動(dòng)物補(bǔ)充可產(chǎn)生氫氣的細(xì)菌，誘導(dǎo)胃腸道產(chǎn)生更多氫氣，可以抑制Concanavalin A誘導(dǎo)的肝臟炎癥反應(yīng)。該研究者還發(fā)現(xiàn)，通過飲用富氫水可以獲得比誘導(dǎo)胃腸道產(chǎn)生氫氣更有效的改善效果。與補(bǔ)充外源性氫相比，內(nèi)源性氫效力低并且產(chǎn)氫菌的腔內(nèi)管理有細(xì)菌過度生長的風(fēng)險(xiǎn)。所以，目前大多數(shù)的研究主要是圍繞補(bǔ)充外源性氫開展的。

已有研究表明，運(yùn)用氫分子改善可以改善葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的小鼠炎癥性腸病，小鼠結(jié)腸短縮、體重減輕的情況明顯好轉(zhuǎn)。氫分子可以抑制DSS介導(dǎo)的結(jié)腸組織破壞，炎癥細(xì)胞對黏膜層的浸潤也明顯減少，但其確切機(jī)制尚未完全明確，本課題組正對其展開深入研究，為氫分子用于炎癥性腸病的臨床改善提供重要的理論支持。