氫作為自然界中最簡單的元素，無論是在宇宙的起源還是在生命的進化過程中，都扮演著至關重要的角色。但在大多情況下，人們對氫氣的認知存在“刻板印象”，難以接受其具有顯著的生物學效應。然而，隨著21世紀以來生命科學迅速發(fā)展，氫這種最簡單的元素偶然進入了生物學和醫(yī)學家的視野。鑒于人們對氫氣性質的了解日趨全面，特別是潛水醫(yī)學領域對氫氣的生物安全性的系統(tǒng)研究，當氫氣生物效應發(fā)現(xiàn)后，其醫(yī)學價值迅速受到重視。僅僅在過去17年里，氫氣的生物醫(yī)學效應就被廣泛研究，已有超過2000篇同行評議論文先后發(fā)表，并形成獨特的氫醫(yī)學理論體系。 本文對氫醫(yī)學的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及未來展望等方面進行系統(tǒng)性介紹。
本質可行性： 氫是生命元素
在生命起源的原始地球大氣中，氫氣占比極高。研究表明，氫氣是生命起源的基本環(huán)境因素。20世紀關于有機物化學進化過程的米勒實驗等研究揭示了氫氣是參與前生命有機分子進化的必需物質基礎。作為最簡單的還原底物分子，氫氣為原始生命的產生提供了能量基礎。原核細胞到真核細胞的轉變是地球生命進化中的最重大轉折點，是地球真菌、動植物等復雜生命形式形成的進化原點，而線粒體的出現(xiàn)是真核細胞能量代謝的結構基礎和多細胞生物進化的基本條件。目前學術界認為，線粒體起源于一種古老的α變形菌，這種作為線粒體祖先的細菌也恰好是合成氫氣的細菌。無論從生命誕生的物質基礎，還是到進化過程中低等生物對氫氣的利用，都充分展現(xiàn)了氫氣對生命體的獨特性，氫無疑是一種“生命元素”。
研究歷程： 氫醫(yī)學研究的標志性節(jié)點
起始： 大深度飽和潛水 高氣壓是潛水活動所獨有的挑戰(zhàn)，而經(jīng)典的壓縮空氣潛水面臨著三大難以逾越的生理極限，即氧氣毒性、氮氣麻醉性及壓縮空氣的呼吸阻力增加。人們嘗試用氦氣解決以上問題，然而氦氣在潛水應用中的最大障礙是其資源稀缺性，同時氦氣潛水也無法避免大深度潛水時的高壓神經(jīng)綜合征的問題。為突破氦氣潛水的局限性，自20世紀40年代起，歐洲潛水醫(yī)學界先驅率先開展氫氣應用于大深度潛水的系列研究。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，即使在數(shù)十個大氣壓的高壓氫氣條件下，除了對心率有抑制作用和輕微神經(jīng)系統(tǒng)麻醉作用外，幾乎不存在毒性。然而在氫氣用于大深度飽和潛水的三十年間，氫的生物醫(yī)學效應長期被大眾乃至學術界所忽視。在大多情況下，人們對氫氣的認知存在“刻板印象”，難以接受其具有顯著的生物學效應。直至1975年，美國學者在Science上發(fā)表文章，證明8atm（1atm=1.013×105Pa）氫氣吸入能治療小鼠的皮膚鱗狀細胞癌，才為氫氣的生物學效應提供了實驗數(shù)據(jù)支持，然而也并未引起學術界的關注：推測主要原因可能是考慮到使用高壓氫氣存在爆燃的風險，因此幾乎無法實現(xiàn)臨床應用。
轉折： 氫氣的選擇性抗氧化作用的發(fā)現(xiàn) 氫醫(yī)學研究的轉折點出現(xiàn)在2007年。一家從事氫水商業(yè)推廣的日本東京企業(yè)，偶然發(fā)現(xiàn)氫氣可能具有健康促進效應，之后委托日本醫(yī)科大學老年病研究所教授太田成男開展這一研究。該研究發(fā)現(xiàn)氫氣具有抗細胞氧化損傷和動物腦缺血損傷的治療作用。2007年，該團隊在Nature Medicine上發(fā)表了氫氣生物學效應的重要研究成果。他們發(fā)現(xiàn)，即使在2%~4%的低含量下，氫氣依然能夠通過選擇性清除羥自由基來改善大鼠腦缺血再灌注后的腦損傷。而由于空氣中含量低4%的氫氣沒有燃燒和爆炸風險，此前針對高壓氫氣爆燃風險的可能性被一定程度上抹消，為氫氣的安全使用提供了新的可能性。此后，氫醫(yī)學的發(fā)展進入了高速發(fā)展階段。
高速發(fā)展： 氫醫(yī)學研究爆發(fā) 在2010年后，得益于國內外對氫醫(yī)學領域方面奠定的牢固基礎，氫氣醫(yī)學的發(fā)展自此進入高潮，直至今日依然處在高速發(fā)展階段。代表性成果包括氫水對高血脂患者的有益作用、氫熱協(xié)同作用治療腫瘤、氫氧混合氣改善慢性阻塞性肺疾病急性加重期癥狀等；此外，在基礎研究方面，2024年于Cell發(fā)表的文章非常明確地證明氫氣是甾體21去羥化酶的底物，可以直接參與生命體物質代謝，為氫醫(yī)學的后續(xù)發(fā)展提供了更加堅實的理論基礎。從下面的代表性工作表格可以看出在2010年后氫氣醫(yī)學的發(fā)展進入井噴期，平均1-2年便有一項代表性成果發(fā)布。 1943-2024年代表性氫醫(yī)學相關研究成果
發(fā)展現(xiàn)狀： 氫醫(yī)學的高速發(fā)展勢頭仍將延續(xù)
目前，氫醫(yī)學的應用場景日益廣泛，不僅在醫(yī)院臨床治療中展現(xiàn)潛力，也在亞健康管理、運動康復、美容抗衰老等大健康領域受到關注。具體而言，其發(fā)展現(xiàn)狀主要包括四個方面： 氫醫(yī)學證據(jù)質量不斷提升 氫醫(yī)學之所以能夠在不到20年的時間里發(fā)展到如今的規(guī)模和體量，很大的原因就是得益于氫醫(yī)學的基礎研究工作。目前，氫醫(yī)學研究幾乎涵蓋了所有系統(tǒng)的各類疾病，超過170種疾病模型。而隨著氫醫(yī)學基礎研究對疾病種類的趨于飽和，以及氫醫(yī)學轉化應用的需要，高質量的臨床研究逐步受到重視。目前，氫醫(yī)學的臨床研究論文總量已經(jīng)突破160篇，包括呼吸、循環(huán)、消化在內的人體主要系統(tǒng)。不同的氫氣治療手段對于不同系統(tǒng)的疾病具有各自的優(yōu)勢。
呼吸系統(tǒng)
對于呼吸系統(tǒng)而言，氫氣吸入是最為直接的治療手段。氫氣分子量小、氣道阻力低，同時其能夠直接作用肺泡上皮細胞，并迅速通過氣體交換進入循環(huán)。具體案例包括： ? 氫氧混合氣能夠減少氣道呼吸阻力，緩解慢性阻塞性肺疾病患者急性加重期癥狀； ? 氫氣對2019冠狀病毒病（COVID-19）引起的急性呼吸窘迫具有改善作用，可提高缺氧患者的氧飽和度。 消化系統(tǒng)
對于消化系統(tǒng)而言，可通過飲用氫水的方式達到治療目的。一方面，氫氣呼氣試驗可作為胃腸道疾病診斷；另一方面富氫水能夠增加腸道雙歧桿菌水平，以腸道菌群作為媒介治療消化系統(tǒng)疾病。具體案例上，利用腸道菌群可以利用益生元產氫的原理，使用阿卡波糖內源性增加氫氣產生，從而改善2型糖尿病患者的炎癥水平。
循環(huán)系統(tǒng)
一般而言，可以通過在高通量的血液透析和腹腔透析過程中引入氫，使其可以直接作用于循環(huán)系統(tǒng)。富氫血液透析可以有效降低在透析過程中的氧化應激水平，并改善患者的營養(yǎng)狀況；此外，富氫血液透析能夠改善患者的預后，降低患者心血管事件的發(fā)生。
以上部分典型的氫醫(yī)學臨床研究為推動氫醫(yī)學走向應用起到了性的作用，而未來氫醫(yī)學需要更多高水平的臨床研究，進一步為氫氣的有效性提供強有力的證據(jù)。
氫醫(yī)學研究機制不斷深入 得益于氫氣獨特的理化性質，氫分子能夠快速穿透生物膜，到達細胞及亞細胞內并發(fā)揮效能。逐漸增多的證據(jù)表明，氫氣具有顯著的抗氧化、、減少細胞死亡等作用。 抗氧化方面，氫氣發(fā)揮抗氧化作用的機制可歸納為兩點： 一是氫分子通過隨機碰撞與自由基發(fā)生非酶促相互作用。這種相互作用具有強選擇性，即氫氣容易與氧化能力較強的氧化劑發(fā)生反應，如羥自由基、過氧亞硝基陰離子，這兩種強氧化劑易與核酸、脂質和蛋白質反應，導致DNA斷裂、脂質過氧化和蛋白質失活。而氫氣對于那些氧化能力較弱的信號氧化劑，如超氧陰離子、一氧化氮、過氧化氫等反應性較低。氫氣的這種選擇抗氧化性能很好避免強氧化劑對生物大分子造成的氧化應激損傷，且不影響機體本身信號轉導相關的活性氧。由此從調節(jié)氧化應激的角度來看，氫氣比普通氧化劑，如維生素C、維生素E等更具優(yōu)勢。 二是氫氣可能通過激活內源性抗氧化系統(tǒng)實現(xiàn)抗氧化作用，如氫氣能通過增加過氧化氫酶、超氧化物歧化酶或血紅素氧合酶-1的表達來提高細胞保護效應。 方面，氫氣可以通過直接下調炎癥細胞因子阻止中性粒細胞和巨噬細胞的浸潤來抑制組織損傷。同時，氫氣減輕炎癥的反應也可能與其調節(jié)細胞信號傳導和基因表達相關。研究發(fā)現(xiàn)氫氣能夠顯著調控多個急性驗證其反應信號通路。此外，氫氣也被證明具有抗凋亡、調節(jié)能量代謝及細胞信號通路等作用。 而在進一步的機制方面，當前針對氫氣的研究機制逐漸深入至氫氣的靶分子這一關鍵問題。氫氣通過清除羥自由基發(fā)揮抗氧化的作用是明確的，而氫氣是否能夠通過影響自由基水平進而調控生物大分子的表觀修飾值得探討。上海交通大學氫科學中心何前軍教授的最新研究成果表明，鐵卟啉可以作為氫氣分子催化劑，介導催化加氫反應；此外，也有學者提出氫氣是否能夠通過類似惰性氣體的形式作用蛋白質分子。哈佛大學研究人員在Cell發(fā)表關于氫氣作為21脫羥基酶底物參與腸道內孕的生成的研究，提示這種酶可能是氫氣發(fā)揮生物作用的調控分子，這一線索將有助于人們尋找到氫氣的特異性生理效應靶向分子。無論如何，對于氫氣直接作用靶點的探索必然是氫醫(yī)學未來需要攻克的難題。
氫醫(yī)學研究范圍不斷拓展 隨著廣大人民群眾對生活質量的要求日漸提高，衛(wèi)生健康整體的政策業(yè)已發(fā)生了方向的轉變。2024年6月，國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布了《關于開展全面健康素養(yǎng)提升3年行動（2024—2027年）的通知》，重點強調進一步推動衛(wèi)生健康工作從“以治病為中心”向“以健康為中心”轉變。而氫醫(yī)學的內在屬性決定了其要堅持“以健康為中心”，發(fā)揮疾病預防與健康促進的作用。 過去的氫醫(yī)學無論是基礎研究還是臨床研究，更多的關注點還是在疾病的治療上。然而無論是氫氣的生物學效應的特點，還是氫氣的應用形式，人們使用氫氣更理想的是一種以日常生活方式的形式融入到整個生命周期：從本質屬性來說，氫氣不同于藥物，其對于生物體具有極高的安全性，客觀上保證了其可以長期使用；而經(jīng)濟性方面，其以極低的成本換取潛在的健康，是氫氣能夠作為日常健康維護重要手段的原因。此外，從三級預防的角度，氫醫(yī)學在各級預防中都能發(fā)揮有效作用：從氫氣的效應和機制上看，氫氣可以達到“治未病”的效果，實現(xiàn)病因預防。氫氣在疾病早期同樣可以起到逆轉或者減緩進展的效果，發(fā)揮臨床前的預防作用；在臨床預防上，氫氣的使用可以配合藥物或者臨床治療手段，不僅可以提高治療效果，還可以改善生活質量減少臨床治療的副作用。 而進一步地，從健康促進或疾病預防的手段上來說，氫氣對于營養(yǎng)、運動、心理和康復也有獨特的效用，從這一點上來說氫農業(yè)和氫醫(yī)學在某種意義上具有奇特的關聯(lián)性：目前，研究發(fā)現(xiàn)氫氣對于食物營養(yǎng)價值及人體營養(yǎng)代謝都可產生影響。 食物營養(yǎng)價值方面，一項研究表明，富氫水洗滌黃油可以降低其酸度值，在保證口感的同時增加安全性。氣調保鮮技術是果蔬運輸儲存延長保鮮時間的重要手段。氫氣氣調對于延長果蔬保質期、維持活性營養(yǎng)素成分有顯著價值。 人體營養(yǎng)代謝方面，氣對人體營養(yǎng)物質代謝的影響可以總結為兩大方面：一方面氫氣能夠調控營養(yǎng)物質的消化吸收和代謝，特別是脂代謝方面：氫氣能夠調控膽固醇轉運等，對脂代謝紊亂具有預防價值；另一方面，氫氣能夠協(xié)同營養(yǎng)物質更好地發(fā)揮后者的生理功能，如氫氣能夠協(xié)同維生素C發(fā)揮效應。 而在其他方面，氫氣同樣具有獨特的效用。例如運動方面，氫氣在提高運動表現(xiàn)及加快能力恢復上展現(xiàn)出卓越的效果，這能夠為運動者增強信心并激發(fā)動力，同時氫氣可以防治運動傷的發(fā)生，延長運動員職業(yè)生涯；心理方面，氫氣被證明能夠改善使用者的心理狀況，如焦慮、抑郁等情緒。隨著衛(wèi)生健康工作從“以治病為中心”到“以健康為中心”的轉變過程中，氫醫(yī)學的研究邊界將不斷得到拓展，進一步深入普羅大眾的日常衛(wèi)生健康生活中。
氫醫(yī)學研究模式不斷創(chuàng)新 氫醫(yī)學的發(fā)展還體現(xiàn)在研究者對氫氣的認知不斷突破。最初，氫氣在生物醫(yī)學領域面臨大量質疑，因此氫醫(yī)學研究者最開始所遵循的是傳統(tǒng)醫(yī)學研究的規(guī)律和方法，即聚焦在以藥理學研究為代表的經(jīng)典研究；而隨著氫醫(yī)學進一步發(fā)展，近年來，研究者不斷在嘗試用新的手段、新的理論、新的工具去解決氫醫(yī)學問題。 氫氣給藥方式創(chuàng)新。為了解決氫氣給藥的局限性，固態(tài)氫載體被用于氫醫(yī)學研究，其中，以氫化鎂、氫化鈣及納米硅為代表的固態(tài)氫載體被用于各類疾病模型。固態(tài)氫載體最大的優(yōu)勢在于能夠有效控制劑量且實現(xiàn)高劑量給氫，為氫氣的劑量效應研究提供了新手段。此外，固態(tài)氫載體可以引入氫熱協(xié)同效應，更為有效地用于癌癥治療。 氫氣使用劑量提高。在提高氫氣劑量上，有研究采用完全不同的思路，將氫氣以納米氣泡（1μm以下）的形式分散在水中，一方面增加了水中的氫含量，另一方面延長了氫氣在水中的時間。 氫氣檢測技術創(chuàng)新。氫醫(yī)學基礎研究的困境很大程度上是受限于氫氣檢測技術，由于氫分子足夠小，現(xiàn)有的檢測設備很難完成氫氣的體內檢測。因此，環(huán)境檢測中的氫電極被應用于監(jiān)測動物體內氫含量的變化。但由于該方法對檢測對象的穩(wěn)定性要求較高，而活體檢測對象是動態(tài)變化的，因此該方法在動物體內檢測時存在局限性。近年來，生物傳感器被廣泛地應用于生物醫(yī)學研究。基于此思路，何前軍團隊利用鐵卟啉作為氫氣分子的生物傳感器開發(fā)了氫探針，可以用于檢測體內氫氣含量。 氫醫(yī)學理論層面突破。在氫醫(yī)學理論層面，馬雪梅教授提出了線粒體I氫化酶活性假說，核心觀點為線粒體復合物I仍然保留氫化酶活性，能夠直接利用或者生成氫氣，進而維持氧化還原穩(wěn)態(tài)。2024年，發(fā)表在Cell的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群在甾體21去羥化酶參與下以氫氣作為輔基調控物質代謝，該研究為氫氣、腸道菌群和健康效應之間的聯(lián)系開創(chuàng)了新的理論基礎。氫醫(yī)學理論和技術上的創(chuàng)新，是其發(fā)展的原動力，國內外學者也在積極探索，期望在氫醫(yī)學的基礎研究上取得突破性進展。 學科交叉融合。近年來，材料學和納米技術的發(fā)展也給氫醫(yī)學帶來了機遇，結合藥物的靶向傳遞技術，研究人員利用納米載體（如納米顆粒、納米棒等）實現(xiàn)了局部產生和釋放氫氣的目的。典型研究包括光催化TiO2釋氫治療糖尿病傷口愈合、納米鈀催化產氫治療阿爾茨海默病、熱療聯(lián)合PdH0.2納米材料釋氫治療乳腺癌等。 此外，氫醫(yī)學效應特點與中醫(yī)藥有許多相似之處，國內學者將氫醫(yī)學與中醫(yī)相結合，提出了氫中醫(yī)理論；氫氣聯(lián)合中藥實現(xiàn)了療效的倍增。氫氣聯(lián)合干細胞、氫氣聯(lián)合營養(yǎng)素、氫氣聯(lián)合放化療等都被證明取得了顯著的效果。氫醫(yī)學與其他學科領域的交叉融合是其實踐過程中的重要探索。但要實現(xiàn)更大的突破，需要創(chuàng)造性地理解和深化這種交叉的形式與深度。
發(fā)展現(xiàn)狀面臨挑戰(zhàn)與建議： 氫醫(yī)學仍未“從弱到強”
氫醫(yī)學的特點和優(yōu)勢決定了其在人們追求更高健康水平的道路上能夠扮演重要的角色。從1943年到現(xiàn)在，氫醫(yī)學已經(jīng)實現(xiàn)了從無到有、從小到大的轉變，但要實現(xiàn)從“初露鋒芒”到“中流砥柱”的轉變，仍面臨諸多挑戰(zhàn)： ? 科學性質疑：起步晚，研究者相對較少，加之部分非專業(yè)宣傳的夸大，導致公眾乃至部分學術界對其科學性存疑。 ? 理論體系不完善：新興學科理論構建尚需時日，現(xiàn)有生物醫(yī)學理論難以完全解釋氫氣的復雜效應。 ? 基礎研究受限：氫氣分子小、易擴散，體內精準檢測、追蹤和定位仍是技術瓶頸。 ? 高等級臨床證據(jù)不足：亟需更多大規(guī)模、高質量的隨機雙盲對照臨床試驗，但這需要巨大的資源投入，而氫氣作為簡單分子，其藥物商業(yè)潛力尚未充分吸引投資。 ? 產業(yè)生態(tài)未形成：公眾認知度影響市場需求，尚未形成成熟的產業(yè)鏈和行業(yè)規(guī)范。 針對這些挑戰(zhàn)，專家建議：整合優(yōu)勢資源，攻克關鍵科學問題；構建專業(yè)研究平臺，加速人才培養(yǎng)；加強科普推廣，提升社會認知；制定行業(yè)標準，推動產業(yè)良性發(fā)展。
氫醫(yī)學，作為一門充滿活力的新興交叉學科，正以其獨特的魅力和巨大的潛力，為我們理解生命現(xiàn)象和攻克疾病挑戰(zhàn)開辟了新的視角。從最初的潛水醫(yī)學探索到如今覆蓋全身各系統(tǒng)的多疾病研究，從選擇性抗氧化的精妙機制到“治未病”的健康管理理念，氫氣這個宇宙中最簡單的元素，正展現(xiàn)出其不凡的醫(yī)學價值。 誠然，氫醫(yī)學的發(fā)展之路并非一帆風順，理論深化、技術突破、臨床驗證、產業(yè)規(guī)范等諸多環(huán)節(jié)仍需科研工作者、醫(yī)務人員、產業(yè)界乃至全社會的共同努力。但正如每一次醫(yī)學革命的開端，挑戰(zhàn)與機遇并存。我們有理由相信，隨著研究的不斷深入和應用的持續(xù)拓展，氫醫(yī)學必將在未來的健康事業(yè)中扮演越來越重要的角色，為提升人類健康水平、構建美好生活貢獻獨特的力量。
