第二節 大腸內細菌可產生氫氣

人體大腸內細菌可以產生氫氣，至少從一個角度說明氫氣屬於內源性氣體，可以說是人體細胞的正常環境。雖然這個證據不能作為氫氣絕對安全條件，但氫氣至少具有安全的前提。

一、腸道氣體的研究

關於大腸氣體產量和成分的研究已經有很長的歷史，早期主要針對氣體的組成和來源。儘管現在我們對大腸氣體來源的具體細節的認識仍是非常膚淺，但關於大腸細菌產生氫氣的有關資料卻是非常豐富的。

根據文獻，最早嘗試測定大腸氣體的應追溯到1868年，德國學者，大腸氣體學創始人Ruge E利用一個特殊的椅子固定受試者，通過玻璃管從肛門連接並通過排水氣體收集法採集氣體。1942年，Beazell和Ivey通過對一些健康人24小時收集到的屁進行測定，結果發現一個人一天的產氣量為380~655ml。後來Kirk證明，食物中纖維素可以增加產氣量。Steggerda每天從一些原來認為不產生氣膳食(煮雞蛋、精牛肉和蘋果汁)者收集到的氣體平均為360ml，進行成分分析發現7.4%為甲烷，19.8%為氫氣，首次證明甲烷和氫氣來自大腸菌群。在隨後的7天試驗中，研究者通過給受試者增加不同類型的豆類食物，在不改變總體蛋白、脂肪和糖類，穩定總體能量攝取的情況下，觀察不同食物類型對人體產氣體的影響。結果發現，小分子糖類(碳水化合物)，如單糖、二聚糖和寡聚糖都可促進氣體產生。以豬肉和大豆為主要食物，可以將產氣量增大到4.2倍。使用恒流灌注技術，Levitt等證明，在所有健康人的大腸內都可產生氫氣，大腸產生氫氣的量幾乎全部依賴於細菌對食物來源成分的發酵。

人類結腸氣體主要是由氫氣、二氧化碳、甲烷、氮、氧氣和其他痕量氣體組成。氮和氧氣主要是從口腔、經過吞嚥攝取到消化道。大腸氣體中積積分數最高可達74%的氫氣和二氧化碳可由大腸菌群產生，這些細菌通過消化那些逃脫人體消化酶的膳食成分，或者來自大腸黏膜脫落的內源性“食物”。某些痕量氣體成分確實痕量，例如曾有個研究發現，人體大腸內硫化氫的濃度只有1.06，甲硫醇的濃度只有0.21、二甲硫的濃度只有0.08。上述痕量氣體不僅非常容易擴散，而且容易被降解，導致這些痕量氣體成分最後通過肛門釋放出對的濃度可能比大腸內更低。

大腸內氣體成分不僅受到細菌種類的影響，而且還和宿主生理狀態關係密切。二氧化碳、氫氣和甲烷的30%~40%可被大腸黏膜吸收進入循環系統轉移到全身，最後經過皮膚和肺呼吸釋放到體外。留下來的氣體中氫氣等可以被其他細菌利用，或者最終經肛門釋放。因此，氫氣的濃度可以反映產氫菌和利用氫氣菌之間比例關係。

典型的西方膳食中有不足20%的糖類不能被人體直接吸收，理論上計算，每克葡萄糖被細菌利用可以產生340ml氫氣，因此，可以推算人體內細菌產生氫氣的最大潛力為13L。但是Strocchi和Levitt用葡萄糖灌流試驗發現，每克葡萄糖只能產生80ml氫氣，而不是340ml。說明細菌的能量代謝並不是那麼簡單，也存在不產生氫氣的代謝途徑利用能量物質。Hammer發現，攝取12.5g乳果糖每6小時只能產生50~200ml氫氣。實際上，不同的膳食成分和個體，產生氫氣的量存在巨大差異。這種差異反映人體和細菌之間存在非常複雜的關係和多種可能的影響因素。例如，食物的種類、成分和量，大腸內微生物利用糖類的能力、不同類型的產氫和用氫菌的數量和位置分布，腸道的蠕動效率、酸鹼性和硫化物等環境因素。

關於大腸氣體的成分，美國太空總署在進行阿波羅計劃時，曾經進行過比較詳細的研究。一般人或許會有疑問，美國太空總署為什麼會對大腸氣體的成分產生興趣，其實這涉及太空船內部的安全管理的重大問題，因為太空人自己產生的高比例含量的可燃性氣體，如果不加以妥善處理，說不定會在某種情況下點燃這些氣體，以致在太空船中引起爆炸或火災。另外這些成分中有一些有毒成分，如果不採取針對性處理措拖，可能會對太空人的健康產生危害。美國太空總署的研究者經過仔細分析發現，人體大腸的氣體成分多達400種。其中主要的成分是氮、氫、二氧化碳、甲烷、氧等無臭味氣體，另外是微量的氨、硫化氫、吲哚、糞臭素、揮發性胺、揮發性脂肪酸等惡臭氣體。不過將產生惡臭的全部氣體集中起來，體積分數也不到1%。在氣體成分中，除了氮、氧外，絕大多數的氣體都是由腸內細菌製造出來的。

二、大腸內氫氣的生物學效應

過去人們對大腸內氫氣的認識比較膚淺，大部分人認為大腸內氫氣屬於細菌代謝的廢物，對人體並沒有什麼特殊的影響。但隨著氫氣分子生物學效應的發現，人們逐漸考慮是否可以通過誘導大腸細菌產生氫氣來發揮對某些疾病的治療作用。

最早提出這一問題的正是日本醫科大學太田成男課題組，他們通過對健康人口服阿卡波糖(拜糖平)後呼吸氣體成分進行分析，發現阿卡波糖可以顯著提高呼吸氣體中氫氣的濃度，而且對甲烷的濃度沒有影響。阿卡波糖是一類治療糖尿病的藥物，其作用機制是抑制小腸上皮吸收葡萄糖，由於小腸吸收葡萄糖減少，葡萄糖會隨著腸道蠕動被輸送到大腸內，大腸內的細菌可以利用葡萄糖，並產生大量氫氣。因此，這類藥物存在比較普遍的副作用是腹脹和多屁。在阿卡波糖的早期研究過程中，曾經發現阿卡波糖具有明顯的心臟保護作用，而這種心臟保護作用的分子機制並不十分清楚。既然口服阿卡波糖能促進氫氣的產生，而氫氣對心臟疾病具有保護作用，因此他們推測，阿卡波糖之所以具有心臟保護作用是因為可以促進大腦內氫氣的產生。儘管非常有可能，但這一假設仍沒有比較明確的客觀證據。

既然內源性氫氣具有保護作用，那麼進一步誘導氫氣的產生是否可以加強或產生額外的保護效應呢？最近有學者發現，口服纖維素或變性淀粉可以通過誘導大腸內細菌產生氫氣對肝臟缺血具有保護作用。研究者給大鼠連續7天食用其無法直接消化的纖維素或變性淀粉，通過檢測肝臟轉氨酶活性表示肝臟功能或肝臟損傷程度，利用氧化型谷胱甘肽和總谷胱甘肽的比值表示肝臟氧化應激的程度，並檢測大腸產生氫氣的濃度等手段。研究結果發現，口服纖維素或變性綻粉可以促進氫氣的產生，提高缺血肝臟的功能，減少氧化應激。研究結果證明了這樣的推測，即通過促進大腸產生氫氣可以治療疾病。食用纖維素已經在多年前證明具有治療疾病的作用，但一直無法確認其治療疾病的機制。變性綻粉也已經有許多相關產品，雖然有許多解釋，但一直沒有比較確認的機制。這一研究從食用纖維素和變性綻粉可促進大腸氫氣產生的角度，給出了一個比較明確清晰的機制解釋。

關於大腸內的氫氣是否存在效應，氫分子生物學領域一直存在一個爭議。由於體內產生氫氣的數量巨大，例如有報導正常人體細菌可以產生140 ml氫氣甚至更多，這樣的數量相當於10 L飽和氫氣水的劑量。許多關於氫氣生物學效應的動物和臨床研究最多的也就是注射或飲用這一劑量的10%~20%，如此小的劑量，其效應為什麼沒有被相對劑量更多的內源性氫氣的效應所掩蓋？這一現象必然存在兩個疑問，一是內源性氫氣是否具有作用？二是相對低劑量的外源性氫氣為何能發揮作用？這一明顯的悖論如同魔咒，一直籠罩在氫分子生物學研究領域。

最近有一項研究給上述疑問提供了一種比較合理的解釋。該研究作者分別觀察了帕金森病動物模型、健康人和帕金森病患者，利用口服乳果糖誘導大腸細菌產生氫氣。乳果糖是一種人體無法直接吸收的二糖，可以進人大腸被細菌利用並產生氫氣。乳果糖在臨床上被廣泛用於改善便秘和治療肝性腦病。28名健康人、37名帕金森病患者和9隻大鼠喝氫氣水或口服乳果糖，通過測定呼氣末氫氣濃度。腦內注射6-OHDA誘導6隻大鼠單側帕金森病模型。作者比較了連續呼吸氫氣和間隔呼吸氫氣的作用。從模型制備手術前1周加手術後4周，連續5週。間歇呼吸組呼吸2%的氫氣15分鐘，間歇呼吸空氣45分鐘，每天從6點到18點12小時循環12次。間歇有兩層含義，每小時15分鐘加45分鐘12個循環，然後間歇12小時；對照組24小時連續呼吸2%的氫氣。

研究結果發現，口服乳果糖也可以使9隻大鼠產生單相氫氣增加。非常意外的是，口服乳果糖和連續呼吸氫氣都不能明顯改善6-OHDA 誘導的帕金森病症狀。但是間歇呼吸氫氣卻可以使6隻動物中的4隻獲得顯著改善。這個研究說明，氫氣間歇呼吸比連續呼吸的效果更好。而飲用氫氣水對帕金森病的治療作用非常理想。研究結果說明口服乳果糖和連續呼吸氫氣，這種連續提高體內氫氣水平的方法至少對帕金森病的治療效果不理想。

值得注意的是，由於氫氣從機體釋放的速度非常快，飲用氫氣水更加類似於間歇呼吸氫氣的情況。這一研究可以解釋為什麼我們人體內存在大量氫氣，但喝氫氣水或短時間呼吸氫氣的效果反而更理想。因為該研究發現，持續給氫氣不如間隔給氫氣的效果好。而體內氫氣是以一種持續穩定的方式產生，無法達到飲用氫氣水、間歇呼吸或注射一過性增加氫氣的理想效果。儘管作者沒有提供分子水平的證據，但至少給我們提供了一種相對合理的解釋。

關於內源性氫氣治療疾病比較充分的理由是來自美國哈佛大學波士頓兒童醫院的一項研究。該研究主要是分析大腸內細菌產生的氫氣是否具有肝臟保護作用。研究採用刀豆素A誘導的肝臟損傷模型，包含3個方面的內容。第一項研究證明正常大腸細菌具有保護肝臟損傷的作用。第二項研究結果表明，在阻斷內源性氫氣產生的條件下，外源性氫氣對刀豆素A誘導的肝臟損傷後炎症反應和肝功能下降有明顯的治療作用。第三項研究是通過構建可以產生氫氣的細菌，觀察給動物補充產生氫氣的大腸細菌是否可以對抗刀豆素A誘導的肝臟損傷。結果表明，通過補充可產生氫氣的細菌以重新恢復因抗生素造成的內源性產生氫氣細菌不足而失去對肝臟損傷保護效應。這一項研究非常全面地證明了大腸細菌產生的氫氣具有生物學效應。

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