第三節 氫分子生物學的研究概況

21世紀初，在企業界廣泛開發氫氣相關產品的同時，氫氣的生物效應也受到學術界的重視。在日本，參與氫氣效應研究的單位有將近10個。在這些研究機構中，日本醫科大學老年病研究所最早開展氫氣生物學研究，也最為成功。該研究所的首席教授太田成男是老年病研究的資深專家，過去主要的研究領域是線粒體與衰老的關係，他是日本線粒體學會、細胞死亡學會和氫氣生物學研究會等的理事長，在國際上特別是在亞洲生物化學領域具有非常高的學術地位。受日本氫氣企業的委託，在太田成男教授帶領下，日本醫科大學老年病研究所從2003年開始氫氣治療疾病的相關研究。經過將近4年的潛心研究，2007年7月，他們終於證明呼吸少量氫氣(1%~4%，呼吸35分鐘)具有強大的選擇性抗氧化作用，通過中和毒性自由基，顯著減少腦缺血再灌注損傷導致的腦梗死(圖2-2)，其治療腦缺血的效果類似免疫抑制劑FK-506，明顯超過目前臨床上用於治療腦缺血的抗氧化藥物依達拉奉。他們的研究論文以論著形式發表在世界著名雜誌《自然醫學》上。日本各大媒體對此研究成果都進行了報導(圖2-3)。隨後他們又報導呼吸少量氫氣能治療肝臟和心臟缺血的研究。日本學者的這些研究報導徹底改變了學術界對氫氣的認識，並迅速引起日本、美國和中國等國家學者的廣泛關注，5年後發表在《自然醫學》上的論文被引用次數已經超過300次，成為這一領域的經典之作。

圖2-2：氫氣治療腦缺血的典型變化
TTC染色可以清楚區分正常和損傷腦組織，正常腦組織為紅色，損傷或梗死的腦組織為白色。上圖中左側來自沒有呼吸氫氣的大鼠單側缺血腦組織，右側來自呼吸2%氫氣的大鼠單側缺血腦組織。結果顯示氫氣治療效果十分顯著

圖2-3：日本各大新聞媒體對氧氣生物學研究的報導

我們課題組長期從事潛水高氣壓醫學研究，而潛水高氣壓醫學最主要的研究對象是各類可以被人呼吸的氣體，氫氣正是潛水高氣壓醫學領域重點研究的氣體類型之一。潛水高氣壓領域一直認為，氫氣和氮氣、氦氣一樣，都屬於生理學惰性氣體。所謂生理學惰性氣體，是指可以被人體呼吸，不與人體內任何物質發生化學反應，吸入多少將會通過呼吸排除多少的氣體。作為國際上潛水醫學領域的重要團隊，我們一直深信氫氣的生物學效應已經非常清楚，那就是沒有明顯的生物學效應，只有在極高劑量情況下才會有一定作用，日本學者的研究發現了氫氣的生物學效應，徹底顛覆了學術界的傳統觀點，這讓我們十分震驚。震驚之餘，必然非常有興趣，我們帶著疑惑的心態學習和分析了這些文獻。我們當時的理解是，氫氣生物學效應竟然如此令人吃驚，因為該研究發現，只需要呼吸35分鐘2%的氫氣，就可以非常有效地治療腦缺血再灌注損傷。不過當時看完這個文章，也只是停留在吃驚上，並沒有引起我們更大的興趣，甚至仍有一些半信半疑。又過了2個月，日本醫科大學又在另一家非常有名的雜誌《生物物理生物化學通報》上發表另一篇研究報導，證明呼吸氫氣可以治療肝臟缺血再灌注損傷。這個研究非常簡單，只進行了3個方面的研究，一個是採用常規的病理學染色，證明氫氣能保護肝臟組織損傷；另一個使用一種非常簡單可以反映組織氧化損傷的指標MDA，證明氫氣具有抗氧化作用；第三種方法是檢測肝臟功能，就是我們平常使用的轉氨酶活性。這樣的3個研究方法或指標，對許多普通的生命科學研究實驗室來說，簡直就是不費吹灰之力。我們當時就想，這些日本學者簡直就是撿論文了，而且那麼容易，那麼方便。作為一個科研人員，當然無法拒絕這種發現新現象的誘惑，我們也開始準備做這個工作，順便撿一些論文。於是我們就開始了氫氣治療疾病的研究。開始的時候，我們採用日本學者類似的手段，證明呼吸氫氣可以治療新生動物腦缺血缺氧後腦病，我們只用了很短的時間就完成了該研究，並迅速在《神經科學通訊》上發表了論文。論文引用次數是國際上通用的評價論文的一種重要標準，雖然《神經科學通訊》檔次不是太高，但5年後的今天這些論文被引用次數已經超過100次，在該雜誌5年內刊登所有5000餘篇論文中排在前十名，這應該是相當不錯的成績。

2008年，日本醫科大學再次發表一篇論文，證明呼吸氫氣可以治療心臟缺血，這顯然是可以理解的，開始研究腦缺血和肝缺血，後來又研究心肌缺血，將來應該有更多研究，這也正好說明該小組對這一問題的重視和肯定。這個時候來自美國匹兹堡大學的一個關於呼吸氫氣治療小腸移植的研究也發表了。匹兹堡大學是世界上器官移植最高水平的學術機構，人類第一例肝臟、心臟和腎臟器官移植都是在這裡完成的。儘管現在各類器官移植都取得了很好的效果，但肺和小腸由於容易發生炎症反應，一直是學術界難以克服的障礙。該大學一個小組發展了使用氫氣對抗小腸器官移植損傷的研究。從文章提供的病理切片上可以非常清楚地看出氫氣治療的效果非常顯著(圖2-4)，他們還首次在國際上證明氫氣具有抗炎症作用。由於氫氣具有抗炎症作用，提示氫氣可能對其他類型的炎症也可能具有治療作用。這一研究對氫氣生物學效應的研究產生了重要影響。5年後這一文章被引用已經達到120次，成為繼日本醫科大學的幾篇論文外影響最大的論文之一。後來匹兹堡大學又相繼報導了氫氣對心、肺、腎臟和血管移植治療效果的系統研究。

為什麼氫氣生物學研究迅速引起學術界的廣泛關注，氫氣為什麼會產生治療疾病的效果？日本醫科大學在他們2007年發表的論文中給出的解釋是氫氣具有選擇性抗氧化作用。我們這裡要解釋一下什麼是氫氣的選擇性抗氧化作用。

圖2-4：氫氣對移植後小腸損傷的保護作用
A為組織H-E染色，從左到右分別為正常小腸組織，移植後小腸組織和氫氣治療移植後小腸組織，可以清楚區分氫氣治療可以使損傷的小腸組織顯著改善。B為對圖A的量化分析數據。C採用通透性改變作為小腦功能指標，結果提示氫療可以減少小腸通透性，增加小腸功能。(此圖根據Buchholz等2008年發表在《移植》雜誌上的文章修改)

自由基是含有未成對電子的原子、原子團或分子，自由基是維持正常生命所必須的物質，自由基反應是生物化學最基本的反應類型之一，是生物體能量代謝的基礎。自由基有許多類型，一部分自由基是細胞內重要信號分子，是具有生物功能的，有正面作用；另一部分自由基是生物大分子、細胞的危險殺手。生理情況下，體內自由基不斷產生，也不斷被清除，使之維持在一個正常生理水平上，自由基過多或過少均會給機體造成不利影響，甚至傷害。生物體內自由基類型包括半醌類、氧、碳和氮自由基等，其中研究較多的是氧自由基和氮自由基。氧自由基包括超氧陰離子，單線態氧和羥自由基，因過氧化氫等在生物學作用上與氧自由基類似，常把氧自由基和過氧化氫等共稱為活性氧。比較重要的氮自由基有一氧化氮和過氧亞硝基陰離子。

當生物體器官或組織發生缺血或炎症時，細胞內含大量產生各類活性氧，在這些活性氧中，過氧化氫和一氧化氮等具有非常重要的信號作用，毒性作用很弱，而羥自由基和過氧亞硝基陰離子毒性強，是導致細胞氧化損傷的主要介質。過去針對氧化損傷治療的研究思路是尋找足夠強的還原性物質，還原性太強，必然導致內源性氧化還原狀態的失衡，甚至是導致抗氧化治療無效的關鍵原因。因此，尋找可選擇性中性羥自由基和過氧亞硝基陰離子的物質，才是治療各類氧化損傷的有效方法，是抗氧化應該選擇的正確思路。

目前，人們在尋找選擇性抗氧化物質的研究方面的進展仍然比較緩慢，比較明確的選擇性抗氧化物質比較少。2007年日本學者的文章有明確的證據證明氫氣具有選擇性中和強毒性自由基的作用，也就是說氫氣是一種選擇性抗氧化物質。

作為一種選擇性抗氧化物質，氫氣在治療疾病中具有非常誘人的前景，但呼吸氫氣並不是一個很讓人滿意的手段，因為氫氣和氧氣混合可以發生燃燒和爆炸，有一定危險性。那麼有沒有更好的手段和方法來利用氫氣呢？其實，呼吸2%的氫氣本質上是氫氣溶解在血液中，經過循環到達大腦等器官發揮作用。氣體的溶解量和濃度有關，2%的氫氣和100%的氫氣溶解的濃度相差60多倍，如果我們把水溶解100%的氫氣，那麼就可以使用少量氫氣溶液來發揮同樣的作用。這種溶解氫氣的溶液就是富氫氣水或氫氣飽和水，通常簡稱氫水。在2007年開展氫氣效應研究的早期，我們就遇到這些理論的問題。由於我們長期從事潛水氣體醫學研究，這些知識都屬於我們的專業知識，很容易就明白。於是我們就在國際上首先制備出氫氣飽和生理鹽水，並開展了一系列的研究。

首先我們用呼吸氫氣實驗中同樣的動物疾病模型，證明注射少量這種生理鹽水(類似成人注射500ml)能非常有效地治療新生動物腦缺血缺氧性腦病。由於這個模型採用的出生後8天的動物，不能進行比較複雜的行為學研究。我們將治療和對照動物飼養到1個月以後，採用水迷宮游泳實驗檢測動物的學習記憶能力，結果發現沒有治療的動物學習記憶能力明顯下降，而治療組的動物學習記憶能力顯著提高。

然後我們和上海長海醫院等單位合作，開展動物小腸缺血後損傷的研究。很快我們發現氫氣飽和生理鹽水對小腸缺血引起的小腸運動功能下降，小腸組織細胞凋亡和肺組織炎症具有明顯的治療作用(圖2-5)。我們和上海長征醫院合作，證明注射氫氣飽和生理鹽水可以治療急性胰腺炎。急性胰腺炎最有效的治療藥物是用蛋白酶抑制劑，儘管效果明顯，但價格異常昂貴；如果氫氣可以有效治療該疾病，就能減少蛋白酶抑制劑的使用量或者能提高治療效果，這顯然可以節省大量治療費用。脊髓創傷可導致癱瘓，嚴重影響患者生活質量，目前並沒有非常有效的治療手段。我們的研究發現，在脊髓創傷早期使用氫氣飽和生理鹽水，可以使脊髓損傷後肢癱瘓的動物恢復運動能力，減少損傷部位的神經壞死細胞，胰頭部腫瘤等可導致壺腹部位壓迫引起膽管阻塞，導致肝臟膽汁淤積，隨後會產生肝損傷，肝硬化、腹水和體質量下降。

圖2-5：氫氣生理鹽水對小腸缺血再灌注損傷的治療作用
A、為正常對照組 B、為小腸缺血 C、小腸缺血氫氣治療組 D、小腸缺血氮氣治療對照組

我們和東方肝膽外科醫院合作研究發現，如果在膽管阻塞後連續腹腔注射氫氣飽和生理鹽水，可以減少肝臟損傷和腹水，並顯著增加動物體質量。長期吸菸可以導致慢性阻塞性肺損傷，我們和復旦大學上海醫學院生理學系合作研究發現，採用慢性吸菸動物模型，證明用氫氣1周內就可以逆轉動物肺出血和炎症反應。我們和中國醫科大學附屬醫院神經內科合作開展動物老年性癡呆的研究，發現氫氣可以有效治療動物老年性癡呆，其作用和一些影響神經細胞壞死的重要信號通路關係密切。我們和泰山醫學院動脈粥樣硬化研究所泰山學者秦樹存教授合作，開展氫氣對動脈粥樣硬化治療的研究，研究結果發現，注射氫氣飽和生理鹽水可以有效治療因高脂飲食和基因缺陷引起的動脈粥樣硬化。我們還發現，注射氫氣飽和生理鹽水可以治療糖尿病以及糖尿病後視網膜損傷。

這期間偶然聽說一個真實民間故事。說在幾十年前，山東一個著名化肥廠，多年發現一個奇怪的現象，許多發生一氧化碳中毒後遺症的患者，只要長期在氫氣的純化車間工作，智力和運動能力都會明顯恢復，而在其他崗位上的患者則沒有這樣幸運。在這一傳奇故事的啟發下，我們開展了氫氣治療一氧化碳中毒遲發性腦病的研究，結果發現氫氣飽和生理鹽水可以使一氧化碳中毒後腦神經脫隨鞘改變明顯減輕，同時炎症和細胞凋亡顯著下降。該研究文章發表在國際著名《急救醫學》雜誌上。我們還發現，氫氣對潛水減壓病和慢性氧中毒引起的肺損傷具有預防和治療效果。從2008年至今，我們先後發表氫氣治療各類疾病方面的論文50多篇，許多研究都是在國際上首次發現的氫氣生物學效應，比這個領域居於第二和第三的研究小組發表論文的總數還多，成為國際上這個領域發表論文最多的小組，在論文引用次數和發表雜誌檔次上和國際同行基本類似。中國也因為我們的大量研究成為國際上發表該領域論文最多的國家。

最近幾年日本學者同時開展喝氫氣水對疾病治療作用的研究。他們發現，氫氣水對糖尿病患者具有治療效果，對動脈硬化具有預防作用，對帕金森病具有治療作用，對脂肪肝和肥胖都具有良好治療作用（圖2-6）。

目前，氫氣醫學研究已經成為一個國際熱點，發表氫氣治療疾病的基礎與臨床研究的學術論文數量超過400篇。這些論文涉及各類器官組織缺血、動脈硬化、人類糖尿病、器官和系統炎症、創傷、阿爾茨海默病(老年癡呆症)等中樞神經退行性疾病、抑鬱症、關節炎、放射性損傷。

圖2-6：氫氣水對肥胖小鼠脂肪肝臟的治療作用（根據太田成男的研究結果修改）

氫氣可治療疾病現象的發現，不僅給我們提供了一個安全有效的治療疾病的前景，而且對我們重新審視氧化和抗氧化的生命現象具有深遠影響。本書後續章節不僅對氫氣治療疾病的機制進行深入分析，而且將對氧化和抗氧化的有關歷史和現狀進行歸納和分析，以期引起讀者對氧化和抗氧化的深入思考。

回顧這段氫氣生物學效應的研究歷史，經常引起筆者一些思考。如果沒有日本學者的研究，可能我們永遠不會關注氫氣的這些研究。因為我們過去對氫氣的生物學作用了解比較多，在過去相對粗糙的檢測指標情況下，很難獲得氫氣對疾病有治療效果的任何聯想。如果日本學者也對這些知識比較了解，不知道他們是否仍會開展這樣的研究。所以說有時候舊的知識對學術創新也可能帶來不利的影響，而許多重大的發現正是來自一些意外甚至看上去可笑的研究。

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