謝云博， 陳 軍， 劉伯言， 王義圍△， 秦樹存△

［1山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）泰山氫生物醫(yī)學研究院，山東泰安271000；2承德醫(yī)學院附屬醫(yī)院，河北承德067000］

伴隨全球老齡化進程的加快，心血管疾病成為威脅包括我國在內(nèi)的全人類健康的首要問題。到2030年，中國的心血管疾病發(fā)生率和死亡率將急劇上升，五分之二的死因與心血管疾病有關(guān)［1］。為實現(xiàn)我國2030 大健康目標和健康老齡化這一國家戰(zhàn)略，必須探索防治心腦血管疾病發(fā)生發(fā)展的新思路和新方法。

氫分子（hydrogen molecule，H2）是無色、無味、分子量最小的氣體分子，具有抗氧化等生物學效應，日益得到廣泛關(guān)注，被譽為新型醫(yī)學氣體分子［2］。早在1975 年，Dole 等［3］首次提出 H2可用于治療疾病的概念。他們給患有皮膚鱗狀細胞癌小鼠使用8 個大氣壓下含97.5%H2的高壓氫倉進行治療，結(jié)果顯示，小鼠腫瘤可明顯消退。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《Science》雜志上。2007 年，Ohsawa 等［4］證明，給小鼠吸入不會爆炸的安全劑量的2%～4%低濃度的H2也能通過抗氧化作用顯著減少腦缺血再灌注損傷導致的腦梗死。該研究發(fā)表于《Nature Medicine》，引起學界廣泛關(guān)注。氫生物醫(yī)學從此進入快車道。2020 年，H2應用于醫(yī)療健康領(lǐng)域取得重要突破，氫氧霧化機作為三類醫(yī)療器械獲國家藥監(jiān)局批準上市；同年，國家衛(wèi)生健康委員會在《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第七版）》和《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第八版）》中均推薦吸入氫氧混合氣（66.6%H2和33.3%O2）作為輔助治療措施。氫生物醫(yī)學終于走出實驗室進入臨床應用。由于H2在生物學上比其他氣體分子具有高安全性的優(yōu)勢，使得H2用于疾病預防和治療的前景更加廣闊。而且，各種H2供體易于被人體吸收，攝入途徑多種多樣，比如吸入氫氣、飲用富氫水、注射或表面直接使用富氫生理鹽水、進行氫水沐浴等［5］。

近百個人群試驗報告已證明H2對中樞神經(jīng)系統(tǒng)［6］、肺［7］、腎［6］、肝［8］、胰腺［9］、腸道［10］等的病理狀態(tài)有一定療效。其中，多項臨床研究和一些動物實驗證明H2對心血管疾病及其各種危險因素具有改善作用，也提出H2在分子水平上的多個作用機制假說。

1 H2在心血管病及其危險因素防治中的作用

1.1 H2對冠心病的作用 冠心病主要表現(xiàn)為心絞痛、心肌梗死、猝死和慢性心力衰竭。2017年，Katsumata 等［11］在一項前瞻性臨床試驗中，對診斷為 ST 段抬高性心肌梗死的20 名患者給予1.3%H2治療6 個月。結(jié)果證明，心肌梗死后6 個月的低濃度H2治療可以促進左心室逆向重塑，而且經(jīng)皮冠狀動脈介入治療期間的低濃度H2吸入未發(fā)現(xiàn)毒副作用。最新一項臨床試驗表明，每天飲用富氫水1～1.2 L，連續(xù)3個月，可緩解不穩(wěn)定型心絞痛患者的心絞痛癥狀，并可降低血漿總膽固醇（total cholesterol，TC）、低密度脂蛋白膽固醇（low-density lipoprotein cholesterol，LDLC）和載脂蛋白 B（apolipoprotein-B，Apo-B）水平［12］。上述這些人群試驗的治療效果皆與H2的抗氧化、抗炎癥和抗凋亡作用有關(guān)。Ohsawa等［13］在膿毒癥小鼠動物模型中發(fā)現(xiàn)，每天給予2%H2吸入2 h，能減輕膿毒癥小鼠的肺損傷?？赡苡捎跍p輕了氧化應激和炎癥，同時減少缺血引起的超氧化物的形成［14］，這一結(jié)論同樣在SMP30/GNL基因敲除小鼠中得到部分證實［15］。另外一項大鼠實驗表明，飲用富氫水還可顯著改善缺血再灌注后24 h 的心功能參數(shù)，包括左室收縮壓和舒張壓等；該實驗同時證明飲用富氫水可以降低心肌缺血/再灌注所致大鼠心臟危險區(qū)炎癥指標，如中性粒細胞浸潤、3-硝基酪氨酸水平、細胞間粘附分子1 表達和髓過氧化物酶活性，同時降低了心肌缺血/再灌注危險區(qū)中促炎細胞因子［腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白細胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）］水平［16］。另外，飲用富氫水還抑制再灌注誘導的心肌細胞凋亡［17-18］，并且這些作用主要與激活大鼠心肌組織PI3K/AKT 信號通路，抑制Bim和caspase-3活性有關(guān)。

1.2 H2對動脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）的作用 AS 是缺血性心臟病的病理基礎(chǔ)，其發(fā)生和發(fā)展同時受炎性疾病以及更普遍的慢性病（例如肥胖癥、糖尿病等）的共同影響［19-21］。Ohta 等［22］發(fā)現(xiàn)，給予載脂蛋白 E 基因敲除（apolipoprotein-E gene knockout，apoE-/-）小鼠飲用飽和氫水6 個月，可以顯著減少其主動脈斑塊面積，降低主動脈氧化應激水平，并減少AS 病變中巨噬細胞的積累。秦樹存團隊研究發(fā)現(xiàn)，腹腔注射富氫鹽水8 周可顯著抑制正常飲食或高脂食物飼喂的apoE-/-小鼠斑塊發(fā)生發(fā)展，并降低動脈壁內(nèi)膜慢性炎癥水平［23］。進一步使用低密度脂蛋白受體基因敲除（low-density lipoprotein receptor gene knockout，LDLR-/-）小鼠模型證明，H2通過提高膠原蛋白水平及降低斑塊中巨噬細胞和脂質(zhì)含量，顯著增強斑塊穩(wěn)定性［24］。Iketani 等［25］向LDLR-/-小鼠喂飼高脂食物13周后導致顯著的AS，他們也發(fā)現(xiàn)這些小鼠持續(xù)飲用富氫水后AS 面積顯著縮小。上述動物實驗證據(jù)表明，H2可能會減少AS 性心腦血管事件的發(fā)生率，這一結(jié)論值得在人類臨床試驗中進行驗證。

1.3 H2對血壓、血脂和血糖的調(diào)節(jié)作用 增高的血壓、血脂和血糖是心血管疾病的主要危險因素，與肥胖等一起成為代謝綜合征的主要表現(xiàn)。我國有20%～30%的成年人患有代謝綜合征［26］。預防和控制AS發(fā)生發(fā)展的主要手段是降低血脂、血糖和血壓水平［27-28］。H2已被證明對血壓、血脂和血糖具有調(diào)節(jié)作用。

1.3.1 H2對血糖的調(diào)節(jié)作用 糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）與心血管疾病特別是AS 的加重有關(guān)［19］。DM 以高血糖為特征，通常伴有血脂異常；高血糖可導致高血壓、血管炎癥和血栓形成，是AS 的危險因素［27］。2008年Kajiyama 等［29］在一項隨機雙盲試驗中證實，DM 患者每天飲用0.9 L 富氫水8 周，可降低血漿LDL-C、尿8-異前列腺素、血漿氧化LDL（oxidized LDL，ox-LDL）和游離脂肪酸的含量，升高血漿脂聯(lián)素和細胞外超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）水平。這些結(jié)果說明，補充富氫水可能對2 型DM 和胰島素抵抗有治療作用。值得一提的是，DM經(jīng)典用藥阿卡波糖通過誘導H2來降低外周血白細胞氧化應激和炎癥細胞因子表達水平，從而阻止DM并發(fā)癥的發(fā)生［30］。

1.3.2 H2對血脂的調(diào)節(jié)作用 血漿脂蛋白水平與AS關(guān)系密切。LDL-C和Apo-B-100水平升高與AS心血管事件的風險直接相關(guān)。高密度脂蛋白（highdensity lipoprotein，HDL）水平與AS 心血管事件呈負相關(guān)［31］。炎癥會導致血脂和脂蛋白水平的各種變化，最嚴重的變化是HDL 和Apo-A1水平降低［32］。在一項68 名未經(jīng)治療的單純性高膽固醇血癥患者的雙盲隨機安慰劑試驗中，每天飲用富氫水0.9 L可降低促炎因子和ox-LDL 水平，降低血漿膽固醇水平、氧化應激和炎癥狀態(tài)，并可能抑制AS 的發(fā)展［21-22］。2018 年，一項46 人的隨機安慰劑試驗證明，富氫水可降低頸 AS 患者血漿 TC、LDL-C 和 ox-LDL 水平［33］；同時還可以提升患者的內(nèi)皮細胞數(shù)量，改善患者的頸動脈內(nèi)-中膜厚度［33-34］。2017 年，Ostojic 等［35］對 10名超重的女性志愿者進行了一項雙盲安慰劑對照試驗：志愿者每天服用含有6 ppm H2的膠囊，連續(xù)4周；與安慰劑組比較的結(jié)果顯示，富氫膠囊組體內(nèi)脂肪、血漿甘油三酯和胰島素水平均顯著下降。還有臨床研究證明，飲用富氫水組的血漿TC、LDL-C、Apo-B和Apo-E 水平降低，而血漿 Apo-M 和 SOD 水平及 LDL顆粒中的硫代巴比妥酸活性物質(zhì)含量升高［33，36］，同樣的結(jié)論在動物實驗中也得到驗證［34，37］。2010 年Nakao等［36］在代謝綜合征的人群試驗研究同樣發(fā)現(xiàn)，H2可提升血漿 HDL-C 水平，降低 TC/HDL-C 比值。以上結(jié)果表明補充富氫水可改善血脂異常，同時H2還可緩解代謝綜合征和DM中的脂質(zhì)代謝紊亂［38］。

1.3.3 H2對血壓的調(diào)節(jié)作用 高血壓可以增加冠心病的患病率［39］，同時也會增加人類［39-40］和實驗動物［41-43］AS 的嚴重程度。有研究證明，氧化應激可導致肺動脈高壓（pulmonary hypertension，PH）的發(fā)生和發(fā)展［44］，而富氫水因其具有保護生物大分子免受氧化損傷的能力［45］而改善了PH 的血流動力學，并逆轉(zhuǎn)了右心室肥厚。多項動物實驗證明，腹腔注射富氫生理鹽水對高血壓疾病有積極的作用［46-49］?？诜粴渌透骨蛔⑸涓粴渖睇}水均可抑制巨噬細胞聚集、減少氧化應激和調(diào)節(jié)STAT3/NFAT 信號軸，從而減輕大鼠PH 和右心室肥厚，并且改善鹽敏感性高血壓大鼠的左心室功能［50］。

表1 總結(jié)了H2防治心血管疾病及其危險因素的臨床試驗。

2 H2防治心血管病及其危險因素的作用機制

H2的細胞和分子作用機制是目前研究的熱點和難點。H2可能通過以下5 種機制對心血管疾病起到防治作用（圖1）。

Figure 1. The possible molecular mechanisms of hydrogen against cardiovascular diseases. FGF-21：fibroblast growth factor-21；FFA：free fatty acids；UCP-1：uncoupling protein-1； VEGF： vascular endothelial growth factor；p-eNOS（Ser1177）：phosphorylated endothelial nitric oxide synthase at serine 1177；LDL：low-density lipoprotein；Apo：apolipoprotein；PON-1： paraoxonase-1； ox-LDL： oxidized LDL；TNF-α：tumor necrosis factor-α；IL：interleukin；IFN-γ：interferon-γ；ICAM-1：intercelluar adhesion molecule-1；PGE2：prostaglandin E2.圖1 氫分子防治心血管疾病可能的分子機制

2.1 選擇性清除自由基 氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡可能源于并導致細胞損傷和組織病變。羥自由基幾乎立即與生物分子發(fā)生反應，并且是自由基鏈反應的主要觸發(fā)因素［51］。一旦鏈反應發(fā)生在生物膜上，就會對細胞造成嚴重損害，誘發(fā)或加重心血管慢性炎癥病變過程［52］。Ohsawa 等［4］指出，H2具有選擇性抗氧化特性，可特異性中和羥基自由基和直接清除過氧亞硝酸鹽。值得關(guān)注的是H2只清除有害的毒性自由基，而不會清除具有生理作用的有益自由基。H2的積累可能在脂質(zhì)相中比在水相中更多，特別是在不飽和脂質(zhì)區(qū)域中，這是初始鏈反應的主要目標［53］。因此，H2可能具有抑制鏈反應的優(yōu)勢，該鏈反應會產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物，并導致產(chǎn)生氧化應激標志物，如4-羥基-2-烯醛和丙二醛［54］。在動物和人群樣本檢測中均發(fā)現(xiàn)H2干預可降低8-羥基脫氧鳥苷水平［55-56］。

2.2 抗炎和抗凋亡 大量研究表明H2可以降低促炎癥因素［57］（包括核因子 κB［58］、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-10、IL-12、干擾素 γ、細胞間黏附分子 1［59］、前列腺素 E2［60］、高遷移率族蛋白B1［61］等）的表達。凋亡是程序性細胞死亡的一種形式，H2通過抑制促凋亡因子Bcl-2 相關(guān) X 蛋白（Bcl-2-associated X protein，Bax）、caspase-3、caspase-8 和 caspase-12 的表達，并上調(diào)抗凋亡因子Bcl-2 來實現(xiàn)抗凋亡作用［62］。也有研究表明H2可通過未知機制下調(diào)凋亡細胞Bax 表達，并抑制其向線粒體轉(zhuǎn)運［63］。H2還可通過下調(diào)CHOP 表達抑制ox-LDL 誘導的巨噬細胞凋亡，其上游機制可能是通過激活自噬實現(xiàn)的［64］。

2.3 調(diào)節(jié)糖脂代謝相關(guān)通路 富氫水對代謝綜合征有顯著的改善作用，主要通過上調(diào)肝細胞分泌成纖維細胞生長因子21（fibroblast growth factor 21，F(xiàn)GF-21）并增強脂肪酸和葡萄糖消耗，因為H2可激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ）輔激活因子1α（PPARγ coactivator-1α，PGC-1α），隨 后 觸 發(fā)PPARα 通路，導致 FGF-21 上調(diào)，PGC-1α/PPARα/FGF-21 介導的級聯(lián)反應增強了能量代謝，從而改善脂肪酸代謝和葡萄糖耐受不良［65］。H2利用其抗氧化特性，減輕了活性氧誘導的肥胖小鼠白色脂肪中生物大分子損傷；同時富氫水在體外抑制Wistar 大鼠腎勻漿中葡萄糖和α，β-二羰基化合物誘導的活性氧產(chǎn)生，從而減少氧化應激［66］。H2還可上調(diào)生熱基因解偶聯(lián)蛋白1 和血管內(nèi)皮生長因子表達，促進肥胖小鼠白色脂肪褐變和棕色脂肪激活，從而延緩心血管疾病的發(fā)生發(fā)展。另外，飲用富氫水的肥胖小鼠心肌細胞內(nèi)內(nèi)皮型一氧化氮合酶活化（Ser1177 磷酸化），進一步增強了一氧化氮的生物學活性，導致毛細血管和小動脈顯著擴張，進而起到保護心臟、改善心功能的作用。

2.4 改善脂蛋白結(jié)構(gòu)和功能 脂蛋白是血液循環(huán)中大小不等的脂滴，由多種脂質(zhì)和蛋白成分組成。脂蛋白根據(jù)密度大小可分為乳糜微粒、極低密度脂蛋白、LDL 和HDL。HDL 具有許多重要功能，如促進膽固醇的逆向運輸、降低發(fā)生心血管疾病的發(fā)病風險、減少ox-LDL、抗炎、抗血栓、增加一氧化氮產(chǎn)生、保護血管等作用［67］。炎性疾病可能會增加患AS性心血管疾病的風險，同時炎癥會導致HDL 水平降低和HDL 結(jié)構(gòu)改變。H2可改善 HDL 功能［33］，提高 LDL 抗氧化應激及巨噬細胞介導的抗炎能力，抑制單核細胞與內(nèi)皮細胞對TNF 的黏附，加強內(nèi)皮細胞的保護作用，刺激巨噬細胞膽固醇外流，減少凋亡［34，36］。HDL顆粒成分構(gòu)成相關(guān)蛋白的顯著變化包括血清淀粉樣蛋白A 的增加，以及Apo-AI、卵磷脂膽固醇?；D(zhuǎn)移酶和膽固醇脂轉(zhuǎn)移蛋白的減少。秦樹存團隊通過分離HDL進行蛋白組學分析，發(fā)現(xiàn)H2干預可影響高脂飲食引起的大鼠HDL 蛋白組成變化，并提高HDL 相關(guān)的對氧磷酶 1 和脂蛋白磷脂酶 A2 活性［68］，提示 H2可能通過改善HDL 結(jié)構(gòu)成分而保護HDL 功能。另外，H2還可減少脂蛋白和脂蛋白靶生物膜的氧化修飾：H2作為穿透性極強的小分子抗氧化劑，可以深入病灶，抑制脂蛋白氧化修飾，從而保護血管動態(tài)平衡。

2.5 H2直接調(diào)節(jié)生物酶活性 馬雪梅團隊通過H2減輕農(nóng)藥造成的腦損傷的實驗發(fā)現(xiàn)，H2對線粒體有保護作用，同時發(fā)現(xiàn)H2對乙酰膽堿酯酶（acetylcholinesterase，AChE）活性有影響。2014 年，馬雪梅團隊通過研究AChE 與H2的關(guān)系，首次直接證明H2與生物酶的直接作用［69］。而后呂均鴻團隊以胃蛋白酶為研究對象，采用酶法、原子力顯微鏡和太赫茲時域光譜進一步證明了H2可吸附在疏水活性中心附近，并改變胃蛋白酶的氫鍵，使酶活性中心發(fā)生改變［70］。這是繼Ohta 團隊提出H2與羥自由基和過氧亞硝酸根等毒性自由基直接反應的選擇性抗氧化理論［71］后，學者提出的新的H2直接作用靶點。

3 小結(jié)

H2具有分子量小、穿透性強、無生物毒性等理化生物特性，借助其抗氧化和調(diào)節(jié)生物酶的分子機制，在心腦血管疾病預防和治療方面已經(jīng)獲得大量數(shù)據(jù)。但是，H2作為新的健康手段和治療方法仍然存在一些問題，特別是缺乏大規(guī)模隨機對照人群試驗和不同H2供體、不同使用途徑的量效數(shù)據(jù)。相信隨著氫醫(yī)學的發(fā)展進步，H2作用機制的研究將更加深入，從實驗室到臨床的轉(zhuǎn)化將進一步加快，更多種類的H2供體也將應運而生。H2作為心腦血管疾病預防和治療的新手段新方法具有愈益廣闊的應用前景。