科学网-氢分子生物学的发展展望

孙学军

氢分子生物学的研究目前已经成为生命科学领域的热点，从2007年到现在短短5年内发表的相关论文已经达到300多篇。早期主要是日本、中国和美国等国家为主的实验室开展这一研究领域，而现在包括欧洲许多著名实验室也相继加入到这一队伍，这显示出氢分子生物学的研究队伍在不断壮大。2010年5月，以从事氢分子生物学为主要成员的数名学者共同创办了《医学气体研究》杂志，该杂志创办以来，发表的论文中涉及到氢分子生物学的研究占50%以上，这足以说明这一领域的重要影响。关于医学气体的研究，过去比较知名的包括一氧化氮和一氧化碳，已经最近10多年的硫化氢。氢气的研究是否可以成为气体生物学研究领域的主要成员将决定于氢气生物学效应机制的突破性研究。因为如果在作用机制上没有突破，单纯从宏观效应上纵向研究，氢气生物学将在生命科学领域，特别是基础理论为主的生物学领域没有地位。因此，从事氢气生物学效应研究的学者必须把眼光重点放在分子机制研究上。

2008年我曾经写过一篇文章，提出氢气生物学研究将来有可能问鼎诺贝尔医学生理学奖，当然需要有两个重要前提，一是氢气在临床上被证明有效果并被广泛应用于临床，二是明确了氢气的生物学效应机制。现在这种看法仍没有过时，不过从这个领域国际学术研究进展情况看，并没有看到短期内可以实现的曙光。希望中国有志向的年轻科学家迎难而上，破解这一领域的谜团，不错过这一非常有前景的课题。

第一节氢分子生物学的早期研究

早就有人注意到氢在低等生物重要的代谢物质，例如有的细菌可以产生氢气，有的可以利用和降解氢气。那么氢气是否参与高等生物正常代谢或疾病过程，不过2007年以前这样研究的非常稀少。

氢气具有还原性是公认的事实，由于氢的溶解度比较低，与氧类似，但因为氧有血红蛋白可以结合，因此氧可以顺利通过呼吸大量吸收，所以一直以来，生物学家特别是潜水医学家认为，氢气是生理性惰性气体。也就是说，氢气不会与生物体内的任何物质发生反应。早期在潜水医学领域，由于存在高压呼吸氢的情况，溶解的量随分压而增加，科学家试图证明高压情况下，氢或许可以与氧在溶解状态下反应，或者与自由基发生反应，但由于实验设计问题，没有证明该反应存在。估计一方面是因为检测方法的灵敏度不够，另一方面也说明氢确实不容易与机体成分发生反应。不过早在1975年有人曾证明呼吸高压氢气能治疗皮肤鳞状细胞癌。2001年又有人证明，呼吸高压氢气可治疗肝寄生虫感染引起的炎症反应。这些研究没有引起大家的关注，主要原因可能是高压氢不可能作为一般临床治疗手段。在辐射化学领域，有人证明溶液中氢可与羟自由基直接反应，这同样没有被生物学家所关注。

回顾历史可以让我们清楚了解一个学科和一种思想的起源。关于氢气生物学效应的研究，早在200多年前氢气刚刚被发现后，就有人进行过探索。早期的研究只能简单地观察氢气被动物呼吸后的反应，显然观察结果证明氢气对动物没有产生显著的影响。关于氢气的生物学效应，最热闹地当然属于潜水医学，因为氢气作为人类潜水呼吸的气体被国际许多重要的潜水医学研究单位深入研究，作为呼吸气体的最重要前提是该气体的安全性，就是不能对人体产生明显的影响，包括在极端高压下呼吸这种气体。许多年的潜水医学研究证明呼吸氢气是非常安全的，但也同时给人们一种深刻印象，呼吸氢气对人体是没有明显生物学效应的。所以说万事都存在两面性，潜水医学的研究给氢气研究奠定了非常好的基础，但也从某种程度上限制了该领域的发展，不过后来在其他领域的发现，突破了这一习惯思维，而关于潜水医学的研究有给氢气生物学的研究提供了非常有价值的生物安全性证据。

虽然潜水医学认为氢气属于惰性气体，但毕竟在1975年就有人开展了氢气治疗肿瘤的研究，后来2001年才有法国学者将高压氢用于治疗肝脏寄生虫感染的研究。为什么这么长时期没有其他学者关注氢气在医疗上的应用，一方面关于氢气是惰性气体的说法已经在人们头脑中根深蒂固，可能许多人根本不会去考虑氢气的生物学效应，这个说法并不是凭空想像。20年前，在激光多普勒技术应用前，根据氢气在某一组织下降的速度和该组织的血液供应有关这一特点，一种用呼吸氢气检测组织血流的方法在许多疾病模型中广泛使用，该方法是让动物呼吸高达10%的氢气10到30分钟，然后检测组织中氢气浓度的下降速度来间接计算该组织的血流量。从现在的角度看，这一检测技术可以对许多研究的疾病本身产生一定治疗作用，但从来没有人发现这一效应，这不得不说是一种遗憾。

第二节氢气治疗疾病的发现

2007年日本学者报道，动物呼吸2%的氢可有效清除强毒性自由基，显著改善脑缺血再灌注损伤，采用化学反应、细胞学手段证明，氢溶解在液体中可选择性中和羟自由基和亚硝酸阴离子。而后两者是氧化损伤的最重要介质，体内缺乏他们的清除机制，是多种疾病发生的重要基础。随后他们又用肝缺血和心肌缺血动物模型，证明呼吸2%的氢可以治疗肝和心肌缺血再灌注损伤。采用饮用饱和氢水可治疗应激引起的神经损伤和基因缺陷氧化应激动物的慢性氧化损伤。美国匹兹堡大学器官移植中心学者Nakao等随后证明，呼吸2%的氢可以治疗小肠移植引起的炎症损伤，饮用饱和氢水可治疗心脏移植后心肌损伤、肾脏移植后慢性肾病。日本和美国学者也先后证明饮用饱和氢水或氢棒产生的氢水能治疗人类二型糖尿病，特别是对二型糖尿病相关的氧化损伤具有显著的改善效果。国内第四军医大学谢克亮等的研究证明，呼吸氢气能治疗动物系统炎症、多器官功能衰竭和急性颅脑损伤。我们的研究也证明，呼吸2%的氢可以治疗新生儿脑缺血缺氧损伤。随后，我们成功制备了饱和氢注射液，并与国内40多家实验室开展合作，先后发现该注射液对疼痛、关节炎、急性胰腺炎、老年性痴呆、慢性氧中毒、一氧化碳中毒迟发性脑病、肝硬化、脂肪肝、脊髓创伤、慢性低氧、腹膜炎、结肠炎、新生儿脑缺血缺氧损伤、心肌缺血再灌注损伤、肾缺血再灌注损伤和小肠缺血再灌注损伤等具有良好的治疗作用。特别是我们的实验证明，早期治疗可明显改善新生儿脑缺血缺氧损伤晚期神经功能和学习记忆能力。这些研究说明，氢是一种理想的自由基、特别是毒性自由基的良好清除剂，具有潜在的临床应用前景。

仔细分析最近5年氢气分子生物学的研究历史，以日本、美国和中国学者为主的研究队伍不断壮大，但研究的水平并没有相应提高，究其原因可能是这个领域并没有得到国际上最前沿科学家的关注，目前国际上最前沿的研究主要是关于肿瘤干细胞、小分子RNA干扰、表观遗传学和中枢神经系统功能的研究，氢气生物学研究在整个大的生命科学领域仍就只能算一个局部的相对冷门的小领域。

另外，氢气生物学效应方面的研究方法上也存在比较特殊的难度，例如定量、识踪等都比较困难，这也是影响氢气生物学研究快速发展的客观因素。

第三节关于选择性抗氧化的疑问

虽然氢气的生物学效应是确定的，在人体和多种动物模型中的治疗效果是非常惊人的。但氢气治疗疾病的分子机制目前仍存在疑问。

由于氢的溶解度比较低，按照体积计算，水中的溶解度大约1.6 ml/100 ml，脂肪中的溶解度大约3.0 ml/100 ml。如此低的浓度，考虑到氢的还原性比较低，氢几乎不可能与氧气等弱氧化物质直接发生反应。不过生物体内的活性氧种类很多，有的氧化作用弱，例如一氧化氮、过氧化氢和超氧阴离子；有的氧化作用很强，例如羟自由基和亚硝酸阴离子。氢不与氧化作用弱的活性氧直接反应，但是氢可以与氧化作用很强的活性氧，如羟自由基和亚硝酸阴离子直接发生反应。日本学者2007年和后续文章通过大量证据证明这种反应的存在。

关于氢气的选择性抗氧化，目前存在许多问题。因为羟自由基活性比较强，其本身选择性应该不会太好，扩散距离只有一个蛋白分子大小，当然导致这种现象的原因是细胞不象水溶液的成分那样单一，存在多种大量能与羟自由基反应的物质，虽然氢与羟自由基发生选择性中和反应，但并不能直接推论为羟自由基可以选择性被氢中和。这个观点已经有学者提出，是从反应速度上看，羟自由基与其他生物分子发生反应的速度是与氢发生反应速度的1000倍，除非氢浓度特别高，否则不应该具有选择性。羟自由基与其他物质的衍生产物如果也能与氢发生反应可能更具有说服力，例如亚硝酸阴离子可能选择性更好一些，因为它本身活性比羟自由基弱，扩散距离大，更容易遇到氢并与之发生化学反应。

另外，关于选择性抗氧化的只有离体间接证据，在体是否也是具有同样的选择性抗氧化作用，需要更直接的证据来证明。一些现象也提示，氢的生物学效应可能比较复杂，首先2007年太田教授小组就发现，呼吸4%的氢作用低于呼吸2%，这说明其生物学效应不是线性，而是存在多种情况。最近日本的Mami小组研究发现，即使饮用1/20饱和氢水，仍然能有效治疗巴金森病。如此低的氢浓度能取得很好效果，说明氢的作用比我们原来想象的作用要强大地多。有些实验也发现，一定浓度的氢可影响过氧化氢和超氧阴离子浓度。这些研究证据提示，氢气的选择性抗氧化作用可能并不是绝对的。

许多生物化学反应是在酶的催化下完成的，酶的催化是否也能影响氢气的生物学作用，或者说氢气是否能参与酶催化条件下的生物化学反应。与一般化学溶液不同，受温度、浓度等条件限制，许多生物化学反应必须在酶的催化下才能实现，酶的作用是降低反应活化能，让不具有反应条件（温度、浓度等）的化学反应进行，生物体存在大量种类繁多的具有催化氧化反应的酶，是否这些酶具有可催化氢与弱氧化物质发生反应，由于氢气分子量很小，穿透能力强（体内没有任何屏障能阻挡氢气的自由扩散），发生这类反应的可能性是很大的。另外，氢化酶是低等生物产生和代谢氢的重要关键酶，在高等生物细胞内，同样存在这些酶的后代分子，那么这些酶是否仍可发挥产生或代谢氢的作用，或者在一定条件下发挥这样的作用，也值得深入探讨。我们初步的估计是，氢气选择性抗氧化是有条件的，或者是相对的。

许多金属具有吸附氢气的特点，例如铁、铜等金属元素，这些元素在生物体系中也比较丰富，氢气是否在生物体内也可以被这些金属吸附，这也是值得考虑的问题。最近国内有学者提出，氢气的生物学效应就是在某些金属离子催化下实现的。

第四节氢气医学领域的研究展望

我们自从2008年发表第一篇研究论文以来，中国学者在这个领域共发表研究论文已经达到90多篇，而国际上这个领域的总数量仍不超过200篇，在疾病种类研究上，中国学者为主的研究几乎占50%，也就是说，尽管我们起步比较晚，但我们在国际上的研究规模已经是最大的。参与氢气生物学效应的中国各个医科大学和研究所数量迅速增加，根据初步统计，目前有复旦大学医学院、上海交通大学医学院、同济大学医学院、第二军医大学、第四军医大学、第三军医大学、南京大学医学院、天津医科大学、华西大学医学院、陕西师范大学、中国医科大学、首都医科大学、哈尔滨医科大学、苏州大学、泰山医学院、温州医学院等以及上述部分大学的多家附属医院。

国家自然科学基金项目数量能间接反映中国学者在这个领域的关注程度，统计数据显示，2009年关于氢气治疗疾病的项目有2项，2010年达到4项，2011年已经达到6项，相信将来国家自然科学基金中关于氢气生物学研究的项目会逐年增加。

从目前发表论文的情况看，中国学者在氢气生物医学研究方面需要注意的问题依然存在，一是研究的深度不够，与美国和日本学者相比存在明显差距，具体表现在我们的研究大多数停留在观察治疗效果，用常规的指标确认治疗效果，很少能涉及到分子机理的研究。另一个是没有开展临床治疗的研究，尽管氢气仍没有作为药物用于临床，但作为保健品，人仍可以使用，美国和日本学者已经在这方面进行了有宜的探索，由于氢气水和氢水棒已经商品化，可以饮用，日本和东南亚各国都有大量人群使用的报道，在糖尿病、肾脏功能衰竭、动脉硬化等疾病方面进行了初步探索。但中国的临床研究相对滞后，关键原因是没有受到临床上真正重视。由于我们国家人口多，疾病种类广泛，开展临床研究有我们很多优势，只要规范选择合适的疾病类型，我们理应在氢气的临床研究方面取得更好的成绩。

从国际范围看，氢气生物学领域有一些重要问题仍没有引起关注。如内源性氢气效应的研究，食用人体不吸收的营养素，如甘露醇、乳果糖和许多中药成分等可能具有促进肠道细菌产生氢气的作用，这种能增加内源性氢气产生的手段也应该具有呼吸氢气同样的效果。电针本质上就是一种直流电刺激，电针治疗过程中由于组织液被电解，在正极可产生氧气，而在负极可产生氢气，因此，电针治疗过程中体内氢气的水平会增加，电针的治疗效果是否与氢气有关值得探讨。金属镁被用于可溶性生物材料如骨材料和血管支架，在含金属镁生物材料溶解过程是因为金属镁与水发生反应，产生氢氧化镁和氢气，因此，在分析这类生物材料对疾病的影响时也可探讨氢气在其中发挥的作用。

总之，氢气生物学效应的发展将可能在如下这些方面。

1、氢气的生物学作用的分子机制研究；这方面主要寻找氢气的生物分子效应靶点，作用原理。

2、氢气的临床应用研究；主要是选择合适的疾病类型，开展严格双盲随机多中心的临床研究，重点是对疾病治疗效果的确认。进年有望取得突破的疾病类型包括，类风湿关节炎等自身免疫性疾病、老年性痴呆等神经退行性疾病、糖尿病等代谢性疾病。

3、氢气的临床使用方法研究；重点是寻找合理的临床应用方案、氢气相关药物的准入、剂量效应关系、各类使用氢气的特殊方式有效性研究。

4、氢气在细菌、真菌、植物等多种生物体系中的作用研究；尽管氢气在细菌和原虫等肯定可发挥重要作用，但真菌和植物是否存在氢气的生物学效应目前尚缺乏证据。

5、其他类似气体分子的生物学效应，氢气生物学效应给其他一些类似气体分子，如甲烷、氦气，这些气体的共同特点是结构简单，没有毒性作用，应用前景广泛，氢气的生物学效应研究给这些气体的研究提供了借鉴，有望形成一股气体生物学研究热潮。

许多经典的“小”分子化学物质，例如小分子肽只能靠接触和其他分子发生反应，许多维生素和金属离子只能结合在大分子的规定部位发挥辅酶的作用。在生物的液体微观环境中，这些气体不仅可以在水相分布，也可以在脂相分布，更重要的是可以进入生物大分子的内部，这是许多传统的大分子物质所不具备的特点，也许这些气体的生物学效应秘密恰好就隐藏在这些最简单的化学性质中。

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