吸氢机 饮用富氢水杯氢水、吸氢机吸氢将给家庭保健与预防带来革命性影响!

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崭露头角的氢气生物学:全文

来源:氢思语 编辑:James&Ani 时间:2019-11-03 08:05:25

对于很多人吸氢机和富氢水杯是一个新概念新名词,这篇沈文飚教授与孙学军教授合作撰写的特约综述,很好的介绍了氢气生物学的整体情况,其中一个章节介绍了给氢方式,可以作为选购氢气呼吸机的依据之一。

摘要 氢气(hydrogengas,H2)是新发现的生物气体信号分子。自2007年开始,有关H2的生理调控活性及信号转导功能受到广泛的关注,并逐步形成了研究氢气生物学效应和分子机理的一门新学科———氢气生物学。按照实际运用范围的不同,氢气生物学也可以划分为氢医学和氢农学。在医学方面,通过多种动物模型研究和部分临床试验,发现H2具有抗氧化、抗炎和抗凋亡的作用,而且H2对缺血/再灌注以及以炎症为基础的急性组织缺血性疾病和慢性退行性疾病(如帕金森病、阿尔茨海默病和动脉粥样硬化等氧化应激相关疾病)均具有较为理想的正面效果。在农学方面,相关报道还发现H2可以提高苜蓿、水稻和拟南芥对非生物胁迫的耐性,调控黄瓜、番茄、猕猴桃、芽苗菜、黑大麦和食用菌的生长发育和营养品质,延长洋桔梗、玫瑰和百合切花的保鲜以及提高家畜对病原微生物的抗性。本文首先探究了氢气生物学的发展历史,提出氢医学研究思路的源头是电解水,结合H2测定方法、内源H2的产生途径以及氢气生物学效应的分子机理和信号转导的研究成果,从给氢方式、生物学效应以及安全性等方面,介绍了氢医学和氢农学的现状,提出选择性抗氧化机制不能完全解释现有的氢生物学效应,反映相关分子机制的复杂性和多样性。最后,针对氢气生物学的若干重要的科学和实践问题进行了展望,并提出氢医学的进一步发展还依赖于大量且可信度高的临床试验,氢农业还需要完成多年多点的大规模大田实践。

关键词 氢气生物学;发展现状;氢医学;氢农业;展望

沈文飚教授

作者简介: 沈文飚教授,南京农业大学博士生导师,上海交通大学氢科学中心兼职教授,江苏省生物化学与分子生物学学会副理事长,2007年入选教育部新世纪优秀人才计划。从事植物气体信号分子信号转导、代谢和功能等方面的研究,尝试开展从大田到餐桌的氢农业理论和实践工作。以通讯作者发表SCI论文110多篇,其中氢气植物学效应论文19篇。授权氢农业国家发明专利1项,获得与氢气植物学效应有关的国家自然科学基金2项。入选2014、2015、2016、2017和2018年爱思唯尔发布的 “中国高被引学者”榜单。 孙学军教授,海军军医大学海军医学系,博士生导师,上海交通大学氢科学中心兼职教授。兼任中国医疗保健国际交流促进会常务理事,中国医疗保健国际交流促进会氢分子生物医学分会主任委员,中国健康促进基金会氢分子生物医学发展专项基金副理事长和专家委员会主席。主要从事气体生物学研究,在氧气和氢气的生物学效应研究方面取得系列成果,受到国际同行的广泛关注。先后主持国家自然科学基金3项,发表学术论文260余篇,其中SCI收录论文145篇,2013年主编《氢分子生物学》,2015年主编英文版《氢分子生物医学》。长期致力于氢气生物医学科普宣传和健康促进领域的应用推广。

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孙学军教授(图片;来源于网络)

由于氢气(hydrogengas,H2)是低排放、环境友好、可再生、能量密度高以及不产生任何温室气体的清洁燃料,因此H2在工业中,尤其是在新能源汽车中的运用具有明显的优点[1]。通常观点认为H2是一种对高等生物没有任何效应的生物惰性分子。由于氢元素是自然界最简单和最丰富的元素,根据黑格尔哲学思想“存在即合理”的观点,很难理解H2没有生物学效应。虽然早期的研究发现,藻类、微生物、动物和植物均具有产生并释放H2的现象,但是一直不清楚其生物学功能[2-4]。2007年日本科学家太田成男(ShigeoOhta)教授等在《NatureMedicine》撰文,报道外源H2可以选择性地清除羟基自由基(•OH)和亚硝酸阴离子自由基(ONOO-),从而缓解大鼠大脑中动脉缺血再灌注导致的氧化损伤[5]。

这是一个具有里程碑意义的发现,并开始引起科学界的广泛关注。

最近十多年的研究提示,H2是一种新的生物气体信号分子,由于其具有各种生理调控活性及信号转导功能,因此也被初步运用于临床医学和农业[6-10],从而出现了“氢气生物学”的概念。截至到2019年8月24日,国家自然科学基金委资助的与氢气生物学功能相关的自然基金项目达85项,分布于42家科研单位。2019年1月上海交通大学率先成立了以丁文江院士为主任的氢科学中心,重点支持氢能源和氢生物学研究,并受到了国家科技部、上海市科委及国内外同行专家的高度关注,该中心的成立也是氢生物学发展历史上的一个里程碑事件。

本文首先介绍了氢气生物学的发展历史以及研究现状,并结合相关测定方法、内源H2的来源以及生物学效应的分子机理和信号转导,介绍了氢医学和氢农学的现状,提示氢气生物学已经逐渐形成了医学、农学、化学、材料学和营养学等多学科的交叉和融合发展的趋势,最后对氢气生物学今后值得重点关注的方向进行了探讨和展望。

1 氢气生物学的发展历史

氢气生物学,顾名思义,就是研究氢气生物学效应和分子机制的一门新兴学科,主要包括氢气微生物学、氢气动物学和氢气植物学。按照实际的运用,氢气生物学可以简单的划分为氢医学和氢农学。

1975年美国学者Dole等在《Science》杂志上报道了高压H2对小鼠皮肤癌的改善作用,这是科学界认可的氢医学研究的最早报道[11]。2007年日本科学家太田成男课题组在《NatureMedicine》发表论文“H2通过选择性减少细胞毒性氧自由基来发挥其治疗性抗氧化剂作用”,发现吸入2%~4%(V/V)的H2可以改善鼠脑缺血氧化损伤[5]。由于该研究提出H2选择性抗氧化的概念,即H2可以选择性清除毒性活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS),而不会与其他必要ROS发生作用,提示H2将成为简单可用的潜在医疗手段,这也是氢医学快速发展的奠基性工作。由于H2对人体的安全性及其潜在的疾病治疗效应,因此H2生物学可能具有较大的应用前景,这也是学术界和产业界广泛关注氢医学的根本原因。

从历史的发展来看,氢医学研究思路的源头是电解水,而且日本学术界对电解水的研究历史也比较长。电解还原水(electrolyzedreducedwater,ERW)是电解水在科学文献中最常用的名称,由于其溶解一定浓度的H2,因此电解水具有还原性和碱性的特点[12,13]。在本世纪初,一些学者已经开始逐渐意识到电解水的作用本质可能是H2的效应[14],

这也是日本产业领域早于学术界制造出富氢水(又称为水素水),并推动学术界对H2可能具有治疗疾病效应关注的根本原因。2007年太田成男教授关于氢气效应的研究进一步提示H2可能是电解水发挥作用的基础。

2 氢气的测定方法

生物体内源H2含量的检测技术对于氢气生物学研究具有重要的意义。在药理学研究中,浓度始终是最重要的影响因素之一,因此对H2含量的测定方法也提出更高的要求。对于生物体内H2浓度而言,最理想的检测方法应具备精度达到微摩尔至纳摩尔级、不轻易与其他杂质发生反应、不破坏生物体内环境,以及能够实时反映体内H2动态变化的特点。目前,H2的检测方法分为气相色谱法(gaschromatography,GC)、电极法和氧化还原滴定法等三种方法。由于仪器以及生物体内环境的差异,不同测定方法测定的数据也有不小的差异,因此选择合适的测定方法对于特定的生物学效应研究非常重要。

2.1 气相色谱法

气相色谱是目前报道最多的H2测定方法,可以定量检测微量的H2。气相色谱测定原理为样品气体经进样口被分离后,由热导检测器(thermalconductivitydetector,TCD)得到相应的输出信号。受分析灵敏度限制,气相色谱不能用于生物样品直接测试,必须结合顶空法使用。2007年太田成男课题组发表的氢气生物学研究论文就是采用这种方法[5]。气相色谱法可以检测到人吸入H2后血液H2含量的变化[15]以及苜蓿幼苗响应氧化胁迫后H2含量的变化[16]。总体而言,气相色谱法具有选择性好的特点,但分析成本相对较高,同时杂质的干扰也会影响出峰时间和峰面积。

2.2 电极法

为了更好地研究氢气的生物学作用,开发一种能够无损伤且实时监测H2变化的技术就显得非常重要,H2电极法可以满足上述要求。电极法测定的基本原理即利用H2的还原性,与氢敏传感器上的钯反应生成钯的氢化物,进而改变密度和导电性,而且这种变化的强弱可以转化为电信号,从而反映H2含量的高低[17]。根据工作原理的不同,氢敏传感器又分为电化学、半导体、热导和光学型这4种类型[18]。其中,电化学氢敏传感器是将化学信号转化为电信号,从而实现对H2的有效监测。虽然此类传感器由于易氧化等因素而导致寿命较短,但其选择性好、灵敏度高且便于小型化,仍然是目前应用最为广泛的一种传感器类型。以电化学氢敏传感器为例,H2电极直径可以最大缩小到2μm,直接插入生物体组织内部实时监测H2含量的微变化。采用上述方法,发现小鼠血液中的H2含量小于7μmol/L[19],小鼠肝脏和肾脏组织的H2含量则为5~25μmol/L[20],而拟南芥幼苗根部组织在响应脱落酸(abscisicacid,ABA)信号时H2含量范围在0~20μmol/L[21]。

虽然电极法测定H2含量具有准确和灵敏的特点,能够基本满足实时监测H2的需求,但是该方法对环境要求极为严格,包括稳定的电场、温度和pH等。另外,由于物种、组织和内环境的差异,以及较高的成本,电极法并不适用于检测所有的生物组织。

2.3 氧化还原滴定法

为了更加快速地检测H2含量,便捷和低成本的H2氧化还原测定法应运而生。例如,日本研究人员利用H2的还原性,建立了一种检测H2浓度的简易方法[22]。该方法属于典型的氧化还原滴定法,通过胶体白金(纳米铂)催化H2还原亚甲蓝,由于该反应可使蓝色的氧化型亚甲蓝溶液还原为无色的还原型亚甲蓝,通过简单的换算便可以知道溶液中H2的含量。由于上述滴定法虽然容易操作,但很难进行H2浓度的精确定量。针对上述问题,结合分光光度计测定可以显著提高其准确性[23]。

必须承认,滴定法能够快速、低成本的初步检测溶液中H2的含量。但是,氧化还原滴定法也有不可避免的缺陷,即应用范围受到相当大的限制,例如对于血液或细胞培养液等,此方法并不适用。

3 内源H2的产生途径

生物体内源H2的产生途径是比较复杂的(见Fig.1)。在藻类和细菌中首先发现依赖于氢酶的H2产生和释放的现象。已经知道,氢酶主要包括[Ni-Fe]和[Fe-Fe]两类,其中[Ni-Fe]氢酶主要存在于绿藻和产氢细菌,[Fe-Fe]氢酶则主要存在于蓝藻和厌氧细菌[2,24,25]。此外,H2也是细菌固氮酶催化反应的副产物[26],曾有学者根据这一现象提出了“氢肥”的概念[8,26]。动物体H2的产生主要来源于肠道细菌的发酵产物[3],但是目前在动植物基因组中并未发现类似于藻类氢酶的相关编码基因[7]。

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Fig.1 BiosynthesisofH2inmicrobes,animalsandplants

据报道,逆境胁迫(极端温度[27,28]、干旱[29]、渗透胁迫[30]、盐害[31]、百草枯[16]和重金属胁迫[32])和某些植物激素,包括ABA[21]、乙烯(ethylene,ET)[31]、茉莉酸(jasmonicacid,JA)[31]和生长素(auxin)[33]等,均可诱导植物产生H2,其中部分还能检测到氢酶活性的变化。另外,也有文献报道H2通过抑制ET代谢从而延长猕猴桃的保鲜期[34]。由于光合电子传递链的抑制剂也可以抑制植物H2的产生[35],推测植物H2的产生可能来源于酶学和非酶学两种途径,并与光合作用有关,同时也不排除植物体内存在类似于藻类氢酶功能的蛋白质[7]。

4 氢气生物学的现状以及分子机制

氢医学和氢农学不仅在应用上存在差异,在作用机制等方面也各有特点。下面分别叙述相关的研究现状及其分子机理。

4.1 给氢方式

H2的供应方式是氢气生物学研究和运用的第一步。目前,生物体摄取H2主要有气体、液体和固体途径三种方式。其中,气体给氢途径主要是通过H2吸入[5]。高压吸入H2需要特殊的加压舱[11],因技术复杂危险性高,一般仅见于潜水和科研活动。

常压吸入H2包括纯H2吸入和氢氧混合气吸入,它们各有优缺点。纯H2吸入安全性高,但吸入量过大会造成氧分压下降,并不适合用于低氧可能会产生危害的情况,如在高原低氧环境,纯H2吸入不能用于肺活量低的儿童和肺功能障碍患者等。另一方面,虽然氢氧混合气吸入不会造成低氧,但会提高发生燃烧的风险,因此对设备的安全技术要求更高。通常,H2的来源包括罐装、电解水和化学制备。由于罐装和化学方法制造H2存在一定的安全隐患,目前主流的生物应用制氢是电解水技术[12-14],包括纯水质子膜和碱性溶液电解水技术,这些技术也各有优缺点,一般纯H2吸入多采用纯水电解,氢氧混合气吸入则采用碱性溶液电解

【题外话:现在很多人选购吸氢机纠结于是纯氢的好还是氢氧的好,下面是这方面知识的相关阅读:

纯氢吸氢机PK氢氧雾化机,究竟谁才是王者?

康志敏教授在《【康教授随笔】吸氢气有啥用?可以救命啊!》一文中提到:

“科普一下氢气的产生方式,高浓度的氢氧混合气是通过碱液(水中加入氢氧化钾等强碱)电解方式产生的,这种气体本身就会遇到静电燃烧爆炸(静电是无所不在的),这种产氢技术在工业上都已经逐渐淘汰,由于功率比较大,电解过程产生热量多,一些强碱的蒸汽还会混合着气体流出来,对身体的不利影响更大,这种技术肯定不可能应用到医疗领域。

氢医学目前认可的,是纯水电解技术,这种技术产生的氢气纯度高,没有杂质,产氢效率高,不会产生大量热量影响机器运行,可以较好的维持2%浓度的氢气吸入,是非常安全的产氢方式。”

加强碱的吸氢机肯定不能用

液体给氢主要是(富)氢水的使用[14,21],使用方法包括饮用、注射、全身和局部的浸泡,通过血液和透析腹膜技术给氢也属于这一范围,结合膜肺也可以建立新的液体给氢途径。这些方法大多是将H2预先溶解在水等液体中,再利用气体分子布朗运动产生的从高浓度向低浓度扩散的作用来摄取H2[20]。由于H2在液体中的溶解度有限,这种方法给氢的剂量往往低于H2吸入的方法,不过氢水饮用对肠道菌群的影响比较明显,且饮水在应用监管方面的门槛相对较低,这是其特有的优势。氢水的核心是气液混合技术,气液混合在化工和环保等领域属于成熟技术,但转接到氢气生物学领域还需要进行适当的改进,在氢水储存方面还需要解决压力和气密性两个问题,同时在设备材料和消毒等方面也需要进行优化和改进。

固体给氢途径则包括:1)口服促进肠道细菌代谢产H2的营养物质;2)口服可储存并释放H2的材料,如钯金和新型纳米材料,也有能和水反应产生H2的金属或金属氢化物[10]。营养物质虽然在促进肠道细菌产生H2方面有一定的可行性,但长期使用对肠道菌群的影响还需要进一步深入研究。另一方面,新材料产氢则需要重视材料本身的生物安全性。

4.2 氢医学的现状

氢医学是一门研究通过H2改善人类疾病症状以及促进人类健康的学科,主要研究领域包括H2改善人类疾病症状的基础医学和临床医学,其中与氢气生物学效应直接有关的是其剂量、使用方法和效果,以及可能的毒副作用等。通过WebofScience核心合集的数据分析发现,涉及H2改善疾病症状和损伤的论文在2016年就超过300篇,通过多种动物模型研究和部分临床试验,发现H2具有抗氧化[5]、抗炎症[36]和抗凋亡[37]的作用;H2不仅可以抑制肿瘤[38],而且对缺血/再灌注[5]以及以炎症为基础的急性组织缺血性疾病[39]和慢性退行性疾病(包括帕金森病[40]、阿尔茨海默病[41]和动脉粥样硬化[42]等氧化应激相关疾病)均具有较为理想的正面效果。由于上述研究往往采用吸氢、氢水饮用、含氢溶液静脉注射以及含氢透析液透析,且大多属于细胞和动物疾病模型研究,从循证医学的角度考虑,相关的证据还不够充分,包括还缺乏大样本和高等级的人体临床研究,以及双盲随机对照等。

有关氢医学的研究,已经有不少相关综述[6,43]。本文结合多种动物模型研究和部分临床研究的结果,进行了分类整理,以帮助读者快速了解相关进展。

4.2.1 H2对急性心脑血管疾病的改善作用 

H2对脑缺血和心肌缺血的动物实验研究属于最早期的研究。例如,H2盐水通过清除脑组织中的•OH来缓解脑干梗死症状[44];急性脑缺血早期每天吸入H2持续1周对脑损伤具有保护作用[45],以及心肌梗塞后早期吸入H2对后期心脏衰竭有缓解效果,上述可能与H2对氧化应激、炎症、细胞死亡和代谢的影响有关[46]。这些研究结果提示:通过早期进行H2干预,对急性组织缺血再灌注损伤这种典型氧化炎症损伤的病理状态,可能有一定的临床应用前景。日本学者目前正在对H2吸入预防心脏骤停综合征开展大规模临床研究,但是目前还没有最终结果的报道[47]。

4.2.2 H2对慢性病的干预 

慢性病主要指包括广泛流行代谢性疾病和神经退行性疾病。前者主要包括糖尿病、动脉硬化、高血压,神经退行性疾病包括阿尔茨海默病和帕金森病等,这些慢性病是当前人类健康面临的最危险疾病。早在2008年就有学者开展饮用氢水对二型糖尿病的小规模干预研究,发现氢水对糖耐量受损有比较好的纠正效果[48]。此外,小规模研究发现,连续饮用氢水48周能明显改善帕金森综合评分,但后来进行的验证性临床研究发现氢水对这一疾病没有明显效果,因此H2对帕金森病是否有治疗作用还存在争议[49]。日本学者发现饮用氢水和吸入H2对载脂蛋白E4(apolipoproteinE4,APOE4)突变类型阿尔茨海默病有一定的预防效果[50]。另一方面,尽管氢水对动脉硬化和高血压的治疗缺乏直接的研究数据,但不少学者发现饮用富氢水能改善血脂紊乱,提高血浆中前-β-高密度脂蛋白(pre-beta-high-densitylipoprotein,pre-β-HDL)的水平,增强对低密度脂蛋白(low-densitylipoprotein,LDL)氧化的保护作用,从而抑制氧化型低密度脂蛋白(oxidized-low-densitylipoprotein,oxidized-LDL)引起的炎症反应和血管内皮细胞的凋亡[51]。这些发现提示H2对预防动脉硬化有一定的应用潜力。

H2对慢性病的干预,是氢医学最有前景的运用领域之一。饮用氢水和吸入H2,作为安全和经济方便的健康手段,有希望为当今健康中国行动作出特殊的贡献。

4.2.3 H2控癌 

广州复大肿瘤医院总院长徐克成教授提出的H2控癌是氢生物学研究中最期待的运用。尽管早在1975年就发现H2对动物癌症症状的改善作用,但人体实验证据至今还比较少见。2019年有学者报道,连续3个月每天3小时吸入H2可显著提高晚期结肠癌患者自身抗肿瘤免疫功能,从而提高患者生存时间等预后[52]。H2改善癌症放射和化疗的副作用也有不少的报道。例如,饮用氢水可预防放疗导致的生活质量下降,预防头面部放疗导致的口腔溃疡以及化疗导致的肝脏毒性[53,54]。

2019年日本学者在《TheLancet》发表论文,证明H2吸入对癌症患者逆向调强放疗(intensitymodulatedradiationtherapy,IMRT)所导致的血小板和白细胞损伤有明显的缓解作用,这种作用可能与H2能够选择性地清除因IMRT而产生的•OH和ONOO-有关[55](预出版中)。

4.2.4 H2对皮肤病和运动损伤的干预 

氢水泡浴能显著改善银屑病的皮肤病变,这与氢水的抗氧化功能相关[56],氢水沐浴还可以通过减少ROS产生和促进真皮Ⅰ型胶原蛋白合成来减少皮肤皱纹[57],也有科学家发现氢水对皮肤烧伤后的色素沉着有一定的改善效果,并与H2的抗氧化作用、对组织炎症反应的抑制以及阻止和延缓细胞凋亡进程有关[58]。

另外,氢水能减少运动疲劳,促进运动后体力的恢复,除了氢水能够减少运动产生的氧化应激外,还可能与其中和运动产生的酸毒性有关[59]。把饮用和沐浴氢水作为促进健康的手段,不仅能减少可能的运动损伤,还能强化运动的健康促进效果,因此可以作为一种新的健康生活方式。

4.2.5 H2对眼的保护作用 

年龄相关性黄斑变性(age-relatedmaculardegeneration,AMD)是导致欧美国家老年人视力丧失的首要原因。随着我国人口老龄化和智能手机的广泛使用,该病在人群中的发病率也逐年增加。氧化应激损伤是AMD发病的重要机制。H2对大鼠视网膜光损伤具有保护作用,并可能与去乙酰化酶1(sirtuin1,Sirt1)信号通路有关[60,61]。在N-甲基-N-亚硝脲(N-methyl-N-nitrosourea,MNU)诱导的视网膜退行性病模型上,也观察到H2对视网膜损伤具有明显的保护作用[62,63]。运用大鼠视网膜分支静脉阻塞模型观察到了H2对大鼠视网膜缺血/再灌注损伤有减轻作用,并与H2对血管内皮生长因子-α(vascularendothelialgrowthfactor-α,VEGF-α)的调控作用有关[64]。此外,在视神经损伤模型中也观察到了H2的保护作用[65]。但是在对内毒素诱导的大鼠葡萄膜炎动物模型上,未观察到H2的作用[66,67],同样在氧诱导视网膜新生血管小鼠动物模型也未观察到明确的防治效果[68]。

4.3 氢医学效应的分子机制

效应机制是理解H2作用及其应用的理论基础,但目前并不完全清楚氢医学效应中抗氧化、抗炎症和抗凋亡的分子基础。由于当前最受学术界认可的假说是H2的选择性抗氧化,这里仍然围绕这一假说来梳理氢医学分子基础的发展历史和最新进展(见Fig.2)。

4.3.1 氢医学分子基础的发展历史 

1975年高压H2治疗肿瘤研究根据H2是弱还原剂,从而采用高压提高H2抗氧化能力的方式来产生抗氧化作用[11]。2007年小剂量H2吸入治疗脑缺血再灌注损伤也是根据H2弱还原作用,首次提出H2只能中和强氧化自由基的选择性抗氧化作用[5]。大量研究发现H2具有抗氧化、抗炎和抗凋亡的效应[5,36,37],并对细胞内相关信号分子及其基因表达产生广泛的影响。但是氢医学作用最受公认的解释仍然是选择性抗氧化作用,主要是因为选择性抗氧化假说可对多种氢生物学效应提供初步合理的解释。

ROS和氧化应激本身就是炎症反应的一部分,许多ROS也参与炎症的信号调节,具有抗氧化作用的药物一般都具有抗炎症效应,因此H2抗炎症可纳入H2抗氧化效应的继发效应[36]。同样道理,各种损伤导致的细胞凋亡也是组织损伤的表现形式,而氧化应激损伤往往处于细胞损伤病理过程的核心地位,因此细胞凋亡也可以作为抗氧化损伤的表现形式。不过,氢医学效应目前很难全部归入其选择性抗氧化作用,其原因是许多细胞信号的改变是在疾病和损伤背景下的变化,这些改变大多混杂有细胞的损伤效应,无法确定是H2本身的效应,还是H2保护的细胞损伤以及产生细胞损伤特征后信号的逆转。

4.3.2 抗氧化和抗炎症的分子机理 

在H2效应机制研究中,有一类典型分子效应是促进了细胞自身抗氧化能力。细胞自身抗氧化能力主要受到核-红细胞系2p45相关因子2(nuclearfactor-erythroid2p45-relatedfactor,Nrf2)转录系统的调控,其调控的信号主要是与各种氧化应激有关,这类信号也可以

用H2选择性抗氧化假说来解释。研究发现,H2能激活Nrf2转录系统,Nrf2基因敲除降低H2抗氧化效应[69]。细胞学研究进一步发现,H2也可以提高细胞内早期的ROS信号,通过促进氧化应激水平,来调动后期的抗氧化系统,从而减低氧化损伤。总之,H2抗氧化作用主要是整体效应和长期效应。

此外,H2还可以调控多种细胞信号通路以及下游信号,其中抗氧化效应涉及p38丝裂原活化蛋白激酶(p38mitogen-activatedproteinkinase,p38MAPK)、细胞外信号调节蛋白激酶(extracellularsignal-regulatedproteinkinase1/2,ERK1/2)[70]和c-Jun氨基末端激酶(c-JunN-terminalkinase,JNK)[71]通路。H2抗炎症效应涉及白介素(interleukin,IL)-1β、IL-6和肿瘤坏死因子-α(tumornecrosisfactorα,TNF-α)在内的促炎性细胞因子、巨噬细胞趋化蛋白1(macrophagechemoattractantprotein1,MCP-1)[72]、细胞间黏附分子(intercellularadhesionmolecule1,ICAM-1)等炎症介质和高迁移率族蛋白(high-mobilitygroupboxprotein1,HMGB-1)、核因子-κB(nuclearfactor-κB,NF-κB)等促炎性转录因子的表达[73-75]。H2还可以被Toll样受体4(Toll-LikeReceptor4,TLR4)介导的信号通路调控,从而发挥抗炎症作用[76]。

4.3.3 抗凋亡的分子机理 

H2还可以通过提高磷酸化AMP活化的蛋白激酶(phosphorylatedAMP–activatedproteinkinase,p-AMPK)、凋亡诱导因子(apoptosisinducingfactor,AIF)、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3(caspase3,CASP3)的表达水平,从而增强5-氟尿嘧啶诱导癌细胞凋亡的作用,提高细胞存活率[77]。富氢生理盐水可以减少因缺血再灌注引起的心肌细胞凋亡,包括显著改善左心室收缩压(leftventricularsystolicpressure,LVSP)和左心室舒张压(leftventriculardiastolicpressure,LVDP)在内的心功能参数。相关的机理包括减少中性粒细胞浸润,降低3-硝基酪氨酸和ICAM-1的表达水平,以及减少大鼠心脏高风险区域(areaatriskzones,AAR)中髓过氧化物酶(myeloperoxidase,MPO)的活性等[74]。

另外,越来越多的证据已经发现了氢医学效应的大量下游途径或靶点,包括自噬、组蛋白修饰以及线粒体未折叠蛋白质应答、运动后的急性氧化应激等[75]。不过总体而言,氢医学的相关分子机理的研究还处于起步阶段。

4.4 与材料科学相结合的氢医学前沿

与材料化学的融合是氢医学发展的新趋势。目前,用于氢医学的新材料包括纳米含氢新材料和新型高效的镁基储氢材料等。

4.4.1 纳米氢医学 

随着氢医学研究的深入和延伸,近年来纳米氢医学应运而生[78]。纳米氢医学是指利用纳米技术和新型纳米材料尝试解决氢医学中遇到的科学技术问题[78,79],包括但不限于:1)H2靶向传输;2)H2可控释放;3)尝试基于H2的多模式联合作用。利用纳米材料的靶向性可以实现H2的靶向传输,增加病灶组织局部氢浓度,从而增强药效;通过调控纳米材料的尺寸和表面分子识别特性可以尝试实现肿瘤主动/被动靶向H2治疗[80,81]。

另外,通过介孔二氧化硅等纳米载体高效担载H2前药,或者将H2前药直接纳米化,可以增加H2担载量,尝试提高H2的生物学效应[82-84];同样,通过调控纳米材料的敏感性也可以实现可控H2释放[79-81];运用分子影像技术,开发纳米造影剂,可以示踪释氢纳米材料体内代谢[79-81]。借助铂和钯等纳米催化剂,可以增强H2还原性以及对高氧化性自由基的清除效果,提高H2的生物学效果[79,80]。

另外,基于纳米材料的多功能特性,可以方便地将H2与常规治疗方式进行有效整合,从而尝试基于H2的多模式联合作用[80,85]。

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Fig.2 Possiblemechanismrelatedtophysiologicaleffectsofhydrogengas

4.4.2 氢化镁在氢医学上的运用 

氢化镁(magnesiumhydride,MgH2)是一种新型高效的镁基储氢材料,因其高储氢密度、质量轻、来源丰富和价格相对低廉,可能成为燃料电池的原料而备受关注。同时,MgH2安全无毒,且稳定性较好,通过水解产生氢纳米气泡,并能够维持相对较长的时间[86],因此可以作为氢生物学的潜在产氢材料。采用氢化镁混悬液喂施小鼠,发现其能减少氧化产物4-羟基壬烯酸(4-hydroxynonenal,4-HNE)的产生,并调节Pgc-1α基因以及成纤维细胞生长因子21(fibroblastgrowthfactor21,FGF21)编码基因的表达,从而促进脂肪酸代谢和胆固醇代谢[87]。另外,在喂施果蝇的食物中加入MgH2,发现其能够延长果蝇的寿命;同时喂食线粒体过氧化物酶低表达基因突变的果蝇,可以推迟其肠道功能障碍的发生,延长生存时间[88]。Chao等[89]在反应体系中加入了柠檬酸作为催化剂和螯合剂,大大提高了MgH2的产氢率,使得其比其他电解法更具有潜在的临床应用价值。

4.5 氢农学的现状及其分子机制

氢农学即结合采用生理生化、分子生物学、遗传学和组学等手段,研究氢农业相关规律的科学。从实施的对象看,氢农学还包括氢气微生物学效应、氢气植物学效应以及氢气动物学效应。由于氢农学还涉及新材料和新能源等,因此还具有综合性的特点。

与氢农学相对应的实践概念是氢农业,即运用H2或产氢材料,以富氢水或H2熏蒸等方式,提高农林牧副渔等相关产品产量以及品质的实践,其跨度可以从田间到餐桌,同时还涉及食品与营养学等学科[90-94]。氢农业可以划分为设施园艺氢农业、大田氢农业、家庭氢农业等。由于氢农业也具有绿色和环保的特性,因此也是综合应用于种植业、畜牧业及水产业的一种新生态农业。

特别需要提出的是,人类大健康离不开动物、植物和微生物的健康。因此,分别属于理论与实践的氢农学和氢农业也是人类大健康的重要保障。

4.5.1 H2的微生物效应以及分子机理 

H2是豆科植物根瘤菌固氮反应产物之一,豆科作物产生的H2可以促进农作物轮作[26]。H2通过促进土壤有益微生物(如氢氧化细菌)的群落生长,从而改变微生物的群落结构。此外,H2还可以减缓土壤中有机质的降解速度,提高根际二氧化碳固定量。上述结果提示,H2可以增强土壤肥力,从而提高农作物产量。因此,科学家把土壤中发挥肥料作用的H2称为“氢肥”[8,26]。

此外,外源H2通过降低脂质过氧化以及细胞内ROS水平,提高丙酮酸激酶活性,从而缓解非生物胁迫对真姬菇的伤害[95]。H2还能参与调节醋酸胁迫下灵芝的形态学变化、生长发育以及次生代谢,并与其对谷胱甘肽过氧化物酶的调节有关[96]。外

源H2也可以提高真姬菇的采后品质,延长其货架期[97]。

4.5.2 H2的植物学效应及其分子机理 

H2的植物学效应包括提高植物对胁迫的抗/耐性、改善植物生长发育和营养品质,以及调控水果和花卉采后生理等。

4.5.2.1 H2提高植物对非生物胁迫的耐性

盐害、干旱、渗透胁迫、重金属污染以及极端温度等非生物胁迫是影响植物生长和发育的不利因素。已经知道,H2可以通过诱导气孔关闭来提高拟南芥耐旱性,采用还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reducednicotinamideadeninedinucleotidephosphate,NADPH)氧化酶基因的突变体材料,证实NADPH氧化酶催化合成的ROS是H2提高耐旱性的下游信号分子[21],这与氢医学选择性抗氧化机制存在明显的差异。另外,富氢水提高植物耐旱性部分来源于低氧[21]。进一步的遗传学和药理学实验提示,依赖于硝酸还原酶(nitratereductase,NR)的一氧化氮(nitricoxide,NO)也参与了H2提高植物的耐旱性[21,98],同时还伴随着依赖于NO的蛋白质亚硝基化[98]。与NO相类似,药理学实验发现依赖于血红素加氧酶-1(hemeoxygenase-1,HO-1)的一氧化碳(carbonmonoxide,CO)也是H2提高苜蓿耐旱性的下游信号分子[16]。外源H2提高拟南芥耐盐性还涉及锌指转录因子(zinc-fingertranscriptionfactor10/12,ZAT10/12)和抗氧化酶基因表达的上调,以及重建细胞离子稳[99]。

来自于土壤和农化品的金属污染一直是农业生产中的问题。通过食物链,重金属污染还能严重影响人类健康。镉和汞是常见的环境污染物,H2可以降低镉和汞的积累,同时提高植物幼苗的抗氧化能力,减少ROS积累,从而缓解金属污染对幼苗生长的抑制[100,101]。H2缓解小白菜镉毒害可能与其对离子转运蛋白(IRT1和Nramp1)编码基因的调节有关[102]。此外,铝对植物的最明显毒害是抑制根的生长,而H2处理可以通过抑制苜蓿幼苗NO的合成,从而缓解铝胁迫引起的根生长抑制[103]。此外,H2缓解铝胁迫对水稻种子萌发的抑制与调控miRNA(miR528,miR160a,miR398a和miR159a)的表达有关[104]。

冷害作为农业生产的不利环境因素,也会严重降低农作物的产量。研究证明,H2介导的水稻耐寒性与miRNA(miR398和miR319)调控的氧化还原平衡有关[105]。此外,能够诱导ROS爆发的百草枯引起的苜蓿幼苗氧化伤害能够被H2所缓解,其中HO-1/CO信号系统是其下游信号分子[16]。过量硼会影响植物生长,H2可以通过调控水通道蛋白基因的表达,降低水稻种子萌发及幼苗生长过程中的硼毒害[106]。

4.5.2.2 H2提高植物对生物胁迫的抗性

属于生物胁迫范畴的植物病害是指植物在病原菌等生物因子的侵染下,产生阻碍其生长和发育,甚至死亡的病理表型。H2可以调控与植物抗病有关的水杨酸(salicylicacid,SA)和JA受体蛋白基因的表达[31]。此外,H2还通过提高多酚氧化酶(polyphenoloxidase,PPO)活性和NO含量来增强番茄果实对灰霉菌的抗性[107]。

4.5.2.3 H2改善植物生长发育和营养品质

早在1964年,就有研究发现H2能够促进黑麦种子的萌发[4]。近年来的研究发现,H2预处理显著缓解盐害对水稻种子萌发以及幼苗生长的抑制[108]。进一步研究发现,H2提高铝胁迫下水稻种子的萌发率与其能抑制ABA的合成以及提高赤霉素(gibberellin,GA)含量有关[104]。

侧根和不定根发生对于植物生长发育、无性繁殖以及园艺生产具有重要意义。生长素诱导番茄和拟南芥侧根发生与其能提高H2产生有关,而且依赖于NR催化产生的NO是其下游信号分子[33]。H2可以缓解生长素极性运输受抑导致的黄瓜外植体不定根发生的抑制,提示H2可能与生长素信号转导有关[33]。CO还参与了干旱胁迫下H2介导的黄瓜不定根发生[109]。与CO相类似,NO也可能作为H2的下游信号分子从而参与H2诱导的黄瓜不定根发生[110,111]。此外,H2还可以促进万寿菊和猪笼草的不定根发生[90,91]。

H2还可以提高蔬菜的营养品质。富氢水可以提高UV-A下萝卜芽苗菜的花青素和多酚的积累,且前者的积累是通过提高花青素合成酶基因表达来实现的[112]。转录组分析结果提示,上述效应与H2调控转录因子表达有关[113]。H2还可以提高UV-B下苜蓿幼苗的类黄酮含量[114]。最近的研究证实,外源H2可以提高发芽黑大麦营养物质含量和抗氧化能力[115]。

4.5.2.4 H2调控水果和花卉采后生理

水果和花卉在采后储藏和销售过程中易失水萎蔫、腐烂和变质,从而营养品质降低。与传统保鲜技术相比,低浓度的H2作为保鲜剂具有安全、无毒和无污染的特性。例如,H2可以提高超氧化物歧化酶活性维持较低的ROS水平,从而延长猕猴桃货架期[92]。此外,H2通过抑制乙烯合成相关酶活性以及降低乙烯释放量,延缓猕猴桃的成熟和衰老[34]。与水果采后保鲜相类似,鲜切花保鲜也是另外的一个研究热点。H2可以通过保持水分平衡和膜稳定性,以及降低叶绿素分解和细胞膜损伤,从而延缓百合和玫瑰鲜切花的衰老[93,94]。另外,H2可以延长香石竹切花的盛开期[116]。最近的研究证实,内源H2延缓采后洋桔梗鲜切花衰老与其能够提高切花抗氧化能力有关[35]。

4.5.3  H2的动物效应及其分子机理 

动物消化道厌氧细菌能够产生内源H2[3,117],暗示其在动物体内可能有独特的生理效应。最近的研究显示,H2能够缓解镰刀菌真菌毒素对猪仔胃肠道菌群稳态和多样性的破坏作用,降低真菌毒素诱导的氧化应激、细胞凋亡和肠道渗漏,最终改善镰刀菌真菌毒素对猪仔生长的抑制[118-120]。H2通过降低氧化应激,从而缓解猪肝脏缺血和肝切除后的损伤[121,122]。此外,可产生H2的金属镁也能影响山羊胃部菌群的组成和代谢[123]。总体而言,上述研究结果为后续H2在畜牧中的实际利用提供了部分理论依据。必须指出的是,有关氢农学中使用的H2浓度远低于爆炸范围,因此具有较高的安全性。

5 氢气生物学的若干重要的科学和实践问题的展望

迄今为止,氢气生物学发展已经逐渐呈现医学、农学、化学、材料学和营养学等多学科的交叉和融合发展的趋势。例如,欧盟、日本和中国均明确规定H2可以作为食品添加剂;金属镁和氢化镁钙就可以作为口服产氢的方法[88]。不过,氢气生物学还存在不少重要的科学问题,诸如:1)H2在生命进化过程中的作用和地位?2)H2是否是健康的必要条件?3)H2参与菌群调控的方式?4)肠道细菌产氢和寿命的关系?5)H2和重要人类疾病如糖尿病、动脉硬化和癌症的关系;6)H2在高等生命体内代谢规律?例如,高等动物细胞是否能合成H2?植物是如何产生并释放H2?高等动植物细胞是否能分解和利用H2?H2是否参与或调节基本的生化代谢?H2是否对酶和蛋白质具有直接的调控作用?其具体的生物化学机制是什么?7)H2是否存在生物效应饱和现象?8)以富氢水和富氢生理盐水供氢时,如何排除低氧生物学效应的干扰?9)H2细胞学研究技术,例如开发H2特异的细胞学研究探针,这对于研究H2在生物体中的运输途径、以及氢生物学效应的可能受体以及直接的靶酶(靶蛋白)是至关重要的。

同样,氢气生物学的实践也存在不少问题,其中相关的给氢方式和费效比,以及制氢装置与设备的市场定位与准入均是具有挑战性的课题,这需要氢气工业利用领域的力量来参与。目前,广东佛山和云浮、江苏如皋和张家港、以及浙江台州等均有相关的氢能产业园或氢能小镇,如何把相关的加氢站或氢气管道运用于氢农业值得进一步的探索和实践;同时,也应该重视相关的国际和国内专利群的申请。由于广大科学界以及公众对氢气生物学还存在一定程度的认知偏差与误解,因此亟待在相关机理的研究中取得重大突破。尤其重要的是,氢医学的进一步发展还依赖于大量且可信度高的临床试验;氢农业有待于开展并完成多年多点的大规模田间试验以及相关的推广与示范工作。针对目前的氢农业,建议应该紧密围绕高附加值农业(高端水果、蔬菜和中药材以及特种养殖业等)来展开。

致谢 感谢《中国生物化学与分子生物学报》对本领域的重视,感谢尚伟芬编辑的邀约!感谢深圳大学何前军教授、山东第一医科大学秦树存教授、北京工业大学马雪梅教授、空军军医大学张作明教授、西安交通大学刘健康教授和南京医科大学冯晴教授提供相关资料或对拙稿提出宝贵意见。

参考资料省略(有需要的添加微信索取)。

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