孫學(xué)軍
氫分子生物學(xué)的研究目前已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，從2007年到現在短短5年內發(fā)表的相關(guān)論文已經(jīng)達到300多篇。早期主要是日本、中國和美國等國家為主的實(shí)驗室開(kāi)展這一研究領(lǐng)域，而現在包括歐洲許多著(zhù)名實(shí)驗室也相繼加入到這一隊伍，這顯示出氫分子生物學(xué)的研究隊伍在不斷壯大。2010年5月，以從事氫分子生物學(xué)為主要成員的數名學(xué)者共同創(chuàng )辦了《醫學(xué)氣體研究》雜志，該雜志創(chuàng )辦以來(lái)，發(fā)表的論文中涉及到氫分子生物學(xué)的研究占50%以上，這足以說(shuō)明這一領(lǐng)域的重要影響。關(guān)于醫學(xué)氣體的研究，過(guò)去比較知名的包括一氧化氮和一氧化碳，已經(jīng)最近10多年的硫化氫。氫氣的研究是否可以成為氣體生物學(xué)研究領(lǐng)域的主要成員將決定于氫氣生物學(xué)效應機制的突破性研究。因為如果在作用機制上沒(méi)有突破，單純從宏觀(guān)效應上縱向研究，氫氣生物學(xué)將在生命科學(xué)領(lǐng)域，特別是基礎理論為主的生物學(xué)領(lǐng)域沒(méi)有地位。因此，從事氫氣生物學(xué)效應研究的學(xué)者必須把眼光重點(diǎn)放在分子機制研究上。
2008年我曾經(jīng)寫(xiě)過(guò)一篇文章，提出氫氣生物學(xué)研究將來(lái)有可能問(wèn)鼎諾貝爾醫學(xué)生理學(xué)獎，當然需要有兩個(gè)重要前提，一是氫氣在臨床上被證明有效果并被廣泛應用于臨床，二是明確了氫氣的生物學(xué)效應機制?，F在這種看法仍沒(méi)有過(guò)時(shí)，不過(guò)從這個(gè)領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)研究進(jìn)展情況看，并沒(méi)有看到短期內可以實(shí)現的曙光。希望中國有志向的年輕科學(xué)家迎難而上，破解這一領(lǐng)域的謎團，不錯過(guò)這一非常有前景的課題。
第一節氫分子生物學(xué)的早期研究
早就有人注意到氫在低等生物重要的代謝物質(zhì)，例如有的細菌可以產(chǎn)生氫氣，有的可以利用和降解氫氣。那么氫氣是否參與高等生物正常代謝或疾病過(guò)程，不過(guò)2007年以前這樣研究的非常稀少。
氫氣具有還原性是公認的事實(shí)，由于氫的溶解度比較低，與氧類(lèi)似，但因為氧有血紅蛋白可以結合，因此氧可以順利通過(guò)呼吸大量吸收，所以一直以來(lái)，生物學(xué)家特別是潛水醫學(xué)家認為，氫氣是生理性惰性氣體。也就是說(shuō)，氫氣不會(huì )與生物體內的任何物質(zhì)發(fā)生反應。早期在潛水醫學(xué)領(lǐng)域，由于存在高壓呼吸氫的情況，溶解的量隨分壓而增加，科學(xué)家試圖證明高壓情況下，氫或許可以與氧在溶解狀態(tài)下反應，或者與自由基發(fā)生反應，但由于實(shí)驗設計問(wèn)題，沒(méi)有證明該反應存在。估計一方面是因為檢測方法的靈敏度不夠，另一方面也說(shuō)明氫確實(shí)不容易與機體成分發(fā)生反應。不過(guò)早在1975年有人曾證明呼吸高壓氫氣能治療皮膚鱗狀細胞癌。2001年又有人證明，呼吸高壓氫氣可治療肝寄生蟲(chóng)感染引起的炎癥反應。這些研究沒(méi)有引起大家的關(guān)注，主要原因可能是高壓氫不可能作為一般臨床治療手段。在輻射化學(xué)領(lǐng)域，有人證明溶液中氫可與羥自由基直接反應，這同樣沒(méi)有被生物學(xué)家所關(guān)注。
回顧歷史可以讓我們清楚了解一個(gè)學(xué)科和一種思想的起源。關(guān)于氫氣生物學(xué)效應的研究，早在200多年前氫氣剛剛被發(fā)現后，就有人進(jìn)行過(guò)探索。早期的研究只能簡(jiǎn)單地觀(guān)察氫氣被動(dòng)物呼吸后的反應，顯然觀(guān)察結果證明氫氣對動(dòng)物沒(méi)有產(chǎn)生顯著(zhù)的影響。關(guān)于氫氣的生物學(xué)效應，最熱鬧地當然屬于潛水醫學(xué)，因為氫氣作為人類(lèi)潛水呼吸的氣體被國際許多重要的潛水醫學(xué)研究單位深入研究，作為呼吸氣體的最重要前提是該氣體的安全性，就是不能對人體產(chǎn)生明顯的影響，包括在極端高壓下呼吸這種氣體。許多年的潛水醫學(xué)研究證明呼吸氫氣是非常安全的，但也同時(shí)給人們一種深刻印象，呼吸氫氣對人體是沒(méi)有明顯生物學(xué)效應的。所以說(shuō)萬(wàn)事都存在兩面性，潛水醫學(xué)的研究給氫氣研究奠定了非常好的基礎，但也從某種程度上限制了該領(lǐng)域的發(fā)展，不過(guò)后來(lái)在其他領(lǐng)域的發(fā)現，突破了這一習慣思維，而關(guān)于潛水醫學(xué)的研究有給氫氣生物學(xué)的研究提供了非常有價(jià)值的生物安全性證據。
雖然潛水醫學(xué)認為氫氣屬于惰性氣體，但畢竟在1975年就有人開(kāi)展了氫氣治療腫瘤的研究，后來(lái)2001年才有法國學(xué)者將高壓氫用于治療肝臟寄生蟲(chóng)感染的研究。為什么這么長(cháng)時(shí)期沒(méi)有其他學(xué)者關(guān)注氫氣在醫療上的應用，一方面關(guān)于氫氣是惰性氣體的說(shuō)法已經(jīng)在人們頭腦中根深蒂固，可能許多人根本不會(huì )去考慮氫氣的生物學(xué)效應，這個(gè)說(shuō)法并不是憑空想像。20年前，在激光多普勒技術(shù)應用前，根據氫氣在某一組織下降的速度和該組織的血液供應有關(guān)這一特點(diǎn)，一種用呼吸氫氣檢測組織血流的方法在許多疾病模型中廣泛使用，該方法是讓動(dòng)物呼吸高達10%的氫氣10到30分鐘，然后檢測組織中氫氣濃度的下降速度來(lái)間接計算該組織的血流量。從現在的角度看，這一檢測技術(shù)可以對許多研究的疾病本身產(chǎn)生一定治療作用，但從來(lái)沒(méi)有人發(fā)現這一效應，這不得不說(shuō)是一種遺憾。
第二節氫氣治療疾病的發(fā)現
2007年日本學(xué)者報道，動(dòng)物呼吸2%的氫可有效清除強毒性自由基，顯著(zhù)改善腦缺血再灌注損傷，采用化學(xué)反應、細胞學(xué)手段證明，氫溶解在液體中可選擇性中和羥自由基和亞硝酸陰離子。而后兩者是氧化損傷的最重要介質(zhì)，體內缺乏他們的清除機制，是多種疾病發(fā)生的重要基礎。隨后他們又用肝缺血和心肌缺血動(dòng)物模型，證明呼吸2%的氫可以治療肝和心肌缺血再灌注損傷。采用飲用飽和氫水可治療應激引起的神經(jīng)損傷和基因缺陷氧化應激動(dòng)物的慢性氧化損傷。美國匹茲堡大學(xué)器官移植中心學(xué)者Nakao等隨后證明，呼吸2%的氫可以治療小腸移植引起的炎癥損傷，飲用飽和氫水可治療心臟移植后心肌損傷、腎臟移植后慢性腎病。日本和美國學(xué)者也先后證明飲用飽和氫水或氫棒產(chǎn)生的氫水能治療人類(lèi)二型糖尿病，特別是對二型糖尿病相關(guān)的氧化損傷具有顯著(zhù)的改善效果。國內謝克亮等的研究證明，呼吸氫氣能治療動(dòng)物系統炎癥、多器官功能衰竭和急性顱腦損傷。我們的研究也證明，呼吸2%的氫可以治療新生兒腦缺血缺氧損傷。隨后，我們成功制備了飽和氫注射液，并與國內40多家實(shí)驗室開(kāi)展合作，先后發(fā)現該注射液對疼痛、關(guān)節炎、急性胰腺炎、老年性癡呆、慢性氧中毒、一氧化碳中毒遲發(fā)性腦病、肝硬化、脂肪肝、脊髓創(chuàng )傷、慢性低氧、腹膜炎、結腸炎、新生兒腦缺血缺氧損傷、心肌缺血再灌注損傷、腎缺血再灌注損傷和小腸缺血再灌注損傷等具有良好的治療作用。特別是我們的實(shí)驗證明，早期治療可明顯改善新生兒腦缺血缺氧損傷晚期神經(jīng)功能和學(xué)習記憶能力。這些研究說(shuō)明，氫是一種理想的自由基、特別是毒性自由基的良好清除劑，具有潛在的臨床應用前景。
仔細分析最近5年氫氣分子生物學(xué)的研究歷史，以日本、美國和中國學(xué)者為主的研究隊伍不斷壯大，但研究的水平并沒(méi)有相應提高，究其原因可能是這個(gè)領(lǐng)域并沒(méi)有得到國際上最前沿科學(xué)家的關(guān)注，目前國際上最前沿的研究主要是關(guān)于腫瘤干細胞、小分子RNA干擾、表觀(guān)遺傳學(xué)和中樞神經(jīng)系統功能的研究，氫氣生物學(xué)研究在整個(gè)大的生命科學(xué)領(lǐng)域仍就只能算一個(gè)局部的相對冷門(mén)的小領(lǐng)域。
另外，氫氣生物學(xué)效應方面的研究方法上也存在比較特殊的難度，例如定量、識蹤等都比較困難，這也是影響氫氣生物學(xué)研究快速發(fā)展的客觀(guān)因素。
第三節關(guān)于選擇性抗氧化的疑問(wèn)
雖然氫氣的生物學(xué)效應是確定的，在人體和多種動(dòng)物模型中的治療效果是非常驚人的。但氫氣治療疾病的分子機制目前仍存在疑問(wèn)。
由于氫的溶解度比較低，按照體積計算，水中的溶解度大約1.6 ml/100 ml，脂肪中的溶解度大約3.0 ml/100 ml。如此低的濃度，考慮到氫的還原性比較低，氫幾乎不可能與氧氣等弱氧化物質(zhì)直接發(fā)生反應。不過(guò)生物體內的活性氧種類(lèi)很多，有的氧化作用弱，例如一氧化氮、過(guò)氧化氫和超氧陰離子；有的氧化作用很強，例如羥自由基和亞硝酸陰離子。氫不與氧化作用弱的活性氧直接反應，但是氫可以與氧化作用很強的活性氧，如羥自由基和亞硝酸陰離子直接發(fā)生反應。日本學(xué)者2007年和后續文章通過(guò)大量證據證明這種反應的存在。
關(guān)于氫氣的選擇性抗氧化，目前存在許多問(wèn)題。因為羥自由基活性比較強，其本身選擇性應該不會(huì )太好，擴散距離只有一個(gè)蛋白分子大小，當然導致這種現象的原因是細胞不象水溶液的成分那樣單一，存在多種大量能與羥自由基反應的物質(zhì)，雖然氫與羥自由基發(fā)生選擇性中和反應，但并不能直接推論為羥自由基可以選擇性被氫中和。這個(gè)觀(guān)點(diǎn)已經(jīng)有學(xué)者提出，是從反應速度上看，羥自由基與其他生物分子發(fā)生反應的速度是與氫發(fā)生反應速度的1000倍，除非氫濃度特別高，否則不應該具有選擇性。羥自由基與其他物質(zhì)的衍生產(chǎn)物如果也能與氫發(fā)生反應可能更具有說(shuō)服力，例如亞硝酸陰離子可能選擇性更好一些，因為它本身活性比羥自由基弱，擴散距離大，更容易遇到氫并與之發(fā)生化學(xué)反應。
另外，關(guān)于選擇性抗氧化的只有離體間接證據，在體是否也是具有同樣的選擇性抗氧化作用，需要更直接的證據來(lái)證明。一些現象也提示，氫的生物學(xué)效應可能比較復雜，首先2007年太田教授小組就發(fā)現，呼吸4%的氫作用低于呼吸2%，這說(shuō)明其生物學(xué)效應不是線(xiàn)性，而是存在多種情況。最近日本的Mami小組研究發(fā)現，即使飲用1/20飽和氫水，仍然能有效治療巴金森病。如此低的氫濃度能取得很好效果，說(shuō)明氫的作用比我們原來(lái)想象的作用要強大地多。有些實(shí)驗也發(fā)現，一定濃度的氫可影響過(guò)氧化氫和超氧陰離子濃度。這些研究證據提示，氫氣的選擇性抗氧化作用可能并不是絕對的。
許多生物化學(xué)反應是在酶的催化下完成的，酶的催化是否也能影響氫氣的生物學(xué)作用，或者說(shuō)氫氣是否能參與酶催化條件下的生物化學(xué)反應。與一般化學(xué)溶液不同，受溫度、濃度等條件限制，許多生物化學(xué)反應必須在酶的催化下才能實(shí)現，酶的作用是降低反應活化能，讓不具有反應條件（溫度、濃度等）的化學(xué)反應進(jìn)行，生物體存在大量種類(lèi)繁多的具有催化氧化反應的酶，是否這些酶具有可催化氫與弱氧化物質(zhì)發(fā)生反應，由于氫氣分子量很小，穿透能力強（體內沒(méi)有任何屏障能阻擋氫氣的自由擴散），發(fā)生這類(lèi)反應的可能性是很大的。另外，氫化酶是低等生物產(chǎn)生和代謝氫的重要關(guān)鍵酶，在高等生物細胞內，同樣存在這些酶的后代分子，那么這些酶是否仍可發(fā)揮產(chǎn)生或代謝氫的作用，或者在一定條件下發(fā)揮這樣的作用，也值得深入探討。我們初步的估計是，氫氣選擇性抗氧化是有條件的，或者是相對的。
許多金屬具有吸附氫氣的特點(diǎn)，例如鐵、銅等金屬元素，這些元素在生物體系中也比較豐富，氫氣是否在生物體內也可以被這些金屬吸附，這也是值得考慮的問(wèn)題。最近國內有學(xué)者提出，氫氣的生物學(xué)效應就是在某些金屬離子催化下實(shí)現的。
第四節氫氣醫學(xué)領(lǐng)域的研究展望
我們自從2008年發(fā)表第一篇研究論文以來(lái)，中國學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域共發(fā)表研究論文已經(jīng)達到90多篇，而國際上這個(gè)領(lǐng)域的總數量仍不超過(guò)200篇，在疾病種類(lèi)研究上，中國學(xué)者為主的研究幾乎占50%，也就是說(shuō)，盡管我們起步比較晚，但我們在國際上的研究規模已經(jīng)是最大的。參與氫氣生物學(xué)效應的中國各個(gè)醫科大學(xué)和研究所數量迅速增加，根據初步統計，目前有復旦大學(xué)醫學(xué)院、上海交通大學(xué)醫學(xué)院、同濟大學(xué)醫學(xué)院、第二軍醫大學(xué)、、第三軍醫大學(xué)、南京大學(xué)醫學(xué)院、天津醫科大學(xué)、華西大學(xué)醫學(xué)院、陜西師范大學(xué)、中國醫科大學(xué)、首都醫科大學(xué)、哈爾濱醫科大學(xué)、蘇州大學(xué)、泰山醫學(xué)院、溫州醫學(xué)院等以及上述部分大學(xué)的多家附屬醫院。
國家自然科學(xué)基金項目數量能間接反映中國學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注程度，統計數據顯示，2009年關(guān)于氫氣治療疾病的項目有2項，2010年達到4項，2011年已經(jīng)達到6項，相信將來(lái)國家自然科學(xué)基金中關(guān)于氫氣生物學(xué)研究的項目會(huì )逐年增加。
從目前發(fā)表論文的情況看，中國學(xué)者在氫氣生物醫學(xué)研究方面需要注意的問(wèn)題依然存在，一是研究的深度不夠，與美國和日本學(xué)者相比存在明顯差距，具體表現在我們的研究大多數停留在觀(guān)察治療效果，用常規的指標確認治療效果，很少能涉及到分子機理的研究。另一個(gè)是沒(méi)有開(kāi)展臨床治療的研究，盡管氫氣仍沒(méi)有作為藥物用于臨床，但作為保健品，人仍可以使用，美國和日本學(xué)者已經(jīng)在這方面進(jìn)行了有宜的探索，由于氫氣水和氫水棒已經(jīng)商品化，可以飲用，日本和東南亞各國都有大量人群使用的報道，在糖尿病、腎臟功能衰竭、動(dòng)脈硬化等疾病方面進(jìn)行了初步探索。但中國的臨床研究相對滯后，關(guān)鍵原因是沒(méi)有受到臨床上真正重視。由于我們國家人口多，疾病種類(lèi)廣泛，開(kāi)展臨床研究有我們很多優(yōu)勢，只要規范選擇合適的疾病類(lèi)型，我們理應在氫氣的臨床研究方面取得更好的成績(jì)。
從國際范圍看，氫氣生物學(xué)領(lǐng)域有一些重要問(wèn)題仍沒(méi)有引起關(guān)注。如內源性氫氣效應的研究，食用人體不吸收的營(yíng)養素，如甘露醇、乳果糖和許多中藥成分等可能具有促進(jìn)腸道細菌產(chǎn)生氫氣的作用，這種能增加內源性氫氣產(chǎn)生的手段也應該具有呼吸氫氣同樣的效果。電針本質(zhì)上就是一種直流電刺激，電針治療過(guò)程中由于組織液被電解，在正極可產(chǎn)生氧氣，而在負極可產(chǎn)生氫氣，因此，電針治療過(guò)程中體內氫氣的水平會(huì )增加，電針的治療效果是否與氫氣有關(guān)值得探討。金屬鎂被用于可溶性生物材料如骨材料和血管支架，在含金屬鎂生物材料溶解過(guò)程是因為金屬鎂與水發(fā)生反應，產(chǎn)生氫氧化鎂和氫氣，因此，在分析這類(lèi)生物材料對疾病的影響時(shí)也可探討氫氣在其中發(fā)揮的作用。
總之，氫氣生物學(xué)效應的發(fā)展將可能在如下這些方面。
1、氫氣的生物學(xué)作用的分子機制研究；這方面主要尋找氫氣的生物分子效應靶點(diǎn)，作用原理。
2、氫氣的臨床應用研究；主要是選擇合適的疾病類(lèi)型，開(kāi)展嚴格雙盲隨機多中心的臨床研究，重點(diǎn)是對疾病治療效果的確認。進(jìn)年有望取得突破的疾病類(lèi)型包括，類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節炎等自身免疫性疾病、老年性癡呆等神經(jīng)退行性疾病、糖尿病等代謝性疾病。
3、氫氣的臨床使用方法研究；重點(diǎn)是尋找合理的臨床應用方案、氫氣相關(guān)藥物的準入、劑量效應關(guān)系、各類(lèi)使用氫氣的特殊方式有效性研究。
4、氫氣在細菌、真菌、植物等多種生物體系中的作用研究；盡管氫氣在細菌和原蟲(chóng)等肯定可發(fā)揮重要作用，但真菌和植物是否存在氫氣的生物學(xué)效應目前尚缺乏證據。
5、其他類(lèi)似氣體分子的生物學(xué)效應，氫氣生物學(xué)效應給其他一些類(lèi)似氣體分子，如甲烷、氦氣，這些氣體的共同特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，沒(méi)有毒性作用，應用前景廣泛，氫氣的生物學(xué)效應研究給這些氣體的研究提供了借鑒，有望形成一股氣體生物學(xué)研究熱潮。
許多經(jīng)典的“小”分子化學(xué)物質(zhì)，例如小分子肽只能靠接觸和其他分子發(fā)生反應，許多維生素和金屬離子只能結合在大分子的規定部位發(fā)揮輔酶的作用。在生物的液體微觀(guān)環(huán)境中，這些氣體不僅可以在水相分布，也可以在脂相分布，更重要的是可以進(jìn)入生物大分子的內部，這是許多傳統的大分子物質(zhì)所不具備的特點(diǎn)，也許這些氣體的生物學(xué)效應秘密恰好就隱藏在這些最簡(jiǎn)單的化學(xué)性質(zhì)中。
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