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，從2007年到現(xiàn)在短短5年內(nèi)發(fā)表的相關(guān)論文已經(jīng)達(dá)到300多篇。早期主要是日本、中國和美國等國家為主的實驗室開展這一研究領(lǐng)域，而現(xiàn)在包括歐洲許多著名實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(shù)名學(xué)者共同創(chuàng)辦了《醫(yī)學(xué)氣體研究》雜志，該雜志創(chuàng)辦以來，發(fā)表的論文中涉及到氫分子生物學(xué)的研究占50%以上，這足以說明這一領(lǐng)域的重要影響。關(guān)于醫(yī)學(xué)氣體的研究，過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(yīng)機(jī)制的突破性研究。因為如果在作用機(jī)制上沒有突破，單純從宏觀效應(yīng)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(chǔ)理論為主的生物學(xué)領(lǐng)域沒有地位。因此，從事氫氣生物學(xué)效應(yīng)研究的學(xué)者必須把眼光重點放在分子機(jī)制研究上。
2008年我曾經(jīng)寫過一篇文章，提出氫氣生物學(xué)研究將來有可能問鼎諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎，當(dāng)然需要有兩個重要前提，一是氫氣在臨床上被證明有效果并被廣泛應(yīng)用于臨床，二是明確了氫氣的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)制?，F(xiàn)在這種看法仍沒有過時，不過從這個領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)研究進(jìn)展情況看，并沒有看到短期內(nèi)可以實現(xiàn)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(tuán)，不錯過這一非常有前景的課題。
第一節(jié)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(xì)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程，不過2007年以前這樣研究的非常稀少。
氫氣具有還原性是公認(rèn)的事實，由于氫的溶解度比較低，與氧類似，但因為氧有血紅蛋白可以結(jié)合，因此氧可以順利通過呼吸大量吸收，所以一直以來，生物學(xué)家特別是潛水醫(yī)學(xué)家認(rèn)為，氫氣是生理性惰性氣體。也就是說，氫氣不會與生物體內(nèi)的任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。早期在潛水醫(yī)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(yīng)，或者與自由基發(fā)生反應(yīng)，但由于實驗設(shè)計問題，沒有證明該反應(yīng)存在。估計一方面是因為檢測方法的靈敏度不夠，另一方面也說明氫確實不容易與機(jī)體成分發(fā)生反應(yīng)。不過早在1975年有人曾證明呼吸高壓氫氣能治療皮膚鱗狀細(xì)胞癌。2001年又有人證明，呼吸高壓氫氣可治療肝寄生蟲感染引起的炎癥反應(yīng)。這些研究沒有引起大家的關(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(yīng)，這同樣沒有被生物學(xué)家所關(guān)注。
回顧歷史可以讓我們清楚了解一個學(xué)科和一種思想的起源。關(guān)于氫氣生物學(xué)效應(yīng)的研究，早在200多年前氫氣剛剛被發(fā)現(xiàn)后，就有人進(jìn)行過探索。早期的研究只能簡單地觀察氫氣被動物呼吸后的反應(yīng)，顯然觀察結(jié)果證明氫氣對動物沒有產(chǎn)生顯著的影響。關(guān)于氫氣的生物學(xué)效應(yīng)，最熱鬧地當(dāng)然屬于潛水醫(yī)學(xué)，因為氫氣作為人類潛水呼吸的氣體被國際許多重要的潛水醫(yī)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(yī)學(xué)研究證明呼吸氫氣是非常安全的，但也同時給人們一種深刻印象，呼吸氫氣對人體是沒有明顯生物學(xué)效應(yīng)的。所以說萬事都存在兩面性，潛水醫(yī)學(xué)的研究給氫氣研究奠定了非常好的基礎(chǔ)，但也從某種程度上限制了該領(lǐng)域的發(fā)展，不過后來在其他領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)，突破了這一習(xí)慣思維，而關(guān)于潛水醫(yī)學(xué)的研究有給氫氣生物學(xué)的研究提供了非常有價值的生物安全性證據(jù)。
雖然潛水醫(yī)學(xué)認(rèn)為氫氣屬于惰性氣體，但畢竟在1975年就有人開展了氫氣治療腫瘤的研究，后來2001年才有法國學(xué)者將高壓氫用于治療肝臟寄生蟲感染的研究。為什么這么長時期沒有其他學(xué)者關(guān)注氫氣在醫(yī)療上的應(yīng)用，一方面關(guān)于氫氣是惰性氣體的說法已經(jīng)在人們頭腦中根深蒂固，可能許多人根本不會去考慮氫氣的生物學(xué)效應(yīng)，這個說法并不是憑空想像。20年前，在激光多普勒技術(shù)應(yīng)用前，根據(jù)氫氣在某一組織下降的速度和該組織的血液供應(yīng)有關(guān)這一特點，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，該方法是讓動物呼吸高達(dá)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間接計算該組織的血流量。從現(xiàn)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，但從來沒有人發(fā)現(xiàn)這一效應(yīng)，這不得不說是一種遺憾。
第二節(jié)氫氣治療疾病的發(fā)現(xiàn)
2007年日本學(xué)者報道，動物呼吸2%的氫可有效清除強(qiáng)毒性自由基，顯著改善腦缺血再灌注損傷，采用化學(xué)反應(yīng)、細(xì)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(nèi)缺乏他們的清除機(jī)制，是多種疾病發(fā)生的重要基礎(chǔ)。隨后他們又用肝缺血和心肌缺血動物模型，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(yīng)激引起的神經(jīng)損傷和基因缺陷氧化應(yīng)激動物的慢性氧化損傷。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的改善效果。國內(nèi)謝克亮等的研究證明，呼吸氫氣能治療動物系統(tǒng)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(nèi)40多家實驗室開展合作，先后發(fā)現(xiàn)該注射液對疼痛、關(guān)節(jié)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(jié)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(xí)記憶能力。這些研究說明，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(yīng)用前景。
仔細(xì)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，但研究的水平并沒有相應(yīng)提高，究其原因可能是這個領(lǐng)域并沒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(xì)胞、小分子RNA干擾、表觀遺傳學(xué)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的研究，氫氣生物學(xué)研究在整個大的生命科學(xué)領(lǐng)域仍就只能算一個局部的相對冷門的小領(lǐng)域。
另外，氫氣生物學(xué)效應(yīng)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)展的客觀因素。
第三節(jié)關(guān)于選擇性抗氧化的疑問
雖然氫氣的生物學(xué)效應(yīng)是確定的，在人體和多種動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(jī)制目前仍存在疑問。
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(yīng)。不過生物體內(nèi)的活性氧種類很多，有的氧化作用弱，例如一氧化氮、過氧化氫和超氧陰離子；有的氧化作用很強(qiáng)，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(yīng)，但是氫可以與氧化作用很強(qiáng)的活性氧，如羥自由基和亞硝酸陰離子直接發(fā)生反應(yīng)。日本學(xué)者2007年和后續(xù)文章通過大量證據(jù)證明這種反應(yīng)的存在。
關(guān)于氫氣的選擇性抗氧化，目前存在許多問題。因為羥自由基活性比較強(qiáng)，其本身選擇性應(yīng)該不會太好，擴(kuò)散距離只有一個蛋白分子大小，當(dāng)然導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是細(xì)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(yīng)的物質(zhì)，雖然氫與羥自由基發(fā)生選擇性中和反應(yīng)，但并不能直接推論為羥自由基可以選擇性被氫中和。這個觀點已經(jīng)有學(xué)者提出，是從反應(yīng)速度上看，羥自由基與其他生物分子發(fā)生反應(yīng)的速度是與氫發(fā)生反應(yīng)速度的1000倍，除非氫濃度特別高，否則不應(yīng)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(yīng)可能更具有說服力，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(kuò)散距離大，更容易遇到氫并與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
另外，關(guān)于選擇性抗氧化的只有離體間接證據(jù)，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(jù)來證明。一些現(xiàn)象也提示，氫的生物學(xué)效應(yīng)可能比較復(fù)雜，首先2007年太田教授小組就發(fā)現(xiàn)，呼吸4%的氫作用低于呼吸2%，這說明其生物學(xué)效應(yīng)不是線性，而是存在多種情況。最近日本的Mami小組研究發(fā)現(xiàn)，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，說明氫的作用比我們原來想象的作用要強(qiáng)大地多。有些實驗也發(fā)現(xiàn)，一定濃度的氫可影響過氧化氫和超氧陰離子濃度。這些研究證據(jù)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(yīng)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，或者說氫氣是否能參與酶催化條件下的生物化學(xué)反應(yīng)。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(yīng)必須在酶的催化下才能實現(xiàn)，酶的作用是降低反應(yīng)活化能，讓不具有反應(yīng)條件（溫度、濃度等）的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，生物體存在大量種類繁多的具有催化氧化反應(yīng)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(yīng)，由于氫氣分子量很小，穿透能力強(qiáng)（體內(nèi)沒有任何屏障能阻擋氫氣的自由擴(kuò)散），發(fā)生這類反應(yīng)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(xì)胞內(nèi)，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，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(nèi)也可以被這些金屬吸附，這也是值得考慮的問題。最近國內(nèi)有學(xué)者提出，氫氣的生物學(xué)效應(yīng)就是在某些金屬離子催化下實現(xiàn)的。
第四節(jié)氫氣醫(yī)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，中國學(xué)者在這個領(lǐng)域共發(fā)表研究論文已經(jīng)達(dá)到90多篇，而國際上這個領(lǐng)域的總數(shù)量仍不超過200篇，在疾病種類研究上，中國學(xué)者為主的研究幾乎占50%，也就是說，盡管我們起步比較晚，但我們在國際上的研究規(guī)模已經(jīng)是最大的。參與氫氣生物學(xué)效應(yīng)的中國各個醫(yī)科大學(xué)和研究所數(shù)量迅速增加，根據(jù)初步統(tǒng)計，目前有復(fù)旦大學(xué)醫(yī)學(xué)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院、第二軍醫(yī)大學(xué)、、第三軍醫(yī)大學(xué)、南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院、天津醫(yī)科大學(xué)、華西大學(xué)醫(yī)學(xué)院、陜西師范大學(xué)、中國醫(yī)科大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)、哈爾濱醫(yī)科大學(xué)、蘇州大學(xué)、泰山醫(yī)學(xué)院、溫州醫(yī)學(xué)院等以及上述部分大學(xué)的多家附屬醫(yī)院。
國家自然科學(xué)基金項目數(shù)量能間接反映中國學(xué)者在這個領(lǐng)域的關(guān)注程度，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2009年關(guān)于氫氣治療疾病的項目有2項，2010年達(dá)到4項，2011年已經(jīng)達(dá)到6項，相信將來國家自然科學(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(yī)學(xué)研究方面需要注意的問題依然存在，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(xiàn)在我們的研究大多數(shù)停留在觀察治療效果，用常規(guī)的指標(biāo)確認(rèn)治療效果，很少能涉及到分子機(jī)理的研究。另一個是沒有開展臨床治療的研究，盡管氫氣仍沒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)鍵原因是沒有受到臨床上真正重視。由于我們國家人口多，疾病種類廣泛，開展臨床研究有我們很多優(yōu)勢，只要規(guī)范選擇合適的疾病類型，我們理應(yīng)在氫氣的臨床研究方面取得更好的成績。
從國際范圍看，氫氣生物學(xué)領(lǐng)域有一些重要問題仍沒有引起關(guān)注。如內(nèi)源性氫氣效應(yīng)的研究，食用人體不吸收的營養(yǎng)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(xì)菌產(chǎn)生氫氣的作用，這種能增加內(nèi)源性氫氣產(chǎn)生的手段也應(yīng)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，電針治療過程中由于組織液被電解，在正極可產(chǎn)生氧氣，而在負(fù)極可產(chǎn)生氫氣，因此，電針治療過程中體內(nèi)氫氣的水平會增加，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程是因為金屬鎂與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氧化鎂和氫氣，因此，在分析這類生物材料對疾病的影響時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(yīng)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(jī)制研究；這方面主要尋找氫氣的生物分子效應(yīng)靶點，作用原理。
2、氫氣的臨床應(yīng)用研究；主要是選擇合適的疾病類型，開展嚴(yán)格雙盲隨機(jī)多中心的臨床研究，重點是對疾病治療效果的確認(rèn)。進(jìn)年有望取得突破的疾病類型包括，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)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；重點是尋找合理的臨床應(yīng)用方案、氫氣相關(guān)藥物的準(zhǔn)入、劑量效應(yīng)關(guān)系、各類使用氫氣的特殊方式有效性研究。
4、氫氣在細(xì)菌、真菌、植物等多種生物體系中的作用研究；盡管氫氣在細(xì)菌和原蟲等肯定可發(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(yīng)目前尚缺乏證據(jù)。
5、其他類似氣體分子的生物學(xué)效應(yīng)，氫氣生物學(xué)效應(yīng)給其他一些類似氣體分子，如甲烷、氦氣，這些氣體的共同特點是結(jié)構(gòu)簡單，沒有毒性作用，應(yīng)用前景廣泛，氫氣的生物學(xué)效應(yīng)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(yīng)，許多維生素和金屬離子只能結(jié)合在大分子的規(guī)定部位發(fā)揮輔酶的作用。在生物的液體微觀環(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(nèi)部，這是許多傳統(tǒng)的大分子物質(zhì)所不具備的特點，也許這些氣體的生物學(xué)效應(yīng)秘密恰好就隱藏在這些最簡單的化學(xué)性質(zhì)中。
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