氢气是新型线粒体营养素
文章来源：admin发布日期：2023-08-02 16:21浏览次数：
数年前西安交通大学龙建纲教授就提出过氢气是线粒体营养素的概念，但是似乎没有以学术论文形式发表。最近塞尔维亚学者奥斯托伊奇最新一篇书章节内容，题目是氢气是一种创新线粒体生存营养物质。
许多食品饮料中含有分子形式的氢气，氢气加入食品包装内。食品加工行业氢气的传统作用是避免食品成分发生氧化反应，这有利于保持食品的化成成分稳定性，氢气是作为保鲜剂稳定剂身份。
氢气化学性质稳定，没有毒性，曾经认为是生物惰性气体。2014年，美国FDA曾经发布过一项GRAS声明，认为在普通饮水、调味饮料和苏打饮料中溶解氢气对人体在一般认识上是安全的。
但是，过去20年大量研究证据表明，氢气自身具有生物活性，可能显著抑制炎症、减少氧化损伤、抗过敏，甚至具有信号分子调节效应。事实上，人类和许多动物肠道内存在多种类型可制造氢气的细菌，氢气属于典型的生物源性内环境气体，氢气产生生物活性符合普遍生物规则。最近几年氢气生物医学效应的研究，让食品工业领域可把氢气作为一种活性成分而非单纯的食品保护工具，这显然就是重塑了食品行业。世界范围内，已经有200多种以氢气作为活性成分的饮食类产品，许多这类产品都声称对线粒体具有一定正面效应。本章内容主要对含氢气水和饮料、食品补充剂和促进肠道细菌产生氢气的各种相关产品的研究进行总结。
1975年一篇具有开创性意义的研究论文发表在《科学》杂志上，发现高压氢气吸入对癌症具有治疗效果，2007年一篇改变游戏规则的奠基性研究论文发表，发现安全浓度的少量氢气吸入对脑缺血损伤具有显著治疗效果，并提出氢气作用是基于选择性中和具有强毒性的羟基自由基。随后氢气这一效应被超过1000篇学术论文反复证明。
考虑到氢气摄取方式，通过饮用氢水等含氢气饮品和促进氢气供应的食品是最流行的氢气使用方法。学术研究中，最常用的氢气摄取方法是含氢气的水或溶液，制造方法最简单也最容易施行的就是饮用氢水。氢水的制造方法有三类，一是用无机化学物质和水反应，常用的化学物质如氢化镁，氢化钙和硅等；二是水电解制造氢水，也就是传统的碱性电解水该进版；三是氢气扩散溶解到水中，经典方法是加压鼓泡，最新技术则采用纳米气泡技术。商业化氢水产品中氢气浓度从0.1ppm到8ppm之间，市场上最常见的商业氢水浓度是0.5ppm，这也是医学研究中发现效应时采用比较多的氢水氢气浓度。
制作和存储是氢水生产中不同于一般饮水产品的特殊挑战。由于氢气扩散能力巨大，氢水包装需要特定的气密材料，一般的包装水PV材料不能避免氢气的扩散消失，有旋口包装瓶也很难避免氢气从旋口缓慢扩散。由于氢水包装需要尽可能避免空腔，玻璃瓶和易拉罐包装容易受冷热体积变化破坏。含有硫酸盐的矿泉水溶解氢气后非常容易滋生硫酸还原菌。一般来说，比较理想的是无硫酸根的反渗透净化水铝质易拉罐或铝瓶包装。另外就是饮用时临时制作的氢水制作设备。
除饮氢水外，通过食品补充剂模式也是一种补充氢气的理想方式。氢化镁、镁、氢化钙和硅都是理论上可行的产氢气食品补充剂的活性成分，但一些成分在某些国家不允许使用限制了这类产品的开发和推广。一般是摄入这类食品后，产氢气材料在肠道内和水反应产生氢气，经过消化道吸收进入门静脉和肝脏，也有人设想通过舌下含化产生氢气绕过肝脏途径吸收。
第三种摄取氢气的方式是提高肠道细菌代谢产氢气的潜力，通过不容易被小肠消化吸收的碳水化合物或膳食纤维，如果胶、阿拉伯胶和菊粉。这种方式依赖于肠道内产氢气菌和消耗氢气细菌相对比例，而补充这类物质增加氢气产生会对细菌类型产生很大影响。
上述三类饮食方式都可以吸收氢气通过血液循环扩散到全身，多项研究中检测到血液内氢气水平和呼吸气体中氢气浓度增加都可以证明这种判断。2007年太田教授团队发现静脉中氢气浓度低于动脉血提示氢气能在组织中被消耗（我认为，更大可能是扩散损失）。由于氢气分子巨大扩散能力，进入细胞线粒体内发挥作用没有任何障碍。
线粒体是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器，是细胞中制造能量的结构，是细胞进行有氧呼吸的主要场所，被称为"power house"。其直径在0.5到1.0微米左右。线粒体是细胞能量代谢的枢纽，疾病过程中，线粒体也是参与细胞氧化和炎症损伤的重要细胞器。氢气发挥生物医学效应中，离不开对线粒体的作用。其中氢水医学效应和线粒体相关的研究有12项。这里对部分研究进行汇总。
2011年后超过10项研究涉及氢气和线粒体功能，这些研究大多是动物疾病模型，也有人类疾病临床研究（表19.1）。日本名古屋大学研究生院研究小组2011年发表了人类线粒体效应的临床试验。作者对各种线粒体肌病患者进行了开放标签和随机对照试验，每天饮用1L富氢水，持续8-12周。虽然没有观察到临床症状的客观改善，但氢水改善了线粒体功能的几个指标，如血清内乳酸和乳酸-丙酮酸比值，提示氢水可以剂量-反应方式对线粒体功能障碍产生有效作用。
另一项研究评估了氢水（0.5-0.6mM）对异基因大鼠品系的影响。发现与用常规水治疗的移植物相比，饮用氢水在延长心脏移植物存活时间和减少移植主动脉内膜增生方面显著有效。氢水治疗与移植物ATP水平升高有关，ATP是细胞中关键的高能分子，主要由线粒体产生，并伴随着线粒体呼吸链中酶的活性增加。持续3个月氢水（1.3ppm）对化学暴露和线粒体功能的动物模型是有益的。能减少大鼠氮三乙酸铁诱导的肾毒性和早期肿瘤促进事件，作用是通过抑制线粒体活性氧（ROS）形成，增强线粒体ATP产生，减少线粒体肿胀来改善线粒体功能障碍。在8周内饮用富氢水（0.6 mM）对毒死蜱诱导的神经毒性大鼠受损的海马神经元和神经元线粒体有保护作用，其中大部分线粒体在氢气组结构完整，基质较暗，嵴分布规律，无线粒体肿胀的迹象。HRW的保护作用肝毒性引起亚慢性接触毒死蜱大鼠在最近的一项试验证实（迅et al.，2020），水富含氢（0.55-0.65毫米）消耗八周减轻线粒体损伤和调节一些氧化应激相关基因的表达，包括线粒体超氧化物歧化酶2（SOD2）基因。HRW还保护对乙酰氨基酚诱导的肝毒性小鼠肝脏的内质网和线粒体，饮水富含二氢的水（0.83-0.91 mmol/L）5天，防止大线粒体、线粒体固缩、膨胀和絮凝变性（Zhang et al.，2015）。最后，在甲基苯丙胺诱导的神经毒性小鼠中，饮用氢水7天，可显著抑制毒素诱导的空间学习障碍和记忆丧失，并抑制线粒体功能障碍、神经炎症和内质网应激。
除了氢水外，其他产氢气食品和肠道细菌产氢气也对线粒体功能有一定影响。一个有趣的研究监测了6周大雄性SD大鼠喂食高脂肪饮食，每日口服50毫克/公斤的氢化钙持续13周，这是一种新的珊瑚钙制成的固体分子氢载体，作者证明了氢化钙在体内和体外都可以持续产生氢气，与治疗有效的同时提高了高脂肪饮食诱导的肝线粒体功能障碍，降低氧化应激，激活II相酶，逆转线粒体形态损伤。在胃内注入富氢液（1 ppm）每天10 mL/kg体重连续三周，保护大鼠急性心肌梗死引起的线粒体功能障碍。这很可能是由氢气驱动抗氧化剂相关蛋白和线粒体相关蛋白的基因表达上调引起的作用。这些基因包括线粒体DNA修复酶8-氧鸟嘌呤DNA糖基化酶，外线粒体转位酶和线粒体内膜易位酶。
葛等报道了使用6周的富氢生理盐水大鼠脊髓半切后睾丸损伤的保护作用。氢气治疗组动物没有明显的病理改变，而非氢气治疗组观察到脑垂体和睾丸结构的改变，其典型病理改变包括线粒体空泡化、线粒体嵴减少或缺失。一项随机对照试验发现，口服产氢气物质对超重妇女乳酸丙酮酸比值、辅酶Q10等有影响，这些物质反映了线粒体代谢水平。但其他线粒体功能标志物未发现明显改变。
这些关于氢气和产氢气食品对动物和人类线粒体功能的作用，这些研究中比较常见的方式是饮用氢水，饮用时间6-8周。但是，干预方案中剂量和持续时间都存在比较大差异，且只有两项小规模人类试验。所有研究都显示，氢气具有相对有利的作用，证据包括线粒体微观结构、线粒体能量代谢和氧化还原平衡和线粒体活性相关生物标志物等。虽然仍然有许多问题需要探讨，但所有过去10年发表的论文表明，氢气作为线粒体营养素已经成为这一领域的研究热点。
氢气可以通过多种方式影响线粒体功能：选择性清除线粒体活性氧和活性氮，通过调节细胞器特异性蛋白的基因表达，调节线粒体膜电位等功能(图19.1)。林等研究表明，氢水通过中和过度活性氧直接抵消氧化损伤，并通过sirtuin1（SIRT1）依赖途径刺激AMP活化蛋白激酶（AMPK）直接抑制氧化损伤，该通路上调叉头盒蛋白O3a（FoxO3a），减少淀粉样蛋白β诱导的细胞毒性诱导的线粒体潜在损失。氢气还可以通过刺激凋亡调节蛋白BCL-2的表达来减少神经元的丢失，进一步抑制电压依赖的阴离子选择性通道1的活性，抑制细胞色素c 的释放和caspase 9的激活，从而改善细胞活力，优化线粒体功能。另一篇论文证实了BCL-2和caspase-3可能是细胞器特异性的目标，与富氢气盐水显著增加抗氧化潜能。如提高ATP水平，改善线粒体呼吸功能，影响BCL-2活性和caspase-3激活水平。氢气也增加了线粒体膜电位和细胞ATP水平，同时提升母细胞瘤SH-SY5Y细胞谷胱甘肽水平和超氧化物水平，意味着氢气可能作为一个自由基清除剂和抗氧化应激的有丝分裂刺激效应物。通过清除线粒体ROS（mtROS）的激活与mtROS清除和抑制NLRP3去泛素化，氢气对脂多糖启动的NLRP3炎症小体表现出明显的抑制活性。研究表明，外源氢气使大鼠心脏线粒体电子呼吸链功能增加复合物I和复合物II底物产生ATP的水平，氢气作为一个在Q循环中的电子和质子的供体和刺激辅酶Q10 生产，可能影响线粒体生物功能，氢气上调胃饥饿素相关的胃饥饿素受体（GHS-R1α），葡萄糖转运体（GLUT1和GLUT4）和成纤维细胞生长因子21（FGF21）的表达增强。
图19.1 氢气影响线粒体功能的可能机制和靶标途径。
关于在线粒体中使用氢气营养的几个问题仍未解决。例如，迄今为止还没有研究描述了线粒体内外源氢气的生物动力学，从氢气吸收到两个线粒体膜，在线粒体不同部位的分布特点，以在线粒体内的生物转化和线粒体去除的过程。（线粒体是非常小的细胞器，氢气标记难度比较大，进行线粒体级别的氢气代谢动力学研究有非常大的技术挑战）
此外，线粒体内没有确定氢气的主要分子目标，尽管有许多潜在机制被提出，包括各种信号通路之间可能存在的相互关系。如果氢气影响不同细胞和组织中的线粒体功能也仍然存在目前未知。氢气和线粒体相关研究主要集中在肌细胞，肝细胞和神经元，而其他细胞富含线粒体的细胞如脂肪细胞，激素分泌细胞并没有相关研究。氢气在线粒体营养素角度的剂量效应关系也几乎没有任何研究。
以前的报告提出了一个有趣现象，氢气的作用强度和剂量大小无关。未来研究还应考虑在原发性和继发性线粒体疾病的发病机制中存在缺乏内源性氢气的可能，并考虑到内源性氢气的产生作为研究膳食氢在各种疾病模型和临床试验中的净效应。饮食中的氢气如何影响其他线粒体靶向治疗方法的，目前尚不清楚。可能的情况是，在线粒体功能障碍的情况下，氢气和其他营养素发挥协同作用。
氢气作为一种低成本、使用方便和人体安全的膳食生物活性化合物，在解决线粒体功能方面显示出了有希望的初步结果。从改善线粒体功能的生物标志物到线粒体疾病病理改善，尽管初步试验主要是临床前、临床小样本和中短持续时间的研究，但氢气在实验和临床营养方面显示出的有益效果是令人印象深刻的。因此，未来研究非常需要证实用氢气作为线粒体营养的可能优势，在针对各种线粒体疾病的纵向良好抽样研究中使用这种优良线粒体营养的机制方法。
