血管是机体运送血液的管道，可分为动脉、静脉与毛细血管。动脉从心脏将血液带至身体组织，静脉将血液自组织间带回心脏，微血管则连接动脉与静脉，是血液与组织间物质交换的主要场所。血管硬化是指血管弥漫性粥样硬化、管腔狭窄及小血管闭塞致使脑部血供减少所引起的一系列病理变化。人类最常见心血管疾病就是动脉血管硬化。
高血压、糖尿病、高血脂症等。但是，肥胖、吸烟、大量饮酒、内分泌紊乱、压力大、精神刺激、不良饮食与生活习惯、运动量不足以及年龄都是动脉硬化的危险因子。所有这些导致心血管疾病的危险因子可通过各种途径对血管结构造成破坏。
血管功能结构主要包括血管内皮细胞和血管平滑肌细胞，这些重要结构被破坏会导致动脉硬化。内皮细胞释放的一氧化氮等血管舒张和收缩等调节因子，皮肤血流阻断反应性 (PORH)是分析血管内皮细胞产生一氧化氮调节血流功能的测定方法，一般以左前臂皮肤为测定点，可用激光多普勒血流仪记录阻断前、中、后皮肤血流。反应性充血试验是诊断动脉粥样硬化的常规方法，能代表总血流供应和调节情况，观察性试验分为上肢和下肢。下肢反应性充血试验叫Lewis Pickering试验，用血压绷带捆在大腿水平，充气使气压高于收缩期血压20mmHg，持续300秒后突然解除压力，在此期间脚和跖恢复血流和正常肤色。脚掌正常最大恢复时间是12秒。上肢反应性充血试验叫Allen试验，这个试验有两个部分，首先压迫两侧的尺动脉和桡动脉，并用手压紧以减少血流，2分钟后放松桡动脉，桡侧立即充血是为正常，然后同样放松尺侧。
反应性充血试验这种非创伤性快速测定方法能用于评估影响血管内皮功能的危险因子，例如衰老、糖尿病、抽烟、高血压和餐后高血糖等。所有这些血管损伤危险因子会导致不同程度的氧化应激过度，氧化还原稳态失衡能严重伤害内皮细胞功能。活性氧是血管功能的重要调节因子，活性氧也参与血管性疾病病理生理过程。超氧阴离子是氧气获得一个电子产物，是氧气第一类活性氧自由基衍生物，细胞内NADPH氧化酶、黄嘌呤氧化酶、线粒体电子传递链电子泄漏都能产生超氧阴离子。超氧阴离子是灭活一氧化氮的重要因素，超氧阴离子和一氧化氮能直接反应产生亚硝酸阴离子。NADPH氧化酶(Nox)能催化产生超氧阴离子和过氧化氢，被认为是血管组织中自由基的最重要来源。在血管组织中，Nox1、Nox2和Nox4作用比较大。这些NADPH氧化酶能被血管应力应激激活，其中Nox1和Nox2能产生超氧阴离子，超氧阴离子与一氧化氮反应产生亚硝酸阴离子，这一过程一方面使一氧化氮灭活，另一方面产生亚硝酸阴离子伤害血管组织细胞。这种发生在血管内皮细胞内的一氧化氮和超氧阴离子氧化还原失衡是血管内皮功能紊乱的基础。过氧化氢虽然不是自由基，也是一种重要活性氧，对血管有生理调节功能，也能导致血管氧化损伤。过氧化氢引起组织损伤的重要途径是与铁离子发生芬顿反应，产生羟基自由基，羟基自由基是氧化活性极强的自由基，能导致各种生物分子损伤和强氧化应激。
理论上，氢气医学效应基础是氢气能和强自由基发生反应，使这些自由基被还原为无毒的中性物质。由于氢气还原作用比较弱，只能和强氧化活性氧发生中和反应，不会和弱氧化作用的活性氧发生反应，所以氢气具有选择性抗氧化作用。正是因为氢气抗氧化具有选择性，在中和毒性自由基同时，不会影响具有生理功能的弱氧化活性氧。一项小规模临床研究发现，饮用500毫升高浓度(7ppm)氢水的16人(8男8女)反应性充血试验显著升高，从6.80% ± 1.96%升高到 7.64% ± 1.68%。18名(10男8女)安慰剂对照组则明显下降，从8.07% ± 2.41%下降到 6.87% ± 2.94%。反应性充血试验改变率显示高浓度氢水组比安慰剂对照组改变有显著性。氢气可能通过中和血管应力应激产生的羟基自由基，维持血管内皮一氧化氮功能的血管调节功能。
除了衰老、糖尿病、抽烟血管硬化等经典风险因子，肥胖和类风湿关节炎也能引起血管硬化。活性氧也是有氧代谢中电子传递过程中不可避免的副产物。动脉硬化是类风湿关节炎的伴随疾病，心血管疾病也是这类患者死亡的重要原因。炎症反应是类风湿关节炎和动脉硬化的共同表现，氧化自由基损伤和炎症因子是这些疾病的共同损伤因子。这些炎症通路会影响血管内皮细胞结构，也会影响关节滑膜组织。血管内皮细胞和平滑肌细胞通过Nox产生的超氧阴离子参与内皮细胞功能紊乱和动脉硬化的发生。氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)是这些过程的下游结果，ox-LDL是动脉硬化斑块产生的关节因素。ox-LDL不能经LDL受体代谢，但能由清道夫受体识别、结合、内吞饮入细胞，丧失正常胆固醇代谢途径，引起细胞内脂质沉积，泡沫样变。
关节炎患者动脉硬化发生源于大量有毒物质对血管内皮细胞的破坏，各种细胞粘附分子如ICAM-1、血管细胞粘附分子VCAM-1和E选择素等表达增加，促炎症因子如肿瘤坏死因子α、白细胞介素1和γ干扰素分泌增加，氧化应激和上述改变相互加强，导致血管功能被破坏。
给健康志愿者血管内注射肿瘤坏死因子α，30分钟连续注射80或240 ng/分钟可导致急性血管炎症反应和血管内皮细胞结构破坏。最近研究发现，肿瘤坏死因子α抗体能缓解类风湿关节炎患者动脉硬化发展，改善包括动脉硬化特征性病理改变，肿瘤坏死因子α和活性氧相关炎症通路。Slezak小组研究发现，氢气对低氧后适应、放射性心脏损伤等有改善作用，这种保护效应伴随微小RNA-1、15b和21改变。
在各种活性氧中，超氧阴离子是最基础的氧气衍生物，能释放在细胞外基质，也能停留在细胞内溶酶体内。超氧阴离子自发或在SOD催化下变成过氧化氢。
图 321篇氢医学论著的分析(2015)
氢气的作用非常广泛，2007年后科学家对大量疾病模型和人类临床疾病都进行了探讨。Ichihara等2015年对321篇原创论著进行了系统分析，发现这些论文大多数来自中国、日本和美国学者。大约3/4的论文是使用小鼠和大鼠进行的疾病模型研究。使用的方法包括氢水和氢气，也包括氢气生理盐水。许多早期研究报道氢气能中和羟基自由基和亚硝酸阴离子，但是自由基清除效应不能全面解释氢气的显著效应。氢气的效应也包括通过激活各种生物活性分子，例如Lyn、ERK、p38、JNK、ASK1、Akt、GTP-Rac1、iNOS、Nox1、NF-κB p65、IκBα、STAT3、NFATc1、c-Fos和ghrelin等。但是谁是氢气发挥效应的原始启动分子，或者氢气通过那种靶分子发挥效应仍然没有阐述清楚，这也是氢气生物医学研究的重要内容。
Sakai T , Sato B ,Hara K , et al. Consumption of water containing over 3.5 mg of dissolvedhydrogen could improve vascular endothelial function[J]. Vascular Health &Risk Management, 2014, 10(10):591-7.
Beneficial biologicaleffects and the underlying mechanisms of molecular hydrogen - comprehensivereview of 321 original articles -[J]. Medical Gas Research, 2015, 5(1):12.
