可以说，细胞的氧化状态是在疾病或受伤期间最基本被破坏的细胞过程。作为现代人，我们在日常生活中接触到氧化剂，从生活方式选择如摄入酒精和加工食品，到化学品和防腐剂、吸烟以及车辆排放（Sharifi-Rad等，2020）。活性氧和活性氮物种（ROS/RNS）能够影响包括基因转录和线粒体活动在内的基本过程，通过修改必要的蛋白质和保护膜。这些分子在化学上是不稳定的，对氢原子有很强的亲和力。抗氧化剂可以抵消损害性的氧和氮活性物种的影响，然而，像抗坏血酸（维生素C）这样的抗氧化剂虽然短期内有效，但如果大量服用会在体内积累，导致不良反应，包括消化不适、肾脏或肝功能异常（Doseděl等，2021）。由于氢气高度扩散，这种积累不会发生，多余的氢气会被呼出（Hammer等，2022），因此氢气疗法可能比传统的营养补充剂具有更大的治疗价值。对氢气影响的研究表明，其具有围绕线粒体的细胞保护作用。在这里，氢气已被证明能有效地降低ROS/RNS水平（即羟基自由基(•OH)和过氧亚硝酸盐(ONOO-)）（Ohsawa等，2007; Ohta, 2012; LeBaron等，2019a; Ishibashi, 2019; Ohta, 2021）。由于它们对氢原子的高亲和力，•OH和ONOO-导致细胞膜氧化、DNA损伤、蛋白质修饰以及糖组降解（Di Meo and Venditti, 2020; Juan等，2021）。这种氧化应激与加剧的炎症反应相互关联，已知这会进一步破坏细胞完整性。此外，线粒体膜完整性的改善也被识别为显著减少功能障碍能量动态的因素，这种能量动态会增加细胞压力和ROS产生（Ishihara等，2020）。重要的是，尽管氢气已被证明能有效减轻有害自由基物种，但氢气直接还原潜力也受到质疑（Penders, Kissner and Koppenol, 2014; Hancock and Russell, 2021; Li等，2021），这将是本论文第4章第4.2节讨论的主题。

研究氢气对基因转录的影响显示，氢气展现出激活核因子红细胞2相关因子2（Nrf2）的特性，这是一种已知通过与抗氧化反应元件（ARE）结合来诱导基因转录的蛋白质（Fang等，2020）。ARE是一种顺式作用增强子序列，负责表达200多种细胞保护性肽、蛋白质和酶。一旦从其伴侣蛋白Kelch样ECH相关蛋白1（KEAP1）释放出来，Nrf2可以转移到细胞核中，刺激几种蛋白质的转录和翻译，其中许多增强了抗氧化能力（Ulasov等，2022）。这些包括过氧化氢酶（CAT），它去除过氧化氢（H2O2），超氧化物歧化酶（SOD），它去除超氧化物，以及其他酶和小的氧化还原活性分子，如谷胱甘肽（GSH）、血红素加氧酶（HO-1）和各种过氧化物酶（-Px）（Liu等，2021）。尽管氢气相互作用的分子靶点尚未明确，进一步的研究还注意到氢气疗法影响凋亡，并在多种疾病模型中具有抗氧化和抗炎作用，包括呼吸系统、代谢性和肿瘤性疾病（Ge等，2017）。

现在广泛接受的是，氢气在生物系统中减少氧化和亚硝化应激（Han等，2016；Trivic等，2017；Chen等，2019a；Zhu, Cui和Xu, 2021; Deryugina等，2023a），通过这样做可以减少非恶性细胞中的凋亡和炎症反应，尽管这里的主要机制仍然未知。由于这种双原子分子的物理性质（第1章，第1.2节），它不太可能被视为典型的信号分子，依靠受体结合机制或电化学吸引来调节细胞反应（在第4章讨论）。鉴于氢气影响了平衡细胞的还原/氧化状态（Shirahata等，1997；Ohno等，2012；Ishibashi, 2019）、影响基因转录（Fang等，2020）和线粒体功能（Ishihara等，2020）等基本活动，值得探索氢气基疗法是否可能影响其他多样化的途径（第4章，第4.3和4.4节）。

1.2.3 氢气作为凋亡的调节剂

凋亡是一种固有的细胞机制，负责在发育过程中、感染或疾病期间去除细胞。这一重要途径也以不引发炎症反应的方式消除恶性细胞以及癌前和病毒感染组织，因此凋亡可以被视为一种受调控的细胞死亡形式（Zamaraev, Zhivotovsky和Kopeina, 2020）。这个基础和保护性的进程有三个主要的触发因素，称为外在途径、内在途径和细胞毒性T细胞途径（Gatzka和Walsh, 2007）（图1.2）。

图1.2 凋亡启动的机制。左：外在途径响应环境分子刺激。中：内在途径，或线粒体激活途径。右：通过T细胞连接激活。

外在途径激活凋亡涉及恰当命名的“死亡受体”（例如，TNF相关凋亡诱导配体受体1（TRAIL-R1/死亡受体4（DR4）），它们从周围环境接收信号，通过内在信号级联将信息传递到细胞核（Lossie, 2022）。这种激活通常是辐射损伤（例如，晒伤）、毒性（例如，细菌毒素或毒药）或引发增强免疫反应的感染的结果。相比之下，内在或线粒体依赖途径通常由缺氧或ROS/RNS水平升高激活，通常是代谢不稳定和DNA损伤的结果，这在癌症、心血管疾病和2型糖尿病等疾病中很常见（Lossie, 2022）。

T细胞启动的凋亡涉及细胞毒性T细胞，即淋巴白血球（WBCs），它们是免疫反应的一部分，特别是在寄生虫和病毒感染期间。这些T细胞的表面有特定的蛋白质（CD8+），可以识别其他细胞表面的抗原分子（Zhu, Petit和Van den Eynde, 2019）。这一特殊特性赋予了选择性，并允许免疫细胞有效地靶向并摧毁受感染细胞，而不损害未受感染的组织。

无论哪种途径启动凋亡，每种途径都汇聚在执行途径上，这是决定细胞生存的决定性步骤（Wilson, 1998）。对氢气吸入的研究识别出胞质中执行者胱天蛋白酶（例如，胱天蛋白酶3/7）的激活减少。例如，多项研究报告了启动者（例如，胱天蛋白酶12）和执行者胱天蛋白酶活性的减少（Xie等，2012；Liu等，2015；Qiu, Liu和Zhang, 2019；Nogueira等，2021），以及核因子kappa轻链增强子激活的B细胞（NFκB）的减少，这是一种转录因子，负责上调免疫反应和促炎活动，Satta等（2021）在分析富氢血液透析液时认识到这一点。其他疾病模型显示氢气保护DNA免受氧化损伤，避免了凋亡级联的启动。在这里，研究已经识别出8-氧代-7,8-二氢-2'-脱氧鸟苷（8-oxo-dG）的减少，已知其在复制过程中诱导突变。这种氧化驱动的突变可能产生无法有效执行其指定功能的缺陷蛋白。氢气有助于减轻形成8-oxo-dG加合物的过量氧自由基（Hirayama等，2018），从而减少了内在和外在激活的凋亡的可能性。有趣的是，由于氢气还被证明可以减轻过度的炎症反应（Gharib等，2001；Lu等，2022；Lin等，2022），我们可以合理地假设T细胞启动的凋亡也减少了，尽管如果我们要完全理解氢气在凋亡中的作用，还需要进一步的研究投资。

1.2.4. 氢气作为炎症调节剂

炎症可以由受伤、感染或疾病触发，并且可以促进许多健康状况的病因学、症状（例如，疼痛、温度等）和进展。在此，促炎分子（例如，肿瘤坏死因子α（TNF-α））向免疫系统发出信号，产生并释放补体蛋白，一种具有包括高热、肿胀和功能丧失在内的一系列生理效应的复杂免疫调节级联反应（Belon等，2021）。

细胞应激可以由包括化学吸入、受伤或感染等环境因素，或局部和全身性氧化应激以及代谢功能障碍等内部因素引起的广泛刺激引起（Chatterjee, Jungraithmayr和Bagchi, 2017）。对这些刺激的反应，细胞开始产生并释放一系列促炎细胞因子，包括趋化因子（例如，单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1））、干扰素（例如，γ干扰素（Ifγ））和白细胞介素（例如，IL1-β、IL-6）。当细胞因子释放到血液中时，它们通常会损害血管壁的细胞。这种对细胞上皮的攻击增加了血管的渗透性，进而导致化学信号增加和白细胞迁移，从而延续了炎症级联反应（Chatterjee, Jungraithmayr和Bagchi, 2017；Hanna和Frangogiannis, 2020）（图1.3）。

图1.3炎症过程。炎症过程的图形解释。增加的血流、血管渗透性和白细胞脱颗粒导致热、功能丧失、红斑、疼痛和肿胀的主要症状。

在病毒或呼吸道感染期间，白细胞（WBCs），主要是单核细胞和中性粒细胞，反复释放细胞因子（例如，Il-6、TNF-α）和氧自由基，对入侵的病原体或功能失调的细胞造成伤害。这种活动经常影响附近的健康体细胞，对邻近组织造成进一步损伤。IgM抗体，在先天免疫反应中也高度表达，通过淋巴细胞（B和T细胞）免疫细胞激活触发适应性免疫。

为了说明炎症在人类疾病中的相关性，临床研究已将先天和适应性免疫反应与恶性疾病的起始和进展联系起来（Chen等，2020a；Chen等，2020b；Rochette等，2021），神经病变（例如，帕金森病、痴呆）（Pajarez等，2020；Wang等，2020a）、代谢性疾病（例如，糖尿病、高脂血症）（Beverly和Budoff, 2020；Singh等，2023），以及关节和肌肉退化（例如，关节炎、肌少症）（Simmonds等，2008；Damiano等，2019）。

许多报告描述了氢气治疗的抗炎效果，支持的科学证据表明氢气抑制了氧化应激和促炎肽的生物标志物（LeBaron等，2019a；Ishihara等，2020；Nogueira等，2021）。

这些保护机制不仅通过与多个细胞过程的相互作用完成，如上所述，还通过调节负责启动促炎细胞因子生物合成的p38/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）/细胞外信号调节激酶（ERK）信号级联的激活来实现。此外，已知MAPK的磷酸化增加了与压力相关的信号传导，而氢气已被证明在巨噬细胞中抑制此类磷酸化事件（Begum等，2020）。然而，氢气在缓解炎症中的主要作用目标仍然未知，进一步精细分析氢气分子相互作用对于获得这一知识非常重要。