氢气在移植医学中的应用
氢气因其抗氧化特性而闻名，已成为一种新型治疗剂，在多个医学领域具有应用前景，并有望成为移植医学中的辅助治疗手段。除抗氧化作用外，氢气还能通过调节促炎细胞因子和信号通路发挥抗炎效应。此外，氢气能够激活细胞保护通路，增强细胞对各种应激因素的耐受性。近几十年来，移植医学取得了显著进展，但缺血再灌注损伤（IRI）和移植物排斥等问题仍然制约着移植成功率。本综述全面探讨了氢气在移植医学中的潜在应用和治疗意义，重点关注其在减轻 IRI、改善移植物存活以及调节免疫反应方面的作用。通过对临床前和临床研究的系统分析，本综述旨在为氢气作为移植医学辅助治疗的潜在价值提供参考。
1. 引言
医学研究的最新发现明确表明，氢气具有巨大的治疗潜力。大量临床和实验研究均显示，氢气有望成为一种创新疗法，用于解决多种疾病中尚未满足的临床需求[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。氢气因其抗氧化特性而被广泛研究，并已在包括移植医学在内的多个医学领域展现出应用前景。除抗氧化作用外，氢气还能调节促炎细胞因子和信号通路，从而发挥抗炎作用。此外，氢气能够激活细胞保护机制，提高细胞对各种应激的抵抗力。
过去几十年来，随着新型药物的出现和手术技术的进步，器官移植的成功率显著提高，已成为终末期器官衰竭的主要治疗方式。然而，缺血再灌注损伤（IRI）和移植物排斥等问题仍然影响着移植受者的预后。尽管为了满足不断增长的需求，人们努力扩大器官捐献者库，但可用的尸体捐献者数量仍基本停滞不前。这种供需差距导致每年有成千上万的患者因器官短缺而死亡。
为了减少等待名单上患者的死亡，人们采取了多种策略来扩大器官捐献者库，包括使用边缘供者器官。氢气治疗与器官移植之间的关系备受关注，尤其是氢气改善移植结局的潜力[11]。
本综述系统分析了氢气在减少移植物排斥、改善移植物存活以及调节移植免疫反应中的作用。通过对临床前和临床研究的细致分析，我们旨在为氢气作为移植医学辅助治疗的潜在价值提供参考（表 1）。
表 1. 医学文献中氢气在器官移植模型中的应用。氢气可通过多种给药途径使用，如吸入气体或溶解于溶液中。研究表明，氢气可在供者、器官或受者身上给药并发挥作用。因此，氢气可能适用于器官移植中的多种场景和条件。
器官移植物在热缺血、冷缺血和再灌注过程中可能遭受多种损伤，这些损伤均会导致原发性移植物功能障碍，是移植后发病率和死亡率的重要原因。氢气治疗通过给予氢气或富氢溶液来发挥作用。在器官移植领域，氢气凭借其抗氧化、抗炎和细胞保护特性，已被视为解决移植关键问题的潜在策略。
本综述探讨了氢气在移植医学中的潜在应用和治疗意义，重点关注其在减轻 IRI、改善移植物存活以及调节免疫反应方面的作用。本综述明确表明，氢气具有减轻移植物损伤的生物学效应，并可能成为一种安全有效的治疗工具。通过对临床前和临床研究的深入分析，我们旨在为氢气作为移植医学辅助治疗的应用提供参考。
2. 器官移植中的挑战
器官移植失败源于多种免疫和非免疫因素，可表现为急性或慢性形式。这些失败与复杂的生物学网络密切相关。器官移植物在不同阶段可能遭受损伤，包括热缺血、冷缺血、再灌注以及急性或慢性阶段。IRI 发生在器官获取和再植入过程中血流暂时中断时。再灌注虽然对恢复移植物的血流和氧气至关重要，但也可能引发氧化应激、炎症和组织损伤，从而影响移植物的功能和存活。IRI 是导致原发性移植物功能障碍的重要原因，也是移植后发病率和死亡率的主要因素[35]。
移植物排斥反应是受者免疫系统将移植器官识别为异物并发起免疫攻击的过程，可能导致移植物功能障碍甚至失败。然而，关于氢气在移植免疫反应中的具体作用仍需进一步研究。值得注意的是，长期使用免疫抑制剂可能增加恶性肿瘤和感染的风险。
移植物抗宿主病（GVHD）主要发生在骨髓或干细胞移植受者中，移植的免疫细胞会攻击受者的组织和器官，导致皮肤、肝脏、胃肠道和肺等多器官炎症和损伤。GVHD 引发的免疫反应会释放大量炎症因子，进一步损害移植物功能。慢性 GVHD 可导致多器官功能障碍，影响移植器官的长期存活[36,37]。
此外，为了缓解器官短缺，捐献者库已扩展至边缘供者，如老年供者、非心跳供者以及经历长时间冷保存的移植物[38]。然而，这些移植物通常损伤更严重，失败率更高。尽管目前有多种移植物保护策略，包括移植前后管理，但仍缺乏预防移植物失败的最佳方案。因此，移植物的长期存活和功能受到多种因素影响，包括持续的同种免疫反应、早期 IRI、受者代谢异常（如高胆固醇或高脂血症）、其他疾病状态（如病毒感染、高血压）以及长期免疫抑制治疗的不良反应。移植医学是一个复杂且具有挑战性的领域，需要更有效的治疗策略来改善短期和长期的移植物及患者预后。
3. 氢气：化学与生理学特性
氢气（分子式 H₂）是最轻的分子，是一种无色、无味、无臭、非金属且高度可燃的双原子气体。氢气在室温下化学性质稳定，这主要源于氢原子之间牢固的共价键。氢气在特定催化剂或加热条件下具有可燃性和反应性。
人体内不存在具有氢化酶活性的酶，因此无法内源性产生氢气。然而，大肠中的厌氧微生物可通过氢化酶分解未消化的碳水化合物（主要来自淀粉和植物细胞壁的多糖成分）产生氢气。在正常生理条件下，人体每天可产生数升氢气[39,40]。体内产生的氢气会通过呼吸和循环释放到体外，主要通过肺呼出或通过直肠以气体形式排出。由于氢气扩散能力强，通过皮肤释放的比例也不可忽视[41]。值得注意的是，肠道菌群是氢气和硫化氢的重要来源。
4. 氢气的临床应用与毒性
在使用任何治疗性气体时，必须明确其安全性、潜在副作用和毒性[11,42,43]。尽管研究仍在进行中，但现有证据表明，氢气治疗总体耐受性良好，几乎没有不良反应报道。这种良好的安全性使氢气成为医学研究的热点。然而，与任何医疗干预一样，氢气治疗应在专业医务人员指导下进行。其安全性和适用性可能因疾病类型、给药方式和患者个体差异而有所不同。在使用前应进行全面的风险和获益评估，并根据患者具体情况制定治疗方案。患者应咨询医疗专业人员，以确定氢气治疗是否适合其病情，并确保其安全有效使用。在适当的医学监督和规范操作下，氢气治疗通常被认为是安全的[44]。
关于氢气的作用，目前仍存在两个主要谜团。第一，氢气的剂量依赖性效应尚不明确。无论是动物实验还是临床观察，氢气的给药剂量都很小，却能产生显著效果。第二，人类和动物通过肠道菌群产生大量氢气，但为什么增加如此微量的外源性氢气就能产生明显的生物学效应，这一点仍不清楚。此外，氢气的分子机制以及在不同疾病中的最佳使用方式（如剂量、频率等）仍需进一步研究[45]。
5. 氢气的保护机制
5.1 清除自由基
尽管氢气的细胞和组织保护机制尚未完全阐明，但氢气作为活性氧清除剂的作用得到了广泛认可。Ohsawa 等人报道，在体外实验中，氢气能够选择性清除过氧亚硝酸盐和羟自由基。这些强氧化剂会与核酸、蛋白质和脂质发生非特异性反应，导致脂质过氧化、DNA 断裂和蛋白质失活。电子顺磁共振光谱和荧光探针实验表明，氢气对羟自由基的清除能力强于对过氧亚硝酸盐的清除能力[46,47,48]。
5.2 保护线粒体功能
氢气能够轻松穿透生物膜，扩散至细胞核、线粒体和细胞质，到达目标组织。富氢盐水治疗可显著减少线粒体膜电位的丢失，并维持线粒体细胞色素 c 含量[49]。在一项开放标签试验中，Ito 等人让线粒体代谢疾病患者（包括进行性肌营养不良和线粒体肌病）饮用富氢水 12 周，结果显示乳酸/丙酮酸比值显著改善[50]。Zhang 等人报道，氢气可通过上调 Nrf2/YY1 复合物促进血红素氧合酶-1（HO-1）表达，从而改善线粒体质量[51]。
5.3 抗炎作用
氢气能够调节多种炎症细胞因子的产生，如 IL-1β、IL-6 和 TNF-α。这些细胞因子是人体炎症反应的关键介质。氢气通过抑制 NF-κB 和 p38 MAPK 通路减轻炎症反应[52]。研究还发现，氢气可在不影响 M1 表型功能的前提下促进早期 M1 向 M2 极化，提示氢气可能通过调节巨噬细胞极化来减轻炎症[53]。此外，氢气的抗炎作用还可能通过 PI3K/Akt 信号通路实现[54]。
5.4 诱导抗氧化酶表达
氢气的细胞保护作用还可能与其上调抗氧化酶有关，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和 HO-1[55]。富氢盐水治疗可显著提高血清 SOD 和还原型谷胱甘肽水平[56]。
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5.5 诱导表面活性物质相关基因
Tanaka 等人通过基因芯片分析研究了氢气吸入后基因表达的变化，结果显示，在肺移植物中，Clara 细胞蛋白 16（CC16）是对氢气预处理反应最显著上调的基因。CC16 是呼吸道上皮分泌的主要蛋白之一，具有抗氧化和抗炎特性。通过机械通气进行氢气预处理还显著增加了其他与表面活性物质相关的 mRNA，包括 HSD11b1、SCGB3A2 和 SP-A[27]。
5.6 保护血管内皮细胞
一氧化氮（NO）在维持调节血管张力、血流和凝血的因素平衡中起着关键作用，而这些因素对内皮细胞健康至关重要[57]。氢气能够增强内皮型一氧化氮合酶（eNOS）活性，从而提高循环 NO 水平，进而保护血管内皮细胞。在富氢培养基中孵育可显著提高细胞活力，并保护人脐静脉内皮细胞免受过氧化氢诱导的损伤[29]。此外，氢气能有效抑制细胞黏附分子（如 ICAM‑1 和 VCAM‑1）以及促炎介质（如高迁移率族蛋白 B1、IL‑1β 和 TNF‑α）的释放。同时，氢气还能提高抗炎细胞因子 IL‑10 的水平[58,59]。
5.7 抑制细胞凋亡
氢气的抗凋亡作用被认为是通过抑制 caspase‑3 激活以及诱导抗凋亡基因 Bcl‑2 实现的[32]。Terasaki 等人报道，氢气治疗可降低促凋亡基因 Bax 的激活[60]。吸入氢气的抗凋亡效应部分是通过氢气治疗早期 NF‑κB 的激活介导的，并与 Bax 水平降低和抗凋亡蛋白 Bcl‑2 水平升高相关[61]。Zhang 等人的研究显示，仅对供者进行氢气处理的大鼠中，Bcl‑2、NF‑κB、HO‑1 和锌指蛋白 A20 的表达均上调[23]。此外，在另一项研究中，肝移植后立即向受者腹腔注射富氢盐水可保护其免受急性肾损伤，部分机制是通过减少细胞凋亡实现的，而这可能与调节 p53 介导的自噬有关[21]。
5.8 抑制浸润细胞迁移
免疫反应引起的加速动脉粥样硬化是器官移植后移植物丢失的主要原因之一。平滑肌细胞的增殖和迁移在内膜增生的进展中起着重要作用。Sun 等人利用大鼠平滑肌细胞（A7r5）体外培养模型发现，在富氢培养基中孵育可抑制平滑肌细胞迁移[29]。基质金属蛋白酶（MMPs）是内膜增生的重要介质，其中 MMP‑2 和 MMP‑9 促进新生内膜形成。在同一研究中，口服富氢水可有效抑制大鼠静脉移植物中 MMP‑2 和 MMP‑9 的表达[29]。
5.9 抑制纤维化
III 型胶原在实体器官间质以及缺血组织损伤后肉芽组织的形成中起着重要作用。Terasaki 等人的研究表明，吸入 3% 氢气或口服富氢水均可降低受辐照小鼠的氧化应激和凋亡水平（急性肺损伤的指标），从而减少 III 型胶原沉积和肺纤维化的发展（晚期损伤的表现）[60]。因此，氢气减轻纤维化的潜力可能有助于改善慢性移植物损伤。
5.10 免疫调节
研究发现，氢气能够影响免疫反应的多个方面。通过调节细胞因子谱和免疫细胞相互作用，氢气可能促进免疫耐受环境，降低移植物排斥的可能性。Itoh 等人利用小鼠模型发现，饮用富氢水可通过抑制 FcεRI 相关 Lyn 的磷酸化及其下游信号分子，从而减少过氧化氢生成并抑制 NADPH 氧化酶活性，进而减轻即时过敏反应[62]。氢气的免疫调节作用已在适应性免疫和固有免疫反应中得到研究。氢气可调节 T 细胞分化、树突状细胞功能和细胞因子谱，从而可能诱导免疫耐受并延长移植物存活[22]。在另一项研究中，体外存在氢气时，T 细胞增殖显著受到抑制，同时干扰素‑γ 和 IL‑2 的产生减少[28]。
本文所述的与氢气相关的优势可能对供者、移植物/器官和受者均具有重要意义，并表现出预期的器官保护作用（图 1）。
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图 1. 氢气治疗在移植医学中的主要优势与潜力。
6. 氢气在移植中的应用
#6.1 氢气吸入
由于氢气是一种气体分子，吸入安全浓度的氢气是一种简便的给药方式。Buchholz 等人的研究表明，在大鼠小肠移植模型中，受者吸入 2% 氢气可显著减轻移植诱导的肌层炎症，改善肠功能障碍，并预防肠动力异常[34]。在肺移植脑死亡大鼠模型中，供者和受者均接受 2% 氢气通气，可通过提高超氧化物歧化酶和其他抗氧化剂的活性来抑制氧化损伤，从而保护肺功能[63]。Kawamura 等人的研究也显示，供者吸入 2% 氢气 3 小时可改善大鼠肺移植后的移植物功能[31]。Zhang 等人的研究表明，在大鼠原位肝移植模型中，供者吸入 2% 氢气 1 小时可显著减轻移植后的肝损伤[23]。
#6.2 冷保存期间的肺充气
在可移植器官中，肺具有独特性，因为它含有空气，可使氢气进入肺泡。在冷缺血阶段用 3% 氢气充气可通过抑制凋亡和炎症反应减轻肺移植物损伤，并改善移植物功能[16,64]。类似地，Duan 等人在大鼠模型中研究了冷缺血期间用 3% 氢气 + 40% 氧气 + 57% 氮气进行肺充气的效果，结果表明，冷缺血期间的氢气暴露可通过改善线粒体结构异常、增强线粒体功能、减少凋亡、炎症和氧化应激来提高供肺质量，这可能与激活 Nrf2/HO‑1 通路有关[13]。
#6.3 保存液
器官保存液的不断优化一直是肺移植供者保护的重要组成部分。目前已开发多种将氢气溶解到器官保存液中的方法，包括电解、氢气钢瓶或产氢剂。使用富氢保存液（>1.0 ppm）可通过抗炎和抗氧化作用减轻大鼠肺在冷缺血期间的 IRI[18]。Abe 等人的研究表明，在富氢威斯康星大学保存液中保存器官 24–48 小时可减轻同基因大鼠肾移植模型中的肾冷 IRI，与单纯冷保存相比，肾移植物的间质巨噬细胞浸润、肾小管凋亡和氧化应激减少，肾功能更好，移植物存活时间更长[26]。
Buchholz 等人指出，在氢气鼓泡的保存液中进行腔内保存、冷保存和血管冲洗可显著保护肠黏膜形态，并降低移植物丙二醛水平，表明在再灌注后的大鼠肠移植物中具有显著的保护潜力，并可减弱促炎分子反应[30]。
类似地，在基于人类临床方案的最佳免疫抑制模型中，含氢器官保存液可在小型猪心死亡供肾模型中抑制供肾急性损伤的发展。使用含氢保存液处理的边缘供肾可存活超过 100 天[14]。Kobayashi 等人研究了一种使用含吸氢合金的罐快速将氢气溶解到器官保存液中的实用方法[19]。在小型猪肾移植模型中，循环骤停诱导 30 分钟热缺血损伤后，获取供肾并用含氢冷 ET‑Kyoto（ETK）溶液灌注 5 分钟。在含氢溶液中保存 1 或 4 小时均可改善肾功能并增加血流量[19]。在另一项研究中，Kayawake 等人表明，在犬左肺移植模型中，ETK 溶液冷缺血 23 小时后，富氢保存液可减轻 IRI。血气分析显示，氢治疗组的移植物功能显著改善，肺水肿和组织病理学损伤程度较轻[15]。
#6.4 冷保存后的氢气冲洗
即使不将器官置于保存液中，仅在体外进行一次氢气冲洗也能产生保护作用。在一项研究中，冷缺血 24 小时后进行氢气冲洗，与对照组相比，可显著降低转氨酶、高迁移率族蛋白 B1 释放和门静脉压力。门静脉途径可维持窦状内皮，而动脉途径可减轻胆道损伤[65]。
6.5 体外灌注
体外肺灌注（EVLP）可通过常温灌注液灌注来评估和恢复离体供肺。Haam 等人报道，在猪模型中，心死亡供肺在体外灌注期间用 2% 氢气通气 4 小时可显著减轻炎症相关肺损伤并改善肺功能[66]。Noda 等人使用大鼠体外肺灌注模型，用含 2% 氢气的空气通气 4 小时。氢气可通过上调 HO‑1 减少促炎变化，促进线粒体生物发生，并显著降低乳酸生成。此外，氢治疗肺中缺氧诱导因子‑1 的表达显著降低。因此，吸入氢气预处理可减轻这些促炎变化，促进整个过程中肺的线粒体生物发生，并改善移植后的移植物功能[67,68]。Ishikawa 等人报道，在离体灌注大鼠肝脏装置上，用含氢氧合缓冲液在 37°C 再灌注 90 分钟可显著减少凋亡、能量耗竭、肝酶泄漏、氧化还原状态异常、微循环障碍和坏死，并增加胆汁生成。氢治疗可抑制细胞质 MKK4 和 JNK 的磷酸化[69]。
6.6 氢浴暴露
Noda 等人发明了一种独特的冷保存装置，该装置带有富氢水浴，可使水饱和氢气，并在整个过程中维持饱和氢浓度和恒定温度。在富氢水浴中保存的移植物具有更高的三磷酸腺苷（ATP）含量和更少的线粒体损伤，这与有效减轻心肌损伤相关[29]。在大鼠肝移植模型中，将氢溶解到肝移植物组织的溶液中形成富氢水浴，可对 IRI 提供更好的形态学和功能保护[20]。
6.7 静脉/腹腔注射
Luo 等人表明，向受者静脉注射氢饱和盐水可增强骨髓间充质干细胞（BMSCs）的迁移和增殖能力，通过减少损伤区域的炎症反应和氧化应激来修复脊髓损伤，这表明氢气和 BMSC 联合递送是改善 BMSC 移植治疗脊髓损伤的有效方法[12]。再灌注开始时通过尾静脉注射富氢盐水可显著减轻大鼠胰腺 IRI 的严重程度，可能是通过减少炎症和氧化应激实现的[24]。
#6.8 腔内给药
小肠是一种独特的器官，因为它具有腔道和血管两条给药途径。除血管壁外，构成黏膜并覆盖腔道内部的上皮细胞层也极易受到 IRI 的影响，因此是潜在的治疗靶点[70]。Yamamoto 等人表明，腔内给予富氢盐水可调节移植肠中跨膜蛋白 ZO‑1 的丢失，并减轻大鼠移植肠的 IRI[17]。
#6.9 口服富氢溶液
口服富氢溶液可轻松应用于日常临床实践[71]。溶解态氢具有安全性高、给药方便、便于携带等优点。Cardinal 等人的研究显示，口服含氢水可使血清和肾脏中的氢水平持续升高，并在 60 天随访中改善肾移植功能，同时降低炎症和组织氧化标志物。Noda 等人的研究表明，饮用富氢水可延长心脏移植物存活时间，并减少主动脉移植物的内膜增生[66]。此外，在另一项研究中，体外存在氢气时 T 细胞增殖显著受到抑制，同时干扰素‑γ 和 IL‑2 的产生减少。在另一项研究中，氢治疗还与更高的移植物 ATP 水平和更高的线粒体呼吸链酶活性相关[25]。
7. 临床研究
尽管大量临床前研究展示了氢气在移植中的潜力，但人体临床试验仍然相对缺乏。初步临床数据表明其安全性和潜在疗效，但需要更大规模的对照试验来明确氢气的治疗优势。值得注意的是，尽管氢气在移植中的前景广阔，但该领域的研究仍处于早期阶段。诸如最有效的给药方式、剂量和时机等关键问题仍需进一步研究[72,73]，并必须仔细评估以最大限度发挥氢气的治疗益处，同时减少潜在风险。此外，了解氢气与现有免疫抑制方案的相互作用对于优化其应用至关重要。需要注意的是，氢气治疗也存在阴性结果。Hosgood 等人的研究表明，在缺血损伤肾再灌注期间给予氢气并不会改善肾功能，也不会减少氧化损伤或炎症[74]。
8. 未来方向
尽管已有数据支持氢气在当前移植实践中的多种应用，但移植外科医生不能假设在实验动物甚至危重移植患者中成功的治疗方法在危重创伤患者中也会产生相同的结果。需要进一步的研究，包括精心设计的临床试验和探索详细机制的研究，以充分释放氢气的潜力并将其整合到移植方案中[75,76]。
通过吸入给药医用气体的能力使这种治疗方法非常适合转化到人类临床环境。一些气体（如补充氧气）已在重症监护病房中使用。在大多数情况下，吸入医用气体治疗可以通过将气体整合到常规输送机制中来无缝补充现有的治疗策略。氢气在治疗浓度下与其他气体的反应有限，因此可以与其他治疗气体（包括吸入麻醉剂）一起使用，作为联合气体治疗的一部分。最近的研究表明，氢气和一氧化碳（CO）联合治疗在预防心脏移植后冷 IRI 方面比单一气体治疗更有效，其机制涉及抗炎和抗氧化作用[33]。Meng 等人的研究表明，在大鼠肺移植模型中，冷缺血期间用 CO 或氢气充气可通过抗凋亡、抗氧化和抗炎机制保护肺免受 IRI，而 CO 和氢气联合使用时效果更佳[77]。Shinbo 等人的研究表明，吸入混合气体（80 ppm NO 和 2% 氢气）可有效减轻小鼠左前降支冠状动脉结扎模型中的心肌梗死并改善左心室功能，效果优于单独吸入 NO。这表明，向吸入的 NO 气体中加入氢气可能增强 NO 对炎症的抑制作用，从而清除过氧亚硝酸盐等高反应性副产物[78]。
9. 结论
正如本综述所明确的，氢气治疗在移植医学中可能具有明确的益处。氢气通过其抗氧化、抗炎和免疫调节特性，有潜力解决器官移植中的关键挑战，主要是 IRI 和移植物排斥。然而，需要更全面的研究，包括精心设计的临床试验，来确定氢气治疗的安全性、有效性及其对移植结局的长期影响。目前，尚无评估氢气在移植中疗效的临床研究。迫切需要设计合理的随机对照试验，以患者重要结局（如目标器官功能改善、重症监护病房和住院时间缩短、治疗成本降低）为主要终点，从而确立氢气治疗在疾病患者中的作用，并发现其优于现有标准治疗的优势。
