氢气摄取方法很多，这些方法都不同程度对身体产生有益作用，也是产生作用必需的条件。氢气医学研究以来，已经发现了多种生物学效应，其中比较重要的作用包括，抗氧化、抗凋亡、抗炎症、基因表达调节等，当然产生这些作用还涉及到各种效应分子（见图3）。 

图3.氢在生物体中的分子效应。

4.1. 抗氧化作用

2007年，氢气医学奠基性研究论文就提出氢气抗氧化作用，可中和血液和细胞内毒性自由基。（注：1975年美国学者的论文也是基于氢气类似作用。）氧化还原稳态是细胞维持正常功能的条件，细胞内氧化还原稳态是酶和非酶抗氧化系统和自由基之间形成的平衡作用。这类似于酸碱平衡但更为复杂。参与这一平衡的物质包括，含有氧原子的物质如羟基自由基、超氧阴离子、臭氧、单线态氧、过氧化氢等，含氮原子的如一氧化氮、亚硝基、过氧亚硝酸盐，含卤素如次氯酸盐，脂质如脂氧基自由基等活性分子。由于大部分都含有氧原子，且化学活性比较活泼，这些物质比较常用的称呼是活性氧。生理条件下，活性氧参与各种细胞过程，如信号传递过程，有一些甚至是非常重要的信号分子如一氧化氮和过氧化氢。细胞内大部分活性氧是在线粒体电子传递链中产生的，其生成部位主要在复合物1和复合物3。此外，细胞内NADPH-氧化酶、一氧化氮合成酶、黄嘌呤氧化酶、细胞色素p450、醛脱氢酶、血红蛋白等都参与活性氧生成。简单说，细胞内氧化还原反应过程都具有产生活性氧的潜力。

各种性质的不利因素，物理，化学，生物等，对全身或局部能产生伤害效应，这些伤害都会伴随着活性氧产生。活性氧氧化剂过量，超过通过酶催化或还原剂中和的阈值，会导致细胞内氧化张力过大，产生所谓氧化应激，氧化应激到一定程度可以造成氧化应激损伤。氧化应激损伤是一种非常普遍的病理生理过程，几乎是所有疾病的共同病理基础之一。因此缓解氧化应激是许多疾病的治疗策略。

这里需要强调的是，氧化应激和许多疾病有关，是许多疾病的病理生理基础，但并不是唯一的病理生理基础，疾病发生是多种因素的复杂过程。因此，作为多种疾病的共同基础，缓解氧化损伤对许多疾病都具有潜在作用，但并不能完全解决疾病的问题。就是说，抗氧化有作用，但不一定能完全解决问题。

许多研究都这样假设，氢气可以直接中和自由基，从而产生缓解氧化损伤的作用。比较强调氢气能直接中和有毒的羟基自由基和过氧亚硝酸盐。这确实很重要，因为羟基自由基和过氧亚硝酸盐氧化活性非常强，对生物分子的氧化破坏作用最严重。正是因为这些活性氧的氧化活性最强，也能利用特定的荧光探针进行分析（图4）。

氢气是一种新型的抗氧化剂，因为它选择性地中和羟基自由基和过氧亚硝酸盐，但不会影响过氧化氢、超氧阴离子和一氧化氮等具有生理活性的活性氧，因此氢气不会破坏细胞内信号传导功能，这是氢气独特效应的基础，也可能是氢气生物安全性的理论基础。另外由于氢气扩散能力强，中和自由基的作用可发生在细胞内，也能发生在细胞外。 

图4.一些生物氧化剂的相对氧化电位。

随着研究的深入，人们对氢气抗氧化作用有了更多认识。研究发现，氢气能激活细胞自身抗氧化系统。2001年，Gharib等发现氢气吸入能提高超氧化物歧化酶的催化性能。这种效应可能是通过Nrf2转录实现的。Nrf2能直接增加多种抗氧化酶如SOD，血红素加氧酶等基因转录，是细胞自身抗氧化系统的管家转录因子。氢气对抗氧化酶的刺激作用还包括过氧化氢酶和髓过氧化物酶等。氢气促进细胞抗氧化系统也可能有更多模式，例如氢气促进ASK1和p38-MAPK。刺激这些级联反应导致NADPH氧化酶活性的抑制，从而降低自由基生成速率。

关于氢气促进细胞抗氧化能力的效应，需要注意两个问题。一是这种效应表面是和氢气直接抗氧化效应存在冲突，因为细胞自身抗氧化主要是氧化应激信号激活，而氢气减少氧化应激，怎么可以促进自身抗氧化。二是氢气选择性抗氧化本身包括不影响具有信号作用的活性氧，在氧化应激条件下，氢气使用后，能在减少损伤的情况下保留氧化应激信号，因此这种所谓细胞抗氧化活性本身就是选择性抗氧化效应的间接效应。

4.2. 抗炎作用

氢气的抗炎症作用，主要从炎症因子水平，已经有大量研究证据支持这一效应。其实炎症和氧化应激存在密切关系，炎症反应时，细胞通过呼吸爆发产生活性氧，活性氧增加是炎症细胞作为杀灭病原体的武器，这类似于炎症细胞自身制造消毒剂的效应，因此炎症必然有氧化过度的发生。而氧化应激本身能导致细胞分子发生损伤和变性，生物分子损伤也是诱导炎症反应的重要信号。如此看，炎症和氧化就是一种具有潜在正反馈的生物反应。那么氢气能抑制氧化应激则有利于打破这一正反馈过程，不仅能减少氧化损伤，也能抑制炎症反应。关于氢气对炎症的抑制作用，证据主要在炎症因子的抑制，也有大量研究是关于炎症反应信号调控的效应证据，例如氢气能影响ASK1和p38 MAPK依赖性调节途径，NF-kB、p53基因、缺氧诱导因子-1α、基质金属蛋白酶等炎症重要信号通路也会受到氢气的影响。氢气对炎症的抑制作用机制也可能和某些抑制炎症因子和转录因子被激活有关，例如IL-10和Nrf2都有利于控制炎症反应，也可能会通过促进抗炎症细胞如巨噬细胞M2的转化。

4.3. 抗细胞凋亡作用

人体内的细胞注定是要死亡的，有些死亡是生理性的，有些死亡则是病理性的，有关细胞死亡过程的研究，已成为生物学、医学研究的一个热点。人们已经知道细胞的死亡起码有两种方式，即细胞坏死与细胞凋亡（apoptosis）。细胞坏死是早已被认识到的一种细胞死亡方式，而细胞凋亡则是逐渐被认识的一种细胞死亡方式。细胞凋亡是细胞的一种基本生物学现象，在多细胞生物去除不需要的或异常的细胞中起着必要的作用。它在生物体的进化、内环境的稳定以及多个系统的发育中起着重要的作用。细胞凋亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型，而且具有重要的生物学意义及复杂的分子生物学机制。凋亡是多基因严格控制的过程。这些基因在种属之间非常保守，如Bcl-2家族、caspase家族、癌基因如C-myc、抑癌基因P53等，随着分子生物学技术的发展对多种细胞凋亡的过程有了相当的认识，但是迄今为止凋亡过程确切机制尚不完全清楚。

细胞凋亡可以简单理解为细胞自杀。我们把握细胞凋亡重点从两个方面，一是肿瘤往往是某些类型的细胞凋亡不足，导致细胞数量过程而形成肿瘤。而组织损伤如中风则是细胞凋亡过度，导致正常组织功能细胞数量不足，导致组织器官功能下降。因此从有利于组织器官的角度看，对肿瘤这类增殖性疾病，促进凋亡发生是治疗肿瘤的策略，而对损伤类疾病，抑制凋亡发生则对身体有利。

目前的研究发现，凋亡增加不利的损伤类疾病，经过氢气治疗能减少凋亡的发生。而在肿瘤和增殖性疾病，氢气治疗则能促进凋亡发生。一些分子层面的改变也都支持氢气产生这些效应。

4.4. 焦亡的调节

细胞焦亡（Pyroptosis）又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞死亡，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。细胞焦亡是机体一种重要的天然免疫反应，在抗击感染中发挥重要作用。细胞焦亡是由gasdermin介导的细胞程序性坏死。细胞焦亡是相对比较新发现的细胞死亡方式，与细胞凋亡的根本不同之处在于它会引起炎症反应。炎症是由称为炎性小体的特殊结构中的模式识别受体激活引起。一般认为细胞焦亡具有保护性，但对这一过程的过度刺激有助于病理的发展或进展。导致焦亡诱导的因素包括活性氧、Casapase-1和炎症小体。

氢气具有抗炎和抗氧化作用，这使氢气具有阻断细胞焦亡的这些促进因素，有利于预防焦亡过度激活。氢气可减少自由基也有利于抑制细胞焦亡导致的炎症反应，对于保护细胞焦亡相关的组织病理学损伤有潜在作用。

4.5. 自噬的调节

关于自噬的研究是最近刚刚获得诺贝尔奖的研究领域。自噬的含义自己吃自己，是一个吞噬自身细胞质蛋白或细胞器并使其包被进入囊泡，并与溶酶体融合形成自噬溶酶体，降解其所包裹的内容物的过程，借此实现细胞本身的代谢需要和某些细胞器的更新。

自噬在机体的生理和病理过程中都能见到，其所起的作用是正面还是负面的尚未完全阐明，对肿瘤的研究尤其如此，值得关注。总体看，自噬是好，但有时是坏的，具体细节并没有完全确认。氢气和自噬的关系也存在两种类型影响。一是氢气能刺激特定的核苷酸携带结构域，抑制巨噬细胞中的NLRP3并限制炎症反应，这样的作用是刺激自噬实现自我保护效应。

另一方面，在某些病理条件下，自噬具有受损或过度的特征。例如在LPS引起的脓毒症过程中，氢气抑制过度自噬有利于对病理组织的保护作用。在脑损伤过程，氢气通过抑制神经元自噬，对脑损伤产生保护作用。

从氢气的效应看，似乎氢气只有利于身体，这并不符合一般规则，氢气本身不应该从人的标准出发产生作用。为什么会出现这种相互矛盾的效应，可能性比较大的是氢气发挥作用并不是在这些细胞死亡过程，而是在更高层面的效应上发挥作用，或者是在更高维度上发挥作用。

氢气对各种细胞死亡的效应中，唯独缺少的是铁死亡，虽然有学者提出了假说，但我认为对这一死亡方式的重视不足。铁死亡存在典型的氧化损伤过程，且铁死亡过程，铁离子介导的芬顿反应产生羟基自由基导致脂质过氧化是其病理过程中重要环节。氢气医学最重要的机制假说恰好就是选择性中和羟基自由基。因此，理论上氢气是一种铁死亡特定抑制剂，而且是不同于其他信号分子，针对铁死亡效应分子产生作用。不过现在关于氢气和铁死亡的研究证据比较缺乏，是比较遗憾的。

4.6. 氢气的其他细胞效应

 

图5.氢分子的常见细胞、组织和全身效应。

氢气通过各种方法进入血液和细胞，和生物分子直接发生相互作用。目前看来，氢气选择性中和有毒自由基，启动内源性抗氧化系统，促进细胞氧化还原平衡稳态，是氢气一切效应的基石。此外还应考虑氢气对凝血因子和表面受体结构等方面更多的潜在调节作用。

除了上述效应外，氢气在各种器官和组织中的其他作用还有很多，如：

1.器官保护作用；

2.减少缺血再灌注损伤；

3.抑制全身炎症反应；

4.抗肿瘤作用；

5.抗衰老作用；

6.提高对各种应激源的抵抗力；

7.提高运动耐力。

有证据表明，氢气对脂质、蛋白质和碳水化合物等各种物质代谢过程具有调节作用，也许氢气能通过分子水平、细胞水平、全身系统效应等各层次的综合效应，实现对各种细胞状态的保护调节作用，也包括对干细胞的这些效应。