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分子氢与健康 神奇的氢聊
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氢气的生物安全性

氢气医学的三大特点包括安全性、渗透性和选择性。安全性是氢气医学最重要的特点,因为高度安全性决定了氢气的广泛实用性。选择用氢气改善疾病不需要过分纠结于副作用,只需要把重点放在是否有效上。
 

氢气的人体安全性非常高,自然科学领域对氢气的生物安全性有非常明确的判读,把氢气归为惰性气体,就是人和动物吸入氢气没有任何毒性,不用担心因为空气被氢气稀释而导致缺氧和窒息。站在氢气医学的角度,氢气的安全性证据主要包括潜水医学的应用研究、氢气生物安全性研究和氢气作为内源性气体的研究报道。
 

氢气的生物安全性
 

关于氢气生物学作用的探索研究可追溯到200多年前。早在1789年,著名化学家拉瓦锡和塞奎因利用氢气作为呼吸介质进行动物实验研究,发现氢气对动物机体非常安全。1937年以后,法国等国家在潜水生理学领域相继开展氢气潜水研究,氢气潜水人体试验结果证明,氢气是一种对人体非常安全的呼吸气体。氢气对人体来说是一种内源性物质,是人体内部环境气体,人体大肠内的许多种微生物可以产生氢气,这是氢气具有安全性的重要佐证之一。随着氢气医学研究的不断深入,关于氢气安全性的基础和临床研究证据也逐渐增多,到目前为止,没有任何证据表明氢气对动物和人体存在危害性。欧盟和美国政府发布的关于氢气生物安全性的资料显示,在普通压强下氢气对人体没有任何急性或慢性毒性。
 

一、氢气潜水医学研究
 

早在1789年,拉瓦锡和塞奎因将氢气作为呼吸介质进行动物实验研究。豚鼠在容器内呼吸氢氮氧三元混合气历时8~10小时,未发现氢气给机体带来任何不利影响。1937年,英国凯斯和小霍尔丹把人暴露于11个大气压的环境中,呼吸氢氧混合气未发现明显的生理变化。
 

1941年苏联拉扎列夫(Lazalov)用氢氮氧混合气顺利加压到91个大气压,未发现小鼠的不良反应。这些早期研究初步证明,人和动物吸入氢气是安全的。
 

为什么科学家会考虑给潜水员吸入氢气?这是潜水医学的一个基本知识。潜水时人受到水的重力影响,下潜深度越深水的压强越大,处于水下高压状态,维持体内外压强平衡就必须呼吸高压气体,一般情况下潜水呼吸气体由必需的氧气和其他气体(氮气、氢气、氦气等)共同组成,研究分析各种气体的理化性质,科学家发现相对于氮气来说,氦气和氢气在高压状态下有麻醉作用小、呼吸阻力比较小、对人体绝对安全的优势,经过大量研究后最终选择氨气和氢气作为大深度潜水的呼吸气体。
 

需要注意的是这里强调的是大深度潜水,了解氢气特性的人都知道,一定合适比例的氢氧混合气具有爆炸性,潜水技术如何解决这个问题?虽然氢气很容易燃烧和爆炸,但燃烧和爆炸是需要条件的,如氧浓度低于4%时就不会燃烧。常压下4%的氧浓度无法维持生命所需,但在水深超过30米的高压条件下,4%的氧浓度等价于常压的16%氧气浓度,基本可满足人体需要,不会造成缺氧,同时也不会出现氢氧混合的燃爆风险。所以当潜水深度超过30米才开始使用氢气作为潜水呼吸气体。
 

许多科学家针对氢气潜水进行了大量实验研究,其中最著名的研究是瑞典海军潜水技术工程师阿恩·泽特斯特罗姆(Arne Zetterstrom)(见图3-1)进行的氢氧潜水试验。1945年8月7日,为了证明氢氧潜水技术在援救潜艇方面可以发挥重要作用,在瑞典海军最大的潜艇援救舰贝洛斯号上,Zetterstrom成功实现161米的现场氢氧潜水。但是在上升过程中由于操作人员理解错误导致发生了极其严重的潜水疾病,Zetterstrom因这一事故献出宝贵生命。
 

1960年起,随着潜水生理学和饱和潜水技术的发展,同时由于氢气制备技术的提高带来更大价格优势,氢气作为深海潜水呼吸气体更加受到广泛重视,促使美、英、法、苏和瑞典等国再次开展氢氧潜水实验。这期间氢氧潜水研究的动物实验达到1000米的深度,吸入氢气暴露时间达到24小时。人体试验深度也达到60米,暴露时间为10~20分钟。20世纪70年代,P.O.埃德尔(P.O.Edel)等进行氢氧模拟潜水实验,发现氢气能有效预防高压神经综合征,高压神经综合征是人类增大潜水深度所面临的最大障碍之一,这个研究展示了潜水吸入氢气的最重要优势。
 

随着海洋开发的不断推进,人们需要更大深度的潜水作业,这个需求推动氢氧潜水研究的深入。在世界范围内,法国COMEX公司在氢氧潜水领域曾经占据绝对领先地位。1983年,它开始执行HYDRA计划,证明氢氧潜水后人体血、尿、神经系统和呼吸功能方面等指标均未发现异常,在同期进行的动物氢氧潜水实验中,动物心、肝和肺等组织学检查未发现异常改变。此后,COMEX公司又开展多次氢气潜水作业实验。到20世纪90年代,COMEX公司顺利完成750米人体模拟氢氧潜水实验,这是目前人类高压暴露的最大深度记录。后来,氢氧潜水逐渐引起更多国家的关注。美国海军研究了高压氢对人体的生理作用,确认氢对机体无任何危害,进一步证明氢气可以减轻高压神经综合征。
 

氢气的生物安全性

图3-1Arme Zetterstrom(1917-1945年)瑞典海军著名氢氧潜水研究专家
 

这里介绍高压氢气的潜水医学研究就是为了说明一个道理,根据毒理学和药理学的普遍规律,高压氢气对人体安全,常压和微量氢气因剂量更低所以更安全。相对于潜水医学领域,目前改善疾病使用的氢气剂量非常低,人体安全性非常高。
 

二、人体内的氢气
 

人体内大肠菌群可以产生一定量氢气,这说明氢气属于内源性气体,这个证据虽然不能证明氢气绝对安全,但氢气在人体内存在,往往就证明它可能有生理意义,这也是氢气具有安全性的一个重要证据。
 

1.氢气是主要的肠道气体成分
 

关于大肠气体产量和成分的研究已经有很长的历史,根据文献报道,最早尝试采集并检测大肠气体的研究应追溯到1868年,德国学者、大肠气体学创始人RugeE.通过玻璃管采集大肠气体。1942年,Beazell和Ivey通过收集健康人24小时排气(屁)并进行测定,结果发现24小时平均产气量为380~655毫升/人。后来Kirk证明,食物中纤维素可以增加产气量。
 

氢气的生物安全性
 

Steggerda分析肠道气体成分,发现7.4%为甲烷,19.8%为氢气,首次证明身体内的甲烷和氢气来自大肠菌群。Levitt等证明,所有健康人的大肠内都可产生氢气,产生氢气的量几乎全部依赖于细菌对食物来源成分的发酵。美国国家航空航天局在进行阿波罗计划时,对大肠气体的成分进行过比较详细的研究。研究人员经过仔细分析发现,人体大肠气体成分多达400种。其中主要的成分是氮气、氢气、二氧化碳、甲烷、氧气等无臭味气体,另外是微量的氨气、硫化氢、吲哚、粪臭素、挥发性胺、挥发性脂肪酸等恶臭气体。
 

肠道气体代谢受到多种因素影响,目前针对这些机制仍然缺乏充分的研究证据。肠道气体不仅受到细菌种类的影响,而且与宿主生理状态关系密切。二氧化碳、氢气和甲烷的30%~40%可被大肠黏膜吸收,进入循环系统转移到全身,最后经过皮肤和肺呼吸释放到体外。剩余的气体如氢气等可以被其他细菌利用,或者最终经过肛门释放。大肠内氢气主要来源于细菌合成,但氢气也会被细菌大量利用,研究者们对氢气代谢的具体菌群进行分类研究,比较这些菌群与身体健康的关系。初步确定大肠内产生氢气的细菌主要包括壁厚菌门(phylum Firmicutes)和拟杆菌门(phylum Bacteroidetes),利用氢气的细菌主要包括产乙酸菌、硫酸盐还原细菌和产甲烷菌,这些细菌利用氢气产生醋酸、硫化氢和甲烷,导致肠道内氢气的含量一般并不高。
 

比较常用的分析大肠菌群产氢量的方法是呼出气体氢气含量测定。这是一种疾病诊断方法,肠道内氢气含量与菌群的种类分布存在密切关系,呼出氢含量可以反映肠道菌群功能。根据呼出气体的氢气含量可以诊断乳糖不耐受、小肠菌群移位等影响现代人健康的重要疾病。
 

根据氢气含量分析肠道菌群的研究目前越来越受到重视。呼出气体氢气浓度分析结果表明,一般健康人呼出气体中氢气含量不超过10ppm,相当于占总气体质量的百万分之十。按照氢气的溶解度换算,血液中的氢气浓度大约是0.01ppm。这一数据表明,肠道内细菌代谢产生的氢气大多数被代谢消耗掉。流行的观点是,肠道内氢气主要被肠道菌群代谢消耗。最近研究提示,人体代谢也能消耗氢气。
 

2.大肠内氢气的生物学效应
 

过去人们对大肠内氢气的认识比较肤浅,大部分人认为大肠内氢气属于细菌代谢的废物,对人体并没有什么特殊的影响。随着氢气医学效应的发现,人们逐渐考虑是否可通过诱导大肠细菌产生氢气的方法改善某些疾病。
 

最早验证这一设想的是日本医科大学太田成男课题组,他们通过分析健康人口服阿卡波糖(糖尿病改善药物)后的呼吸气体成分,发现阿卡波糖对甲烷浓度没有影响,但是可以显著提高呼出气中氢气的浓度。早期临床研究曾经发现阿卡波糖具有心脏保护作用,但人们对这种心脏保护作用的分子机制不十分清楚。这个研究发现阿卡波糖能促进肠道菌群制造氢气,结合氢气对心脏疾病具有保护作用的研究可以初步确定,促进大肠细菌产氢可能是阿卡波糖具有心脏保护作用的原因。
 

氢气医学研究发现,氢气的主要作用是减少氧化损伤和炎症反应,而氧化损伤和慢性炎症是造成机体衰老的重要原因。日本学者根据这一思路推测肠道产氢能力可能与长寿密切相关,他们选择日本百岁老人群体进行肠道产氢能力检测分析(见图3-2),发现日本百岁老人平均呼出气氢气水平[(59.4士7.43)ppm]是普通人[(17.7士2.34)ppm]的3倍以上,提示肠道氢气与长寿可能存在关系。
 

氢气的生物安全性

图3-2 百岁老人呼出气的氢气浓度分析(AokiY,2013)
 

为观察促进肠道氢气产生是否对疾病有改善作用,有学者研究诱导肠道菌群产氢(大鼠口服纤维素或抗性淀粉)对肝脏缺血的改善作用。发现口服纤维素或抗性淀粉可促进肠道氢气产生、减少氧化应激和肝脏损伤程度。以往有研究证明纤维素和抗性淀粉等具有疾病改善作用但机制不明,这一研究报道从促进大肠氢气产生的角度阐述改善疾病的原因,是一个比较明确清晰的机制解释。日本学者光治松本在牛奶中添加低聚半乳糖、麦芽糖醇和葡甘露聚糖等,通过促进肠道菌群产生氢气来实现“功能牛奶”的多重营养效果。美国哈佛大学波士顿儿童医院的研究人员系统分析大肠内细菌产生的氢气是否具有肝脏保护作用,发现阻断内源性氢气产生后保护作用显著减弱,同时给予外源性氢气或者补充产氢细菌后保护作用可恢复。研究全面证明大肠细菌产生的氢气具有疾病改善作用。
 

有研究者比较口服乳果糖(一种低聚果糖,在临床上广泛用于改善便秘和肝性脑病)、饮用氢水、连续吸入氢气和间歇吸入氢气对帕金森病的改善效果。研究结果发现,饮用氢水和间歇吸入氢气对帕金森病的改善作用比较理想,口服乳果糖和连续吸入氢气都不能明显改善帕金森病症状。饮用氢水和间歇吸入氢气使体内氢气浓度发生一过性增加,根据这个研究结果推测,这种一过性增加对某些疾病可能有特殊改善作用。2018年,日本学者研究发现,帕金森病患者肠道菌群产氢能力不到正常人的50%,提示肠道菌群产氢能力不足可能与帕金森病的发生发展有关。孙学军教授课题组发现,服用乳果糖可促进肠道菌群产氢并激活Nrf2抗氧化系统,对大鼠脑缺血再灌注损伤发挥保护作用。这一发现提示临床口服乳果糖改善肝性脑病的效果可能与促进肠道菌群产氢有关。
 

潜水医学研究证明氢气对人体十分安全,肠道菌群氢气代谢的系列研究证明氢气属于内源性气体,自然科学对氢气安全性也有统一看法,这些理论组成氢气人体安全性的系统证据。需要提醒读者的是,目前认为氢气的安全性非常高,但不要绝对化,对大多数人安全,不等于对所有人都同样安全;今天没有发现副作用不等于绝对不存在副作用。例如有研究发现氢气对人体的生理功能有一定影响,这些生理功能变化对健康人没有影响,但应用氢气产品帮助改善疾病时需要考虑氢气对患病人群生理功能变化的影响问题。

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