氢气预防心停跳后脑损伤临床研究详解
去年日本厚生省把氢气吸入作为临床改善方法的消息公布后，一些氢气医学研究机构不断努力，其中一个是吸入氢气对缺血性脑卒中的改善，另一个是氢水改善帕金森病的研究，这些研究都已经获得比较多的研究证据，也有一些论文发表。不过厚生省发布氢气吸入临床应用还有一个原因就是将这种方法用于心脏停跳后脑损伤，这方面日本已经有了一些前期研究，确定了这种方法的安全性，初步提示氢气能对心脏停跳后脑损伤有保护作用。但是要确定一种方法是否能改善某种疾病，必需有严格的多中心双盲安慰剂对照临床研究结论，这一疾病的氢气改善效果仍然没有这方面的证据。
过去对多中心双盲安慰剂对照临床的数据一般都是在临床研究注册机构去找，内容往往比较简单，具体信息则需要等试验完成后才能获得。近年有一些杂志发表一些这种临床设计的资料，《Trials》是专门发表这种内容，这是非常不错的科研信息，可以让大家提前了解这方面的详细资料，值得鼓励和表扬表扬。最近日本庆应义塾大学急救医学Tomoyoshi Tamura等在《Trials》上发表了他们的氢气吸入多中心双盲安慰剂对照研究方案。
先介绍本研究的核心内容，临床研究设计图，文章其实就是围绕这个图展开的。
Fig. 1 试验流程图，包括如何选择受试者，入组标准，排除标准，找360个患者，随机平分2组，180个人吸入氢气，对照组不吸入氢气，其他改善全部都一样，90天后看结果，分析氢气吸入改善是否有效。
大脑是对缺血最敏感的器官，由于经过全身血流中断过程，许多心脏骤停幸存者往往会有缺血导致的中枢神经损伤，也是患者死亡的重要原因。心脏骤停后脑损伤，也称为心脏骤停后综合症，目前唯一有实验室和临床证据支持的有效改善方法是“目标体温管理” (targeted temperature management,TTM)。 既然是唯一有效的方法，我们这里就详细解释一下。
“目标体温管理”本质就是低温疗法，低温的脑保护作用20世纪50年代后期进行了研究和描述。但是低温改善曾经被遗忘了大约20年时间，后来脑保护方面没有好办法，才重新重视起来。实验数据表明,改善性低温的神经保护作用有以下几种作用机制:减少脑代谢,恢复脑损伤脑组织中脑血液的平衡。降低颅内压。减少脑细胞凋亡的发生,特别是抑制半胱天冬酶(caspase)通路激活及和坏死。 减少乳酸和兴奋性毒性化合物如谷氨酸盐在局部的释放,这与脑缺血时钙稳态的改变有关。 减少脑组织炎症反应和全身炎症反应综合征。减少自由基的产生。限制脑缺血时血管和细胞膜的渗透性。
其实这些低温脑保护机制和没有机制差不多，因为这些都是脑损伤的发生机制，低温能保护大脑，可以从这些病理生理学上体现出来。我们经常说，氢气改善疾病缺乏具体分子机制，这种临床上应用的低温疗法何尝不是没有具体分子机制。其实低温为什么能保护脑组织，基本逻辑是这样的，大脑是代谢最旺盛的组织，这就决定了脑组织耐受缺血缺氧的能力最弱，如果能适当压制这种旺盛的代谢，就能提高耐受低氧缺血的能力，达到保护损伤的目的。低温是一种安全有效地抑制组织代谢的工具，这几乎就是理所当然的道理。更粗暴的解释，冰镇能保鲜，水果可以，大脑也行。
“目标体温管理”本质就是低温疗法的一种技术描述。就是为保护大脑损伤继续发生，通过各种方法实现大脑组织达到个体化目标低温。目标体温管理最佳改善方案仍然没有统一标准(疗法标准是很难确定的，所以别问我氢气疗法最好的剂量)，但目前认为维持体温在32°C和36°C之间是对心跳骤停患者脑损伤保护最有效的体温。
虽然动物模型发现有几种药物对心脏骤停后脑组织有害代谢产物的产生有显著抑制作用，也能缓解神经损伤。但是不幸的是，这些药物的临床研究结果并不能证明有效。因此针对心跳骤停患者脑损伤保护的革命仍然不算成功，氢气吸入这一种简单有效的改善方法仍然值得探索。
氢气具有抗氧化和抗凋亡特性对多种人类疾病具有潜在应用前景，氢气的医学效应是2007年被首次报道，此后受到广泛的临床和基础研究学者关注，大量动物模型和临床疾病改善的研究结果相继报道。氢气除具有选择性中和自由基的效果外，还能调节基因表达，通过影响磷脂的自由基反应影响各种细胞信号分子。
虽然氢气在各种动物模型的广泛生物学效应具体机制尚未完全阐明，但是氢气的转化应用已经吸引了许多临床学者的积极关注。这主要得益于氢气的生物安全性巨大，氢气的制备和使用及其简单，氢气的强大生物组织扩散能力等特征。有效性和安全性是药物的底线，氢气的有效性和安全性都有非常丰富的研究证据，真正的医学学者都必然对氢气医学着迷。
前期动物模型研究结果发现，氢气吸入能提高心脏骤停后动物存活率，对脑组织损伤的保护作用明确。氢气的效果与TTM相当，但由于氢气的独特优点，尤其是其多效性、强大扩散能力、使用更简单、没有明显的副作用等，让氢气非常有希望成为一种新的心脏骤停后脑损伤保护的技术。最近日本学者对人类心脏骤停后患者进行的安全性初步研究发现，氢气吸入对心脏骤停患者是安全可行的，能进行更大规模的临床研究。因此，在最新这一临床试验中，将评估氢气吸入对心脏骤停复苏90天后神经功能改善方面的临床效果。
(一)研究设计
氢气预防心脏骤停后脑损伤的研究，是一个随机、安慰剂对照、双盲多中心临床研究。受试患者将按照1:1比例分成氢气干预组或对照组。该研究将在大约15个日本学术研究机构实施。试验目的是评估院外心脏骤停昏迷患者，被成功心肺复苏后，氢气吸入对神经损伤修复的效果。试验注册机构是大学医院医疗信息网络(UMIN)临床试验注册中心(UMIN000019820)，按照临床试验推荐检查表进行逐项全面核对(文章有参考核对表)。
(二)入组标准
1、年龄20-80岁;
2、假定心因性院外心脏骤停经心肺复苏恢复自主循环，在医院急救室或候诊室;
3、恢复自主循环后存在无意识阶段(格拉斯哥昏迷指数小于8);
4、舒张压≥80 mmHg，可经补充电解质、升压药或强心剂达到该血压标准;
5、患者近亲签署的知情同意书;
6、恢复自主循环后6小时内开始试验改善。
(三)排除标准
1、过去曾经脑功能分类量表评分3或4;
2、曾有改善限制或“不复苏”指令;
3、创伤、窒息、颅内急性主动脉夹层破裂、晚期癌症或中毒导致的心脏骤停;
4、动脉氧饱和度< 94%，吸入50%或呼气终末正压PEEP也无法纠正;
5、怀孕;
6、使用体外循环;
7、研究人员认为不适合该研究的情况。
(四)注册或退出
研究参与者因为失去意识无法自己提供知情同意书，试验参与主体无法对试验情况和完成过程进行全面了解，书面知情同意将通过现场研究人员和受试者近亲在试验医院完成。一旦受试者恢复意识能力，将被询问是否希望继续参加并完成后续试验。受试者或其监护人有权撤回知情同意书。来自该受试者的所有数据将被销毁。受试者注册工作由所在医院的研究人员负责。
(五)随机双盲操作方法
由于气瓶大有交通运输和医院存放空间限制，研究采用配对随机的办法。所有气瓶将按照1到360进行编码，360对气瓶分别从配气中心运输到试验病房。其中一半气瓶内含有4%氢气和96%氮气，另外一半对照气瓶有100%氮气，没个受试者都需要用2个气瓶。每次都运输4个气瓶，其中两个含有氢气，另外两个是没有氢气的对照。患者使用那种气瓶都用计算机软件进行随机抽签(几率50%)，数据将进入分配表。分配表将被任务管理员封存到解盲。气瓶运输前成分标签被覆盖，成分在现场无法被识别。这样可以保证每个试验场所都有随机对等的试验和对照受试者。
(六)研究干预
盲法气体吸入改善从患者入住重症监护室开始，持续吸入18小时。目标温度管理改善同时开展。试验组吸入2%氢气和一定浓度氧气混合气，对照组没有氢气，氧气浓度同试验组。
(七)氢气吸入方法(图2)
人体氢气吸入方法过去已经有过介绍。采用瑞典Maquet Critical Care AB/Servo-s呼吸机，气体供应是氧气和氢气试验用气进行等比例混合，试验组试验气含有4%氢气96%氮气，和氧气混合后达到2%氢气，48%氮气和50%氧气。对照组是100%氮气，和氧气混合后获得50%氮气和50%氧气。两组除吸入气体中氢气不同外，其他方面如潮气量、呼吸频率、氧气分压、气体流量全部一致。在氢气吸入系统中，呼吸机排出的气体和由病人吸入的气体之间的体积和组成都有差异。呼吸机对这种情况默认属于故障，会出现报警提示，为克服这一问题，试验呼吸机都强制停止了这一功能。为了保证安全，在设备中安装额外检测设备对呼吸机的潮汐量和氧气浓度进行分析。
(八)呼吸机操作
在氢气吸入试验干预期间，患者通气量根据计划临床标准规定进行调整。维持血氧饱和度在≥94%或氧分压在85-150mmHg之间。呼吸目标为动脉血液中二氧化碳分压35-45 mmHg之间。呼吸衰竭患者需要吸氧浓度超过50%，或需要采用PEEP，或氧饱和度无法达到94%将被排除试验。试验期间患者可以服用镇静剂(异丙酚、咪达唑仑)，镇痛药(芬太尼)或神经肌肉阻断剂(罗库溴铵)。试验干预结束后，在ICU继续使用呼吸机，并转换为常规模式，并根据患者情况进行调整。如果不必要，可停用神经肌肉阻断剂。
(九)目标温度管理
所有的受试者都接受TTM改善。使用表面或血管内温度控制管理设备控制目标核心体温为33°C-36°C之间，具体根据所在研究医院的规定。温度控制要尽量用最快速度实现目标温度，并维持目标体温24小时，患者被动复温到核心温度36°C持续48小时。控制温度到核心体温为33°C-36°C之间均停止使用镇静药。体温管理后至入院7天内采用冰袋或非甾体类抗炎药物控制发烧，维持体温为37±0.5°C。心脏疾病患者使用标准改善方法。冠状动脉造影和经皮冠状动脉介入根据临床指南或主治医生确定。其他诊断测试将根据需要进行。
(十)数据收集和跟踪
收集所有受试者的基本人口统计学资料和病史。用特定的病例报告格式采集所有患者数据。生命体征、临床生物化学、生理和影像学测试结果将按照规定进行整理 (图3) 。研究会持续追踪患者到心脏骤停后90天，生存状态将被持续记录。90天的神经系统评估检查将由试验所在医院一名神经内或外科医生实施。神经系统评估数据将指定两个不了解改善结果的神经病学家对评估数据评估。所有数据将被庆应义塾大学药学院集中封存。所有受试者都将被积极改善，但脑损伤生物标志物将不会用于改善决策。所有参与研究的中心将定期检查数据文件，失踪或可疑的数据将被通过查询并得到纠正。
(十一)主要终点和次要终点
主要终点是受试者90天神经测试评分结果，计算出格拉斯哥-匹兹堡脑功能表现计评分为1或2的比例。次要终点包括90天的存活率、生存时间、GCS评分、改良Rankin量表评分和简易精神状态检查表(MMSE)结果。院外心脏骤停幸存者认知障碍是普遍后果，MMSE是最普遍的短暂认知功能评估方法。用格拉斯哥昏迷评分对意识障碍进行评分。
(十二)不良事件
心脏骤停复苏患者本身就危在旦夕，存在全身组织缺血再灌注损伤和各种临床并发症，甚至会死亡，这些都可以独立存在，与氢气改善试验无关。因此持久残疾/无能或危及生命的条件不一定表明严重不良事件，只要是可预测的临床状态。目前并没有心脏骤停复苏患者例外不良事件规则和报告。为了充分考虑安全顺利推进研究，研究专门对不良事件进行定义，并制定了报告规则。任何情况下出现任何新涌现临床显著恶化，包括死亡，都应该记录。
受试者发生任何临床不利状况，无论是否来自氢气改善，都被确定为不良事件。临床不利状况为患者死亡、威胁生命的恶化状况、永久或严重器官功能障碍、实验室检查异常、癫痫发作和研究人员认为存在重要风险的任何其他条件。考虑到上述心脏骤停后患者的特点，临床严重不利状况的定义是指发生在起始干预72小时内或随访期间死亡。
(十三)样本量估计
这是统计学内容，根据预实验和过去相关研究经验，可以对改善效果进行估计，然后根据改善效果计算获得阳性统计学结论最小受试者数量。本研究认为氢气对神经损伤的改善效果为15%，考虑到低温保护可以达到50%，从50到65%的改善比例，需要167人的样本量，考虑到会有一部分患者的数据会无法完成，粗算需要180人能满足研究的需要。
根据过去发表资料，研究对氢气改善效果是基于当前综合急救措施效应增加的预计，当前对心脏骤停后脑损伤主要采用目标体温管理，效果大约是50%。因为氢气医学临床研究数据非常有限，本研究参考动物实验的数据，估计脑损伤绝对风险可下降15%，也就是说可以将目前临床目标体温管理的脑保护效应从50%提高到65%。167名患者的样本量15%的改善能提供80%检测有效率，利用卡方检验，可以达到0.05统计显著水平。根据前期预研究情况，因为随访时间比较短，随访失败率比较低。本研究假定有5%的随访失败率，则需要180例受试者，对照组180例，总样本量为360人。
(十四)统计学分析
所有统计分析，包括临时的分析，将完全由没有参与病人改善或评估结果的独立统计人员完成。统计人员不了解分配代码。统计人员将执行统计和MMSE评分，使用曼-惠特尼秩和检验，所有测试将双尾，P< 0.05为显著性差异，将被认为是具有统计学意义，所有数据分析将用SAS9.3版。
(十五)临时安全分析
第一个100例随访后90天，临时分析将数据和安全监测委员会确定是否继续这项研究。临时分析将统计将对90天内患者死亡数量进行分析，比较氢改善组和对照组之间的死亡率差别。每一组都用一个独立的贝塔分布用作先验分布，每个组的死亡人数的后验分布将估计死亡率。基于上述分布，如果发现氢气改善组死亡率超过对照组≥0.9875将被终止。
(十六)数据和安全监测委员会
数据和安全监测委员会是一个独立的群体，组成主要有ICU患者管理经验的临床医生和1位统计学家，统计学家有经验执行、监视和分析临床试验。临床医生委员会成员仅限于没有利益冲突不参加试验的临床医生。数据和安全监测委员会负责保护受试者权益，评估分析不良事件和干预之间的可能因果关系和临时安全分析。数据和安全监测委员会将向研究负责人提出停止或继续试验的建议
(十七)审计
审计将会外包给合同研究组织独立调查人员和赞助商。四个机构每年会随机选择，审计将按照预先确定程序执行。
氢气吸入临床研究的意义
氢气改善是心脏骤停复苏患者一个有前途的改善方法，因为心脏骤停复苏是一种非常独特的患者群体，由于病情一般非常严重危机，双盲研究比较难以开展。HYBRID II将是第一个氢气改善心脏骤停复苏后脑损伤双盲随机对照临床试验。
动物实验数据发现氢气对心脏骤停复苏有改善作用，改善有效浓度从1.3%-3%不等。本研究选择2%氢气浓度是因为针对急性氧化应激的保护作用在这个浓度更理想。动物实验结果表明，氢气吸入改善和目标温度管理能产生协同效应。目标温度管理和氢气改善可能存在相同的神经保护机制，也可能存在各自特殊的改善基础。
虽然氢气易燃，在室温下与氧气含量小于4.7%不能发生燃烧。根据热力学第二定律，密闭系统内只有熵保持不变或增加的物理过程才能自然发生。从身体内呼出的氢气会立刻在空气中扩散，不会产生局部积累和浓度增加的情况，因此呼吸2%的氢气不会产生可能发生燃烧的情况，这满足医院内的消防规定。氢气改善剂量对生命体征没有负面影响的报道。长期持续吸入高压氢气曾经用于大深度潜水试验，没有关于氢气呼吸潜水员身体健康长期不利影响的任何报道。心脏骤停昏迷患者通常需要机械通气，因此受试者必须通过呼吸机吸入氢气，为了满足这一要求，研究人员专门设计了一个通风系统，患者可以同时吸入氧气和氢气(图2)。
需要强调的是，金属铂是氢气氧化反应的催化剂，即使氢气本身在4.7%以下不具有发生燃烧的条件，但在金属铂表面，氢气和氧气仍然能发生反应。这种燃烧可以造成铂表面温度增加并导致机械故障。了解这一问题至关重要，因为当前临床可用的呼吸器大多数配备铂热压力计作为流量传感器，这样的呼吸机不能作为氢气吸入装置。研究人员选择了配备了超声波流量传感器(Servo-s®)呼吸机进行氢气吸入试验。前期一个小样本试验已经对这个系统吸入氢气的可行性和安全性进行了验证。临床试验评估氢气对心脏骤停复苏后脑损伤保护的作用值得期待。
这一氢气吸入系统仍然存在不足。氧气浓度比较低，不超过50%;改善时间比较短，只有18小时。改善开始时间比较晚。首先，最大氧气浓度只有50%，因为氢气氮气混合气体占50%，这导致某些需要额外增加吸氧浓度的患者无法进入试验。(其实氧气和氢气也可以进行预先混合，只要氢气比例不超过4%，高压下也不会发生燃烧和爆炸，这样可以实现氧气浓度的增加，另外也可以用小流量氢气和高浓度氧气进行现场混合，只不过技术上要求更高一些。)第二，氢气吸入只能持续18小时。这主要是因为日本ICU病房空间限制。试验使用的每个气瓶提供的气体只能够患者使用10-12小时，每个患者最多只能用两个气瓶。为使所有患者改善时间一致，试验气体吸入时间定为18 小时。过去没有研究比较改善时间和效果的关系，但18小时对有些患者可能太短。第三，恢复自主循环的时间不同，这导致氢气吸入改善开始的时间不一致。由于氢气吸入系统必需安装在ICU病房，只能等待自主循环建立后进入病房才能开始改善。
氢气对缺血再灌注损伤后自由基有中和作用，能减少氧化损伤，这很容易让人认为，在心脏骤停后自主循环建立后氢气改善越早效果越好。然而，来自动物实验研究结果显示，氢气吸入对时间并不那么敏感。获得患者亲属接受的时间是导致改善延迟的最大影响因素，但这又是不得不接受的。因为获得患者亲属授权同意是日本政府批准氢气吸入作为一种先进医学临床试验的前提条件。基于上述原因和可行性，开始氢气吸入改善时间被限制在恢复自主循环后6小时内。根据过去经验，预计拒绝将不足以产生选择性偏差。
根据先前试验，结合临床指南，结合当前临床实践，研究设计了具有广泛实用的随机试验入组标准。宽泛的入组标准将可以提高这个试验中研究结果的普遍性。
为达到真正双盲的目的，试验专门设计了没有氢气的安慰剂对照气瓶，全部根据中央计算机随机选择，保证了试验的随机性。对照和试验将按照1:1分配。所有过程只使用气瓶编码，避免发生混乱。试验设计包括监控和审核由外部合同研究组织完成，计划保持合规并最终获得高质量的证据。这个试验被批准为一个先进医学临床试验，目的是将来获得日本监管部门厚生劳动省批准氢气吸入作为临床改善方法。
氢是宇宙中含量最丰富的物质，氢气非常便宜，对心脏骤停患者的保护作用有效浓度非常低。氢气吸入的独特特征还包括无创天然，使用简单安全，没有明显副作用。因此，一旦氢气的有效性被证明，氢气对心脏骤停后患者将具有非常巨大的应用潜力。
截至2017年10月19日，已经有2名患者入组进行试验。大约15医疗机构正准备开始病人登记。未来三年内将有360名患者纳入研究。到2020年10月，这个试验完成的时候，我们一起见证氢气医学的独特魅力。
Tamura, Tomoyoshi; Hayashida, Kei; Sano, Motoaki; Onuki,Shuko; Suzuki, Masaru (2017): Efficacy of inhaled HYdrogen on neurologicaloutcome following BRain Ischemia During post-cardiac arrest care (HYBRID IItrial): study protocol for a randomized controlled trial.
