揭秘世纪谜题：氢气能治病的根本原因

【背景介绍】早在1789年，法国著名化学家拉瓦锡探索了氢气的生物学效应，他让健康豚鼠呼吸氢/氧/氮混合气8个小时，未发现氢气给机体带来任何不利影响。1940年代开始，潜水医学家将氢气掺入潜水气瓶中，有效避免了氮气对潜水员的不良麻醉效应。1975年，马尔科姆·多尔等美国科学家将肿瘤鼠置于8个大气压的氢氧混合气中饲养2周，小鼠鳞状细胞癌得到显著消退。2007年，太田成男等日本科学家发现氢气能选择性清除细胞内高氧化性的毒性羟基自由基（∙OH），但越来越多的研究表明氢气与∙OH直接反应的效率很低。近年来，氢分子被证实在众多氧化应激和炎症相关疾病中，具有明显的生物学效应，展现出广谱、安全和有效的抗炎/抗癌/抗衰老特性。而且氢气拥有超高的组织穿透性，能够克服常规药物所无法克服的生理屏障（如血脑屏障），成为一种具有广阔应用前景的治疗性气体分子。随之关于氢分子生物学机制的各种假设被提出，但困扰科学家两个多世纪的氢分子生物学作用靶点至今仍然是个难解之谜，这极大地阻碍了人们对氢气治病原理的认识。

【重大发现】针对这个世纪大难题，上海交通大学氢科学中心丁文江院士团队的何前军教授首次发现：铁卟啉是氢分子的生物学作用靶点，是一种氢分子生物传感器和催化剂。实验结果表明：游离态和蛋白限域态的铁卟啉通过催化加氢的方式，选择性中和高毒性羟基自由基∙OH（如下图所示），从而介导氢分子抗氧化、抗炎和抗衰老。在乏氧微环境中（如肿瘤乏氧区），铁卟啉通过催化加氢的方式，将CO₂还原为CO，然后原位介导CO信号通路（如下图所示），最终实现抗癌和免疫调节等治疗作用。

【科学意义和学术价值】氢分子生物学作用靶点的发现揭示了氢气能治疗众多疾病的根本原因，有助于人们进一步深入理解和探索氢分子的生物医学效应，为个性化定制氢分子递送系统提供了理论指导，为氢能源、氢医学、氢农业中的共性瓶颈难题（高效氢存储、精准/安全氢递送、个性化氢转化和高效氢利用）提供了新的解决思路。基于铁卟啉主要大量蓄积于线粒体和红血细胞，该发现很好地解释了氢气的线粒体调节效应和全身炎症调节效应。该发现证实了CO是氢分子的下游信号分子，很好地解释了依赖于病灶微环境的各种特征迥异的氢生物学效应。

【论文信息】

Zhaokui Jin, Penghe Zhao, Wanjun Gong, Wenjiang Ding, Qianjun He*, Fe-porphyrin: a redox-related biosensor of hydrogen molecule, Nano Research, 2022, DOI: 10.1007/s12274-022-4860-y.

论文链接：https://www.sciopen.com/article/pdf/10.1007/s12274-022-4860-y.pdf

https://doi.org/10.1007/s12274-022-4860-y

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