作为宇宙中分子量最小的一种物质，氢气能够比较容易地穿过细胞的膜结构，如细胞膜、线粒体膜和核膜，从而发挥生物学作用。目前的细胞、动物和临床试验均已证明，氢气对心血管系统疾病、呼吸系统疾病、神经系统疾病、代谢性疾病、肿瘤性疾病具有治疗作用。关于氢气发挥生物学作用的机制，比较经典的理论是氢气选择性清除自由基。但这一理论存在一定的局限性，目前关于氢气作用机制的研究仍在不断的探索当中。
1氢气的生物学作用
1.1心血管系统疾病
氢气干预对经皮冠状动脉介入术(PCI)及体外循环的影响近来较为学者所关注。Katsumata等将行PCI治疗的20名ST段抬高性心肌梗死患者分为两组，治疗组在PCI期间吸入1.3%氢气和26%氧气的混合气体，对照组只吸入26%氧气，术后6个月，治疗组左心室重构显著改善，左室射血容量指数和左室射血分数明显高于对照组。俄罗斯学者的临床试验证明，氢分子可以作为一种有效和安全的抗氧化剂用于心脏手术。
1.2 呼吸系统疾病
氢气干预对新冠肺炎的影响成为研究的焦点之一。Guan等在7个医院的多中心临床试验中 46名经实验室确认的新型冠状病毒患者为对照组，只接受标准治疗；实验组44名患者除了标准治疗外，每日吸入66%氢气和33%氧气的混合气，直到解除隔离。结果表明，实验组呼吸困难指数、咳嗽指数、胸闷、胸痛均改善程度均优于对照组，尤其重要的是，实验组静息血氧饱和度得到了显著提高。脓毒血症是临床危急重症之一。Qian等研究结果表明，早期应用氢气可以通过启动体内的氧化应激调控系统，快速激活硫氧还蛋白1,抑制下游炎症信号的传导和凝血因子皿的表达，从而发挥器官保护作用，显著抑制脂多糖诱发的小鼠脓毒症肺损伤并降低死亡率。
1.3神经系统疾病
帕金森病是神经系统的常见疾病。近来的研究表明，氢气对帕金森病无明显治疗效果;在另一个随机、双盲、多中心的临床实验中 Yoritaka等发现 178位患者饮用氢气水72周后，标准帕金森病相关指数并无显著改善,这与其本人2013年进行过的类似临床实验结果不一致。其原因是否和帕金森病的分期、氢气水的含氢量以及吸氢的持续时间有关，需要进一步探讨。
1.4代谢性疾病
氢气对糖尿病的治疗作用也成为近年的研究热点。LeBaron等发现，饮用富氢水24周后，治疗组患者的血清胆固醇、血糖、糖化血红蛋白与安慰剂组比较均有显著下降，炎症和氧化-还原指标明显改善聞。此外,Jiao等观察到富含氢气的盐水能够减轻糖尿病导致的外周神经症状，因为应用线粒体ATP钾通道抑制剂减弱了神经症状的改善，氢气的作用机制可能是激活了线粒体的ATP钾通道。除了糖尿病，脂类代谢紊乱也是常见病和多发病。Boyan 等 研究了 对高脂 小 的影响，结果表明，实验组小鼠肝脏和血清中过氧化磷脂(OxPLs)标记物显著降低，血清HDL的蛋白组分也发生了变化(13种蛋白增加 4种蛋白降低)，增强HDL的抗氧化能力；另外，氢气对HDL相关酶类Lp-PLA2,PON-1和LCAT活性或者表达的影响可能也对降低OxPLs具有一定的作用。Kajiyama等的研究中表明，饮用富氢水8周明显降低了患者血清中修饰的低密度脂蛋白胆固醇、氧化型低密度脂蛋白比例和脂肪酸，提高了患者血清的脂联素和超氧化物歧化酶(SOD)。
1.5肿瘤
近来关于氢气对肿瘤作用的研究主要集中在氢气对肺癌和机体免疫监视的影响等方面。Chen等对成年非小细胞肺癌患者的临床试验中，其中20例拒绝药物治疗的患者被随机分为氢气组和对照组，另38例患者根据基因突变和药物敏感性分为化学治疗+氢气组(10例)，靶向治疗+氢气组（18例）和免疫治疗+氢气组 10例），16个月后，氢气组呼吸系统症状改善和无进展生存明显好于对照组;38例氢气联合用药的患者，与吸入氢气前比较, 其药物的副作用明显减轻甚至消失。JinghongMeng等动物研究发现，氢气干预抑制了肺癌细胞A549和H1975细胞株的生长、浸润和转移，氢气可能通过下调CD47的表达增强了对癌细胞的免疫吞噬。也有研究证明 PI3K/AKT信号转导通路是
氢气抗肿瘤作用的靶点。
2氢气抗氧化作用的机制
氢气的抗氧化作用是目前公认的关于氢气预防和治疗各种疾病的机制。但是，关于氢气抗氧化作用的具体途径，目前尚有不同的观点。
2. 1直接清除自由基途径
这是目前处于主导地位的观点，首先由日本学者ohsawa在2007年提出，认为氢气直接清除两种自由基，即径基自由基（-OH）和过氧亚硝基阴离子 ONOOJ。但是，随着氢气生物学作用机制研究的深入，有学者认为，氢气与· OH的反应非常缓慢，以至于不足以发挥生理作用，而且氢气与ONOO-不能发挥作用［⑷。Boyan等的研究也认为，氢气在体、内外并没有发挥直接清除自由基的作用。马雪梅等重复了 ohsawa的实验，发现氢气或者对· OH没有影响，或者可能是通过影响溶液中氧气的浓度而非直接清除。
2.2激活抗氧化酶途径
已经知道，体内存在清除自由基的酶系统，包括SOD、过氧化氢酶、髓过氧化物酶等，而这些酶的表达又受到核因子相关因子（Nrf2）的调控。以往的研究发现，氢分子能够上调Nrf2的表达与活性，从而间接上调抗氧化酶系统的活性。因此，氢气的抗氧化作用可能循着Nrf2-抗氧化酶-清除自由基这一路径进行。基于这样一个思路，Murakami等人提出，氢气对Nrf2的上调作用与选择性清除氧自由基无关，而可能是氢气激活线粒体活性的结果，当过度的线粒体活性引起氧化应激时，则间接诱导Nrf2向细胞核转移。Ohta则认为，氢气也有可能通过抑制活化T细胞核因子激活 Nrf2。
2. 3其他抗氧化途径
马雪梅团队通过研究氢气对胆碱酯酶（AChE）、HRP活性的影响，提出氢气与生物大分子直接相互作用，通过改变酶活性中心附近微环境中氢键网络的状态增强AChE和HRP活性的理论，认为氢气更有可能通过调控线粒体的功能减少自由基的产生，而不是清除已经产生的自由基。
综上所述，关于近来氢气在防治心血管系统、呼吸系统、神经系统、代谢性和肿瘤性疾病的研究表明，氢气干预有可能成为临床治疗上述疾病的有效措施。但是，因为某些实验的结果尚不一致，临床实验的规模尚有待提高，氢气发挥生物学作用的机制尚有待明确等原因，氢气在医学领域应用方面还需更加深入的研究。
