氢气与创伤: 多项诱人的新发现

北京工业大学氢分子生物医学团队

    北京工业大学关于创伤研究的论文预印本上线，先简单介绍核心发现，待论文正式发表再详细解读。

    论文第一作者为团队青年教师赵鹏翔博士。这篇文章的核心结果在几年前就完成了，中间涉及到多项专利申请等事情一直在完善中，非常不易。研究涉及实验图片数千张，精选数百张于文中（点击文尾左侧 “阅读原文” 查阅）。

一、与其它研究的主要区别

    一是，之前的研究主要基于氢（气的选择性抗氧化、抗炎症作用，但是我们发现，氢气促进伤口愈合最重要的原因不是抗自由基，而是基于自体干细胞和胶原蛋白引发一种新的伤口湿性愈合方式。

    二是，氢气与胶原蛋白的研究有少量报道，但研究都比较简单。本文在伤口愈合的时空层面第一次全面评估了氢气对不同类型细胞产生不同种类胶原蛋白的影响。

    三是，氢气与干细胞的研究到目前仅有两篇报道，研究了氢气延长骨髓干细胞寿命和通过抗氧化保护造血干细胞辐射损伤。在伤口愈合中干细胞是非常重要的，本文是第一篇研究报道，也是第一篇系统研究了在伤口愈合过程中氢气促进多种干细胞激活和分化的时空特点的文章。

    四是，之前的伤口模型主要采用小鼠模型，但是伤口不固定，由于鼠的皮肤与人类有差别，伸缩性大，伤口上皮化阶段往往很难准确表征（图A）。我们的研究采用固定伤口周边皮肤的方式，可以更准确地评估愈合过程（图B）。

一、核心发现

1.  氢气促进伤口愈合，引发新的愈合方式

    一是，氢气组伤口愈合速度和愈合质量大幅度提高，且有剂量效应，伤口结痂很少。

    二是，与其他研究类似，本研究发现氢气可以抗炎症，减少组织损伤。

    三是，以抗氧化剂 NAC 作为对照，发现抗氧化剂对愈合的作用与对照组类似，低于氢气组。

    四是，以33%氧气作为对照，发现增加氧气浓度对愈合的作用与对照组类似，低于氢气组。

    五是，前三天用氢气对最终伤口愈合速率的作用结果类似对照组，远逊于持续用氢十天以上的组，而前三天是急性炎症期。

    以上几点提示，氢气是促进伤口愈合的主要因素，抗氧化可能并非氢气促进伤口愈合的核心，需要寻找抗氧化之外的其他原因。

2.  氢气促进多种胶原蛋白分泌：年轻的标志

    氢气促进胶原蛋白产生之前有几篇报道，但多是用masson染色看看总胶原蛋白等，比较简单粗略。

    在创伤的研究中，我们发现在氢气治疗后皮肤不同区域有多种胶原蛋白大量产生，特别是近端伤口中大量存在Ⅲ型胶原蛋白沉积，表明皮肤可能恢复年轻状态，导致更快的上皮化，这类似于胎儿期的无疤痕伤口愈合模式。

扩展：为什么婴儿的皮肤特别细嫩柔软，摸起来犹如丝绸一样顺滑？

    人体被发现的28种胶原蛋白中，支撑起我们饱满紧致皮肤的主要是Ⅰ型胶原蛋白和Ⅲ型胶原蛋白。Ⅰ型胶原蛋白粗大，决定着皮肤轮廓和硬度；Ⅲ型胶原蛋白是细密纤维状，决定皮肤的弹性和柔软。Ⅰ型胶原蛋白可合成再生，Ⅲ型胶原蛋白不可再生。不可再生的Ⅲ型胶原蛋白在婴儿时期含量高达80%，也正因如此，Ⅲ型胶原蛋白又被称为“婴儿胶原”，它是维持皮肤弹性的重要蛋白质，也是肌肤年轻健康的关键。20岁后III型胶原蛋白每年1%高速流失，40岁后仅剩18岁的一半。

3.  氢气促进天然的湿性愈合，疤痕少了

    常规愈合会形成血痂，细胞从血痂下边长会留下疤痕。氢气可以促进天然的湿性愈合，由自己的细胞产生胶原蛋白把伤口的”坑“填上，细胞“爬”过去就方便了，相当于在打好的地基上铺沥青，一条平整的“路”就会铺的又快又好。

4. 氢气促进自体干细胞活化：多少人的梦想

    干细胞的重要性已经不需要多说了。目前，关于氢气和干细胞关系的研究有两项，一篇是体外细胞实验，发现氢气延长了骨髓干细胞的寿命[1]，另一篇动物实验发现氢气可以通过抗自由基保护造血干细胞免受辐射损伤[2]。

    在伤口愈合中干细胞的作用毋庸置疑，但氢气是否对干细胞有作用还没有人研究。我们发现氢气可以促进表皮干细胞和毛囊干细胞的激活和分化，并且具有时空特点。这个领域无疑将成为氢气生物学又一个热点方向。

5. 你还会认为氢气只是简单的选择性抗氧化剂吗？

    下边的录像是用活细胞成像拍摄的细胞加入氢气后的运动活性，“氢细胞”明显活力更强。

   

    右侧的柱形图比较的是24小时氢气组和对照组细胞运动的距离。

    从干细胞激活到胶原蛋白分泌，特别是细胞活性的促进，氢气对不同种类的细胞展示了不同的强大的影响，你还会认为氢气仅仅是与自由基发生化学反应这么简单吗？！

    我们认为，氢气具有抗氧化、抗炎症作用，但是氢气在体内的生物学功能是否是由于其与毒性自由基直接反应发挥抗氧化作用（即选择性抗氧化假说）仍然缺乏直接的实验证据。

    北京工业大学氢生物医学团队近期发布系列研究，认为氢气的作用远不止于抗氧化、抗炎症，氢气发挥功能可能是多靶点且主要基于酶学反应的过程[3]，高等生物可能具有基于氢化酶的氢代谢特别是线粒体的氢代谢功能 ，细胞膜上可能具有代谢氢气的酶活性[4,5,6]，离子通道等也受到氢气的调节[6,7]，肠道微生物菌群的变化也是氢气发挥功能的重要方面[8]。

    我们的研究显示，氢气的作用可能发生在非常基础的生物学过程层面，这需要未来进一步深入去探索。

Zhao P., et al., Molecular hydrogen promotes wound healing by inducing early extracellular matrix deposition and epidermal stem cell proliferation.  

https:///10.21203/rs.3.rs-1822552/v1

论文全文有数百美图

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参考文献

1. Kawasaki H, et al., Hydrogen gas treatment prolongs replicative lifespan of bone marrow multipotential stromal cells in vitro while preserving differentiation and paracrine potentials. BBRC 2010.（骨髓干细胞）

2. Zhang J, et al., Hydrogen-rich water ameliorates total body irradiation-induced hematopoietic stem cell injury by reducing hydroxyl radical. Oxid Med Cell Longey 2017.（干细胞辐射损伤）

近期北京工业大学团队部分“氢机理”相关研究:

3. 马雪梅等. 氢气生物学作用的生物酶基础[J]. 生物技术进展 2020 （综述）

4. Zhang X, et al., Mitochondria in higher plants possess H2 evolving activity which is closely related to complex I. arXiv preprint arXiv:200102132 2020.  （线粒体）

5. Adzavon YM, et al.,  Long-term and daily use of molecular hydrogen induces reprogramming of liver metabolism in rats by modulating NADP/NADPH redox pathways. Scientific Reports. 2022（代谢）

6. Zhang X., et al., Hydrogen Evolution and Absorption Phenomena in the Plasma Membrane of Vigna radiata and Capsicum annuum. J Plant Growth Regul 2022. （细胞膜，氢化酶，H+，Na+， K+）

7. 张晓康等. 氢气影响大鼠神经兴奋传导的研究[J]. 生物技术进展, 2020 （脑片膜片钳研究膜电位，Na+，K+）

8. Xie F., et al., Different effects of hydrogen-rich water intake and hydrogen gas inhalation on gut microbiome and plasma metabolites of rats in health status. Scientific Reports. 2022（肠道微生物）