氢气（H?）的递送在精准免疫调节方面的潜力日益受到认可，其主要通过抗氧化作用、调节炎症因子、抑制细胞凋亡等多种途径发挥作用。这些作用有助于维持免疫系统的平衡与功能，凸显了H?在多种炎症性疾病中的治疗前景。然而，目前仍存在两个关键问题尚未解决：H?免疫调节作用的潜在机制尚不明确，且缺乏精准的检测方法来阐明体内剂量 - 疗效关系。由于以往的综述侧重于开发用于H?递送的纳米材料，往往忽视了对免疫调节机制的分析，也未能更新检测方法。为填补这些空白，本综述探讨了H?的免疫调节机制、最新检测方法以及先进H?递送系统的分类与应用，旨在加深对利用其特性进行精准免疫调节策略的理解。

Li G, Cui H, Fan R, Liu G, Hou Z, Zhang Y, Che X, Wang T, Wei H, Li P. Delivery of Molecular Hydrogen for Precision Immunomodulation: Mechanisms, Detection Methods, and Applications. Adv Sci (Weinh). 2025 Jul 6:e00283. doi: 10.1002/advs.202500283. Epub ahead of print. PMID: 40619605.

1 引言

氢是自然界中最简单且分布最广泛的元素，也是人体中含量最丰富的元素之一[1]。近年来的研究日益表明，氢（H?）作为一种新型气态信号分子，具有显著的免疫调节作用，包括抗凋亡、和选择性抗氧化反应[2,3]。与一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H?S）等其他“明星”气态信号分子相比[4-7]，H?即使在高浓度下也无细胞毒性，且具有优异的生物安全性，使其成为吸引力的治疗应用候选者，尤其在免疫反应调节方面[8,9]。H?的治疗潜力最早在1975年被注意到，当时Dole等人报道高压H?通过其抗氧化特性抑制小鼠皮肤肿瘤的生长[10]。然而，由于高压H?存在潜在安全隐患，加之技术不够发达，这一初步发现并未受到广泛关注。1996年，David Jones提出H?可以中和炎症细胞攻击病原体时产生的羟基自由基（·OH），且不会对人体造成毒性[11]。尽管这一假设最初只是推测，但在2007年得到了证实，研究表明H?能选择性清除有害自由基，从而减轻炎症和缺血再灌注损伤[12]。在这些早期研究结果的基础上，更多近期研究强调了H?在治疗多种免疫相关疾病方面的潜力，包括关节炎、慢性伤口、心血管疾病、结肠炎症和肝炎等[13]。

尽管关于H?的免疫调节潜力已有令人鼓舞的发现，但由于给药方面的挑战，其有效的临床应用仍然有限。目前的方法包括直接吸入H?、饮用富氢水以及注射H?饱和盐水[14,15]。此外，氢水浴、凝胶和贴片已被探索用于皮肤炎症等局部病症[16]。然而，这些方法存在诸如H?负载量低、难以实现向深部组织病变的可控递送以及无法长期维持治疗浓度等局限性[17]。纳米技术通过利用纳米材料开发精准且靶向的H?递送系统，彻底改变了H?递送领域[18]。自2017年以来，封装H?生成催化剂的光子驱动纳米反应器已被用于局部提高H?浓度，降低炎症诱导的爪水肿小鼠体内的活性氧（ROS）水平和促炎因子[19]。H?递送纳米材料的不断发展，使得精确控制H?的浓度、作用时间和作用部位成为可能。这确保了靶部位的持续治疗水平，最大限度地减少了脱靶效应，并提高了H?递送在免疫调节中的整体疗效。

尽管已取得重大进展，但H?调节免疫反应的潜在机制仍未完全明确。此外，由于H?分子体积小、极性低且组织穿透能力强，它可以快速穿过大多数药物无法透过的血脑屏障等屏障[20,21]。因此，体内H?的检测对于了解其生物学效应、体内转运、靶向行为以及剂量与疗效的关系至关重要[22]。然而，现有综述主要侧重于H?递送材料的开发，往往忽视了对免疫调节机制的分析，也未能更新检测方法。为填补这些空白，本综述旨在探讨H?的免疫调节机制、检测方法的最新进展以及先进H?递送系统的分类与应用，以加深对基于H?递送的精准免疫调节策略的理解（图1）。

图1 用于免疫调节的H?递送示意图

2 H?的免疫调节机制

炎症与氧化应激密切相关，氧化应激对免疫反应有显著影响[23]。一方面，炎症可引发细胞衰老并释放活性氧（ROS），过量的ROS会导致体内氧化应激[24,25]。另一方面，ROS通过上调核因子κB（NF - κB）信号通路促进肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）等促炎因子的合成[26]。这些促炎因子激活三磷酸核苷酸（NADPH）氧化酶的表达，从而促进NADPH合成ROS，进一步加剧体内的炎症反应[27,28]。研究表明，H?在减轻氧化应激和调节免疫反应中发挥关键作用[29]。2007年，Ohsawa等人发现H?可以选择性清除细胞中的·OH和过氧亚硝酸盐（ONOO?）等强氧化剂，减轻对蛋白质、DNA等的氧化损伤，且不影响其他生物活性ROS[12]。此后，许多研究都聚焦于H?的免疫调节机制[30]。然而，由于H?的水溶性低（1.6 ppm）且活化能高，H?与·OH和ONOO?的直接反应效率较低[22]。因此，研究人员推测体内存在催化H?相关反应的酶。2022年，何 Qianjun 设计了游离和蛋白质限制的铁卟啉，通过催化氢化选择性中和剧毒的·OH，从而介导H?的抗氧化、和抗衰老作用。在缺氧微环境（如肿瘤缺氧区域）中，铁卟啉通过催化氢化将CO?还原为CO，进而原位介导CO信号通路，最终实现和免疫调节等治疗效果[31]。这项研究提出并证实了铁卟啉作为H?的生物靶点，同时阐明了其对线粒体的调节作用以及对免疫调节的系统影响。

H?通过相关信号转导通路调节炎症基因的表达。大量研究表明，H?可通过减少TNF - α、白细胞介素 - 1β（IL - 1β）、白细胞介素 - 6（IL - 6）、干扰素 - γ（INF - γ）、细胞间黏附分子 - 1（ICAM - 1）和高迁移率族蛋白1（HMGB - 1）等促炎因子的释放，同时上调细胞因子白细胞介素 - 10（IL - 10）来减轻炎症[13,19,32,33]。此外，有研究表明H?可通过激活Nrf2/HO - 1信号通路减轻脓毒症中的过度炎症反应并减少内皮损伤[34]。Cardinal等人进一步报道，H?通过抑制丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路抑制促炎因子的产生，从而减轻肾移植的炎症反应[35]。除了经典的炎症模型外，近期研究表明H?在神经退行性疾病背景下可调节免疫微环境。例如，He等人的研究显示，在斑马鱼阿尔茨海默病模型中，富氢水显著减轻氧化应激，减少神经炎症细胞因子（如TNF - α、IL - 6、IL - 1β），并恢复肠道菌群组成，从而凸显了H?在肠 - 脑轴中的免疫调节作用[36,37]。

同时，H?对自噬的调节具有情境依赖性，H?促进或抑制自噬取决于组织类型、疾病状态和信号通路激活等因素。在心肌细胞肥大模型中，H?抑制过度自噬以防止病理性重塑[38]。同样，在脂多糖诱导的急性肺损伤中，H?饱和盐水通过ROS/AMPK/mTOR信号通路抑制过度激活的自噬，减轻组织损伤[39]。相反，在肺癌细胞中，H?通过抑制STAT3/Bcl2信号增强凋亡和自噬，有趣的是，抑制自噬进一步放大了H?的促凋亡作用[40]。此外，越来越多的证据表明，H?通过显著降低Bax、caspase 3和caspase 9等凋亡相关蛋白的表达，在正常组织中发挥抗凋亡作用[41]。然而，H?调节这些蛋白表达的确切信号通路仍不清楚。此外，H?是否通过影响线粒体结构和功能来干扰凋亡过程也仍不确定。

尽管取得了这些显著进展，但关于H?介导的免疫调节的分子机制仍存在几个关键问题。例如，除了已知的对氧化应激和凋亡相关蛋白的影响外，H?是否还有其他分子靶点，以及NO或H?S等其他气态信号分子是否能通过催化或信号通路发挥类似的下游效应，目前仍不清楚。此外，需要实验证据来阐明H?是否能干扰涉及铁/锰/锌卟啉的类芬顿反应，从而阻止免疫相关疾病的进展[31]。另外，尽管已知四种气态信号分子（H?、NO、CO和H?S）均能调节免疫反应，但专门研究H?与其他NO和H?S之间相互作用的研究仍然非常有限。鉴于它们存在重叠的信号通路，如NF - κB和MAPK，协同和拮抗相互作用在生物学上都是合理的。例如，已表明NO和H?S可协调血管反应和血压调节，而初步研究表明H?和CO之间可能存在相互作用[42]。相比之下，H?与NO或H?S之间的直接相互作用在很大程度上仍未被探索。这些空白指出了未来研究的重要方向，以便更好地理解气态信号分子如何调节免疫系统。未来的研究需要阐明这些机制的相对贡献，并更好地理解H?介导其免疫调节作用的分子途径。