氣體信號分子，包括一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）和硫化氫（H2S），已被證實具有癌症治療的潛力，為癌症治療指明了新的方向。近年來，一系列研究已確認氫氣（H2）這種弱還原性氣體對各種癌症也有治療效果，並可減緩放射治療和化學治療引起的氧化應激，減少組織損傷和免疫抑制，從而改善預後。
同時，H2還具有免疫調節效應，抑制T細胞的疲憊，增強T細胞的抗腫瘤功能。值得注意的是，人類腸道菌群每天可產生大量H2，成為維持身體對抗腫瘤等疾病的天然屏障。雖然H2的潛在抗腫瘤機制尚待進一步研究，但既往研究顯示，H2可選擇性清除高毒性的活性氧物種（ROS），並抑制癌細胞中各種ROS依賴的信號通路，從而抑制癌細胞增殖和轉移。H2清除ROS的能力可能也是其免疫調節功能的潛在機制。本文將回顧腸道菌群產生的H2對身體免疫平衡的重要性，H2在癌症治療中的作用及其潛在機制，以及H2的具體應用，為癌症患者的綜合治療提供新的思路。
根據最近的世界衛生組織（WHO）統計數據（Sung等人，2021年；Wen等人，2021年；Siegel等人，2020年），癌症在全球183個國家中的112個國家是導致死亡的第一或第二大原因，對人類健康構成了嚴重威脅，而且整體而言，全球癌症的發病率和死亡率將繼續增加（Wen等人，2021年）。目前，手術仍然是治療實體瘤的主要方法，通常結合放射治療和化學治療，包括各種細胞毒性藥物、酪氨酸激酶抑制劑，以及免疫療法，如免疫檢查點抑制劑，例如抗程序性細胞死亡1（PD-1）、抗程序性細胞死亡配體1（PD-L1）和抗細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4（CTLA-4）抗體（Xu等人，2018年）。然而，這些方法在癌症治療中往往未能取得令人滿意的臨床結果（Vasan等人，2019年）。
氣體信號分子是一類能夠透過調節信號轉導影響細胞生物學的小分子氣體，例如一氧化氮（NO）（Tien Vo等人，2021年）、一氧化碳（CO）（Oliveira等人，2018年）和硫化氫（H2S）（Flannigan和Wallace，2015年）。研究已證實，多種氣體信號分子具有抗腫瘤特性，可直接應用或作為特定代理產品用於抗腫瘤治療。
最近的研究證實了氫氣（H2）是另一種展現出在癌症治療中有趣潛力的氣體信號分子（Wu等人，2019年；Li等人，2019年）。自1975年Dole等人（1975年）發現高濃度的H2可以治癒植入小鼠皮膚的鱗狀細胞癌以來，許多實驗室和臨床研究已證實H2對各種癌症都具有療效（Wu等人，2019年；Li等人，2019年；Hirano等人，2021a年）。此外，H2還能夠有效地與放射治療和細胞毒性藥物等抗腫瘤療法協同作用（Runtuwene等人，2015年；Meng等人，2015年；Hirano等人，2021b年），減少對身體的損害（Yang等人，2012年），並改善患者的預後。
在2007年的一項具有里程碑意義的研究中（Ohsawa等人，2007年），Oshawa等人發現H2能夠選擇性地中和高毒性的活性氧物種（ROS）（羥自由基，·OH，和過氧亞硝酸鹽，ONOO-），而不影響其他生理ROS。H2清除ROS的能力可能是其抗腫瘤活性的一個關鍵潛在機制。然而，由於缺乏其他氣體信號分子所具有的特定信號接受器，H2在腫瘤治療中的潛在機制存在爭議。在本綜述中，我們首先討論了腸道菌群代謝H2在生理條件下對人體內部環境的穩態的重要性。然後，我們探討了H2通過其獨特的抗氧化能力對抗腫瘤的機制，以全面介紹氫在腫瘤治療中的作用機制。最後，我們討論了不同H2應用模式的具體作用，並探討了氫在臨床腫瘤治療中的應用前景。
在正常的生理條件下，成年人的腸道菌群每天可以產生大量的氫氣（Mego等人，2017年；Carbonero等人，2012年），這些氫氣可以調節腸道菌群及其代謝物的平衡，對人體免疫穩態至關重要。這表明氫氣是身體的天然抗腫瘤屏障，並為其臨床應用提供了新的策略。
腸道氫氣代謝
腸道產氫菌主要利用各種難以消化的碳水化合物作為厭氧氧化能量產生的基質，包括澱粉、纖維素和一些糖類（Jiang等人，2020年）。這個過程可以產生大量的氫氣，它被迅速吸收和利用於產氫菌中。氫氣作為電子輸送體參與這一系列反應，是腸道菌群生存和增殖的重要能量物質（Carbonero等人，2012年；Greening等人，2016年）。沒有被菌群利用的大部分氫氣會通過呼吸和肛門排泄，剩餘的部分則可以進入循環系統或穿透腸道腔和腹膜進入腹腔（Nishimura等人，2013年）。
產氫菌主要包括具有還原性的醋酸產生菌、硫酸還原菌（SRB）和甲烷生成菌，分別將氫氣氧化成醋酸、硫化氫和甲烷（Carbonero等人，2012年）。腸道中的氫氣濃度不僅被 passively 受到這些菌群平衡的影響，還通過氫氣的分壓（pH2）控制產氫菌和消氫菌群的平衡（Carbonero等人，2012年）。例如，一項研究發現（Ge等人，2022年），富含氫的水（HRW）補充顯著抑制了機會性致病性大腸桿菌的擴散，並通過調節腸道菌群的氫氣代謝增強了患有結腸炎的小鼠的腸道完整性。
研究已證實，腸道菌群失調可能影響全身多個器官的癌症發生和發展，包括結直腸癌（Song等人，2020年；Helmink等人，2019年）。儘管產氫菌和消氫菌涵蓋了大部分腸道菌群，但其中所含菌群的具體形態和代謝方式差異很大，且缺乏適當的分類學，因此直接研究腸道氫氣代謝與癌症之間的關係的文章很少。一些研究調查了氫化酶的基因組和元基因組分佈，這是催化氫氣氧化和釋放的可逆酶，以更深入地了解氫氣代謝對腸道生態系統的貢獻（Greening等人，2016年；Peters等人，2015年；Suzuki等人，2018年）。根據結合金屬輔因子，Greening等人鑒定了4組（22個亞組）[NiFe] 氫化酶、3組（6個異構體）[FeFe] 氫化酶和一小組[Fe] 氫化酶（Greening等人，2016年）。這種氫化酶的多樣性支持了腸道菌群的關鍵代謝途徑，如基於氫氣的呼吸、發酵和碳固定過程，反映了氫氣代謝在維持微生物生長和存活中的重要性。到目前為止，作者指出，大多數相關研究僅聚焦於氫化酶的幾個分支和普遍微生物界的一小部分生物。
然而，很容易發現，腸道菌群產生的氫氣可以參與調節與癌症發生相關的各種菌群代謝物（Ge等人，2022年；Fan和Pedersen，2021年；Kalantar-Zadeh等人，2019年），例如氫氣可以清除活性氧物種並促進短鏈脂肪酸（SCFAs）的產生。例如，一項研究表明，將HRW口服給小鼠可以通過調節腸道菌群的組成促進盲腸內容物和循環中SCFAs的產生（Higashimura等人，2018年）。
相比之下，高硫酸鹽還原菌（SRB）和含硫蛋白質的飲食與結腸癌的發展有關（Nguyen等人，2020年；Lee等人，2022年），這可以通過產生硫化氫來破壞細胞色素氧化酶、抑制丁酸利用、阻礙黏液合成並通過DNA甲基化引起。此外，腸道菌群過量產生的硫化氫在腸道腫瘤的發生和發展中發揮著重要作用（Ngowi等人，2021年；Attene-Ramos等人，2010年；Dalal等人，2021年）。矛盾的是，各種含硫飲食長期以來都被證明具有抗腫瘤特性，如大蒜和十字花科蔬菜（Rose等人，2021年；Abbaoui等人，2018年）。我們認為部分原因是在這些不同的飲食環境中，SRB與其他氫代謝菌群在腔內的平衡。此外，SRB代謝的氫氣和硫化氫之間的平衡可能是潛在機制（見圖一）。
腸道菌群中的氫氣代謝調節著腸道健康
氫原產生氫氣在人類結腸發酵過程中，導致pH2迅速升高，限制了進一步的發酵。三組氫利用（H2利用）微生物能氧化氫氣，同時降低pH2，使發酵得以繼續進行。硫酸還原菌產生的硫化氫可以損傷腸道上皮，引發炎症和腫瘤發生，而氫氣則通過產生短鏈脂肪酸和清除活性氧物種來對抗硫化氫的惡性影響。SCFAs：短鏈脂肪酸；SRB：硫酸還原菌；pH2：氫氣分壓 表單的頂端 腸道菌群產生的氫氣能夠維持平衡。腸道中的氫氣代謝不僅對腸道健康至關重要，而且對多個器官的氧化還原平衡和免疫平衡至關重要（見圖二）。
腸道菌群產生的氫氣維護多系統健康和免疫平衡
腸道產生的氫氣可以穿透腹腔或血液，對全身多個器官發揮保護作用。另一方面，氫氣是腸道菌群產生短鏈脂肪酸的底物。它促進了短鏈脂肪酸的產生，這是腸道上皮細胞和免疫細胞的重要能量物質，維護腸道屏障的完整性和全身免疫系統的穩定性。COPD：慢性阻塞性肺疾病；ARDS：急性呼吸窘迫綜合症；SCFA：短鏈脂肪酸 研究表明，氫氣能夠維持腸道屏障的完整性，減少大鼠的腸道發炎和損傷（吳等人，2017年），並保護腦、肺、肝臟和其他器官的缺血再灌注（董等人，2018年；方等人，2018年；佐野等人，2018年；石川等人，2018年）。
氫氣對盆腔健康也至關重要，並保證器官功能（張等人，2021年）
在男性和女性器官中，如睾丸和卵巢，在導致功能障礙的損傷後，氫氣補充可以有效減少氧化壓力並促進器官功能的恢復。儘管許多研究集中在外源性氫氣補充上，但腸道中的氫氣產生與氫氣吸入和口服氫氣富含水同樣有效地提高了體內的氫氣水平。例如，果糖的給予可促進腹腔氫氣濃度增加11倍，並在血液系統中顯著增加氫氣（西村等人，2013年）。
短鏈脂肪酸是腸道上皮細胞和多種免疫細胞的重要能源（葉等人，2021年），也是腸肺軸和腸腦軸之間的通訊物質（Fulling等人，2019年），在全身維持免疫平衡。由腸道細菌產生的氫氣是短鏈脂肪酸合成的底物，並促進短鏈脂肪酸的合成。研究發現，氫氣富含水可以通過調節腸道菌群增加丙酸、丁酸和總短鏈脂肪酸，治療帕金森氏症等腦部疾病（Bordoni等人，2019年；Ostojic，2021年）。促進腸道中氫氣產生的飲食或藥物，如高纖維飲食和乳糖，也會促進短鏈脂肪酸的產生（陳和Vitetta，2018年；翟等人，2018年）。一項在小鼠中的研究建議，氫氣富含水可以通過調節特定與黏膜炎相關的菌群，加強腸道屏障，確保體內環境的穩定性（葛等人，2022年）。
氫氣的抗腫瘤效應及潛在機制
氫氣的抗腫瘤及協同抗腫瘤效應 始於Dole等人（1975年）的研究，高濃度的氫氣治愈了生長在小鼠皮膚上的鱗狀癌，幾項研究證實了氫氣的抗腫瘤效應。Wang等人（2018年）報告說，在細胞和小鼠中，氫氣抑制了肺癌細胞的增殖、轉移和侵襲，通過抑制染色體穩定蛋白3（SMC3）減少了肺癌體積。赤木和馬場（2019年）的臨床研究發現，每天吸入氫氣3小時顯著延長了IV期結腸和直腸癌患者的無進展生存期和總生存期。一項有關82例中晚期癌症治療的吸入氫氣的研究也證實了氫氣的抗腫瘤效應（陳等人，2020年）。
化療和放療仍然是癌症治療的主要策略。然而，這些治療方案會導致顯著的氧化壓力和炎症，對人體器官造成損害，而氫氣可以作為輔助方案來抑制這些不良作用，因為它具有細胞保護作用，如抗氧化和抗炎（Meng等人，2015年）。Runtuwene等人（2015年）給予含氫水給予靜脈注射5-氟尿嘧啶的大腸癌小鼠。他們發現含氫水通過顯著增加非癌細胞中p-AMPK、誘導凋亡因子（AIF）和半胱氨酸蛋白酶-3的表達來增強癌細胞的凋亡，並延長了帶癌動物的壽命。順鉑會在人體中引起ROS的積累，降低谷胱甘肽活性，引起氧化壓力增加，而氫氣則可以逆轉順鉑誘導的體內氧化壓力，恢復抗氧化酶活性（Kikkawa等人，2014年）。
此外，氫氣可以減輕順鉑的腎毒性，而不影響其抗腫瘤作用，並增強小鼠實驗中的動物存活率。給予含氫水（0.55-0.65 mM，每天1.5-2.0 L）給予接受放射治療的肝細胞癌患者口服，可以抑制患者的氧化壓力水平，改善其生活質量，而不影響放射治療的效果（Nakashima-Kamimura等人，2009年）。一些研究報告顯示，在放射治療期間給予吸入氫氣可以減少對血液和免疫系統的損害（Hirano等人，2021b年；楊等人，2012年），並緩解放射治療誘導的胸腺淋巴瘤的生長（趙等人，2011年）。
儘管一系列研究證實了氫氣的抗腫瘤效果，但深入了解其潛在機制對於進一步在臨床中應用氫氣是不可或缺的。氫氣具有廣泛的生理效應，包括抗氧化壓力、抗炎和調節細胞凋亡（Li等人，2019年）。此外，一些研究證實，氫氣通過間接調節基因表達具有抗腫瘤作用（Hirano等人，2021a年）。通過這些研究，我們相信氫氣選擇性清除高毒性ROS的能力可能是其抗腫瘤作用的核心和基本機制，因此本文主要聚焦於這一點進行討論。
氫氣通過抗氧化壓力的抗腫瘤活性
細胞內ROS主要來自於線粒體呼吸鏈的氧化磷酸化（OXPHOS）和細胞質中的NADPH氧化酶（NOX）調節的催化反應（Holmstrom和Finkel，2014年）。一方面，ROS極具氧化性，對生物分子（蛋白質、磷脂質和核酸）具有破壞性；另一方面，ROS是關鍵的細胞內信號分子，可以通過調節各種信號通路（如NF-κB和Akt/mTOR）影響細胞增殖和分化（Cheung和Vousden，2022年；Zhang等人，2016年）。在正常生理條件下，體內完整的抗氧化酶系統保持著精確的動態平衡，包括超氧化物歧化酶（SOD），它將 轉化為H2O2，然後谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）和過氧化氫酶（CAT）將H2O2轉化為水（Cheung和Vousden，2022年；Meng等人，2021年）。然而，人體缺乏專門清除·OH和ONOO–的系統，這兩種ROS具有極高的細胞毒性，對幾乎所有大分子（蛋白質、核酸、脂質）都具有破壞性，這可能導致DNA雙螺旋結構的破壞和鹼基配對損傷（Cheung和Vousden，2022年；Jena，2012年），從而導致癌變。
致癌基因的活化改變了粒線體功能（Ismail等人，2019年），缺氧共同促使癌細胞中ROS的產生增加。不幸的是，腫瘤細胞中的抗氧化酶系統通常無法對抗過度產生的ROS，導致腫瘤微環境中的ROS水平升高（Cheung和Vousden，2022年；Zhang等人，2016年；Liao等人，2019年；Hornsveld和Dansen，2016年）。事實上，癌細胞不僅能夠適應中度高ROS水平，還可以利用ROS來推動惡性表型。這是因為ROS可以增強NF-κB、Akt/mTOR、Wnt/β-連接蛋白途徑以及Ras、Bcr/Abl和c-Myc等致癌基因的表達（Cheung和Vousden，2022年；Liao等人，2019年；Hornsveld和Dansen，2016年；Wojtovich等人，2019年），從而維持腫瘤細胞的高強度代謝和增殖。此外，ROS依賴的信號途徑可以促進癌症的侵入和轉移（Cheung和Vousden，2022年；Liao等人，2019年）。然而，一些報告（Cheung和Vousden，2022年；Hornsveld和Dansen，2016年）表明，在癌症微環境中持續升高的ROS水平在達到一定水平後可能會限制進一步的癌症進展。因此，在癌症治療中的非選擇性抗氧化療法可能會導致進一步的癌症進展（Meng等人，2021年；Sayin等人，2014年；Chandel和Tuveson，2014年）。氫氣能夠選擇性地清除強氧化性ROS，而不影響其他ROS，使其成為理想的治療抗氧化劑。
一方面，氫氣可以通過清除細胞DNA受到的·OH和ONOO–的損害來防止癌症的發展；另一方面，氫氣可以從癌細胞中清除ROS並抑制多個ROS依賴的代謝信號途徑來抑制癌症的發展。研究證實，氫氣可以有效減少各種病理條件引起的氧化壓力，包括癌症，並促進氧化還原平衡的恢復（Adzavon等人，2022年；Shi等人，2016年；Kawai等人，2012年）。 氫氣還可以提高在調節癌細胞氧化還原平衡中發揮關鍵作用的一些抗氧化酶的表達（Li等人，2019年；Slezak等人，2021年），從而產生抗腫瘤作用。一些非癌症研究證實，氫氣治療能夠顯著增加細胞內SOD、GPx、CAT（Zhou等人，2019年）和血紅素氧化酶-1（HO-1）（Fang等人，2018年；Iketani等人，2017年）的表達，增強它們消除ROS的能力。
H2調節多種信號途徑的能力是其抗氧化作用的另一個重要機制，例如Nrf2/ARE和p38/MAPK（Fang等人，2018年；Slezak等人，2021年；Xie等人，2020年）。一系列隨後的研究發現，H2還通過激活Keap1-Nrf2-ARE和Nrf2-HO-1途徑（Slezak等人，2021年；Xie等人，2020年；Yu等人，2019年；Chen等人，2015年）來維持體內的氧化還原平衡，發揮免疫調節、抗炎和促進癌細胞凋亡等效應。Wang等人（2018年）發現，H2抑制了癌症小鼠肺組織中ROS的表達，並增加了SOD、IL-1β、IL-8、IL-13和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）的表達（見圖三）。
H2在抗氧化壓力中的機制。SOD：超氧化物歧化酶；CAT：過氧化氫酶；GPx：谷胱甘肽過氧化物酶；HO-1：血紅素氧化酶1；MPO：髓過氧化物酶；GSS：谷胱甘肽合成酶；MAPK：有丝分裂原活化蛋白激酶；JNK：c-Jun N末端激酶；Nrf2：核因子紅系2相關因子2；ARE：抗氧化應激反應元件；NF-κB：核因子κB；TNF-α：腫瘤壞死因子α；ICAM-1：細胞間黏附分子1；IFN-γ：干擾素γ；IL-1β：白介素β；IL-8：白介素8；IL-13：白介素13；HMGB-1：高運動能族盒蛋白1 。
H2的免疫保護功能
許多臨床試驗已確認了H2在調節癌症免疫中的作用。一項於2018年進行的臨床研究涉及55例第四期結腸癌患者，結果顯示H2吸入降低了患者外周血中CD8+T細胞上PD-1的表達，減少了CD8+T細胞的損耗，並改善了預後（Akagi和Baba，2019）。在一項臨床上進行的晚期小細胞肺癌研究中，連續吸入H2 2週可逆轉患者外周血中內在和適應性免疫系統的壓制，減少了耗竭的CD8+T細胞，並將功能性CD4+、CD8+T細胞和自然殺傷細胞比率恢復到正常水平（Chen等，2020）。雖然很少有研究探討其潛在機制，但選擇性清除有毒ROS並保護T細胞粒線體可能是H2免疫保護功能的核心機制。
在抗原呈味細胞抗原激活T細胞受體（TCR）後，下游信號轉導增強了粒線體代謝，ROS作為粒線體代謝的明顯副產物，是調節T細胞代謝重組的多個核心途徑中的重要分子（Franchina等，2018年；Franco等，2020年）。然而，如前所述，過度生長的癌細胞可能導致癌細胞微環境中的ROS升高，當T細胞被激活時，粒線體產生高ROS，加上T細胞由於缺氧等因素導致ROS增加（Scharping等，2021年），這使得浸潤腫瘤的淋巴細胞（TILs）在激活時面臨更高水平的ROS生理狀態（Franco等，2020年）。持續高水平的ROS破壞T細胞粒線體，抑制T細胞激活，並通過偏離T細胞代謝重組導致T細胞功能失調（Laura，2012年；Scharping等，2016年），並促進PD-1的表達以誘導凋亡（Najjar等，2019年）（見圖4）。另一方面，H2在各種疾病條件下對抗氧化壓力並通過調節NADH/NADPH途徑恢復了體內環境的氧化還原平衡，從而保護了T細胞的激活並防止了凋亡。此外，在這種情況下，與常規的抗腫瘤藥物相比，H2的高滲透性使其能夠輕鬆滲透到腫瘤內部，甚至進入TILs的粒線體結構。
H2通過選擇性清除腫瘤微環境中的ROS來發揮抗腫瘤活性。ROS可以通過損害DNA、導致基因突變以及調節各種關鍵的信號傳導途徑來引發腫瘤發生和轉移。腫瘤微環境中的ROS可以滲透到T細胞中，增加持續活化T細胞的氧壓負擔。T細胞中過多的ROS可以干擾粒線體能量代謝，損傷T細胞DNA，並促進PD-1的表達，導致T細胞功能障礙和凋亡。ROS：活性氧物種；EMT：上皮間質轉化；Teff：效應性T細胞；Tex：耗竭T細胞。NF-κB：核因子κB；MAPK：並發激活蛋白激酶；mTORC1：雷帕黴霉素靶標蛋白複合物1 。
H2在抗氧化应激中的作用機制。由於線粒體呼吸鏈是細胞中ROS生成的主要來源，局部高濃度的ROS可能導致線粒體DNA的突變和直接破壞線粒體動力學，最終導致線粒體代謝功能障礙（Deng et al. 2020）和T細胞凋亡（Scharping et al. 2021）。研究表明，腎細胞癌中的TILs含有高極化、碎裂的線粒體，產生大量ROS（Siska等，2017）。赤木等人在肺癌患者的臨床研究中發現（Akagi and Baba 2019, 2020），H2吸入可增強CD8+ T細胞的線粒體功能，並降低患者外周血中PD-1的表達，表明H2可能通過調節過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α（PGC-1α）發揮作用。莫等人（2019）提出，在體外H2可以進入線粒體中中和有毒ROS，減輕線粒體氧化應激損傷，保護Na+/Ka+ ATP泵，增強Bcl-2的表達，抑制電壓依賴性離子通道1（VDAC1）的表達和開啟，保護線粒體膜，還可以抑制半胱氨酸天冬酶9等凋亡因子的釋放。
H2在抗腫瘤活性中的應用
外源性H2給藥，外源性給藥H2的常規方式包括吸入、口服HRW、含H2的鹽水注射和外用，例如眼藥水和HRW浴。一些綜述文章比較了不同H2應用方法引起的不同器官中H2濃度增加速率及其治療效果，我們在此不逐一呈現。然而，我們不能簡單地將不同H2應用方法在疾病治療中的作用與循環和呼吸系統中的H2濃度相關聯，例如，HRW在調節腸道菌群和能量代謝方面的獨特作用。
一些研究表明，HRW可以調節腸道菌群，有助於恢復和維持腸道菌群的平衡。2018年，日本學者發現，口服HRW 4周可以改善結腸中的菌群分佈，增加SCFA的產生，並降低血漿膽固醇濃度。肖等人發現，HRW可以通過調節MyD88的表達影響腸道菌群，從而減輕腹部放射治療所致的損傷，增加小鼠放射治療後的存活率和體重。HRW還與飲食相互作用，增強和延長肝H2的積累，降低血脂和葡萄糖，並促進腸道上皮細胞直接分泌腦腸肽。一篇文章指出，HRW可以防止6-羟基多巴胺誘導的小鼠帕金森氏症的發展。雖然該文章沒有探討這一現象的潛在機制，但HRW的獨特生理作用，如調節腸道菌群，可能對其有所貢獻。
