作者：河北医科大学第三医院骨三科     周春建

自2007年Ohsawa等通过实验验证了H2通过选择性降低细胞中羟基自由基（·OH）和过亚硝酸根（ONOO-）的水平，起到抗氧化剂的作用，H2的抗氧化作用受到了广泛关注。大量研究相继证实了其在多种疾病模型中的潜在益处。在临床研究层面，H2已被证实在神经系统疾病、心血管疾病、器官移植以及代谢障碍等相关领域具有潜在的应用价值。然而，截至目前，关于H2对骨质疏松性骨折（OPF）愈合影响的研究报道相对较少。OPF常发生于骨质疏松症之后，是骨质疏松症的最严重并发症，且OPF的发病率随年龄增长而增加，预计到2050年我国的OPF病人将增加至599万例，给我国社会带来了严重的经济负担。骨质疏松病人有着较高的氧化应激水平，而且骨折后的组织损伤会产生大量氧自由基，局部氧化应激水平进一步升高，氧化应激与抗氧化应激平衡被打破，导致过多的活性氧（ROS）被生成，通过影响骨代谢途径，干预相关细胞的协同作用降低骨密度。ROS可以增加破骨细胞（OC）生成，减少骨原细胞向成骨细胞（OB）谱系的分化，降低OB活性，增加OB和骨细胞凋亡。而H2可能通过重塑骨代谢平衡（促进成骨、抑制破骨与炎症）和增强抗氧化防御（清除ROS、激活内源性保护、促进线粒体自噬）等多重机制，逆转氧化应激失衡，促进OPF愈合。

文献检索策略

本文以“hydrogen”“oxidative stress”“osteoblast”“osteo⁃clast”“osteoporosis”“reactive oxygen species”“osteoporotic frac⁃ture”等为英文关键词，在PubMed和WebofScience数据库中进行检索；在万方数据库、中国知网中以“氢气”“氧化应激”“成骨细胞”“破骨细胞”“骨质疏松”“活性氧”“骨质疏松性骨折”等为中文关键词进行检索，截至时间为2025年4月。文献纳入标准：①与研究主题密切相关的文献；②论据详实且论点可靠的文献；③优先选择5年内发表或在权威杂志上发表的文献。文献排除标准：①与研究主题无关的文献；②非研究目的或与课题内容不一致的文献；③重复性研究、质量低或证据等级不够的文章（未设置对照组或对照组设计不合理、动物模型未模拟骨质疏松病理状态、数据报告不完整）；④非中文或英文文献。共检索到文献1137篇，其中英文883篇，中文254篇，最终纳入46篇文献进行分析与总结。

相关分子机制

H2清除ROS，解除其对Wnt/β-连环蛋白（β⁃catenin）通路（Wnt/β⁃catenin）和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/Akt）通路的抑制，促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）和OB成骨分化；抑制ROS介导的、核因子κB（NF⁃κB）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和核因子κB受体活化因子配体（RANKL）信号激活，阻断OC生成与过度炎症；激活Kelch样ECH相关蛋白1-核因子E2相关因子2（Keap1⁃Nrf2）通路，增强细胞整体抗氧化防御能力；并激活PTEN诱导激酶1/帕金蛋白（PINK1⁃Parkin）通路，诱导线粒体自噬，清除受损线粒体，打破氧化应激恶性循环。因此，H2从根本上逆转氧化应激失衡，打破了氧化应激/炎症的恶性循环，在OPF治疗中具有核心意义。

H2促进巨噬细胞M1向M2表型转化，加速OPF的愈合       H2能促进巨噬细胞M1向M2表型转化，从而抑制炎症，促进OB分化和血管生成，加速OPF的愈合。OPF愈合过程包括早期BMSCs的信号传导、募集和分化，在中期形成坚硬的愈伤组织和细胞外基质、血管生成和血管再生，以及后期的骨痂重塑。骨折早期断端形成血肿，产生局部趋化因子募集炎症细胞如中性粒细胞，通过分泌炎症因子和趋化介质如白细胞介素-6（IL⁃6），CC趋化因子配体2［CCL2］，募集单核/巨噬细胞到骨折部位。巨噬细胞在清除微生物、坏死组织和暂时性纤维蛋白基质的同时受到炎症环境的刺激而极化至M1型。在早期成骨阶段，M1型巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子-α（TNF⁃α）、抑瘤素M（OSM）、骨形态发生蛋白-2（BMP⁃2）、骨形态发生蛋白-6（BMP⁃6）和血管内皮生长因子（VEGF）等细胞因子，分别促进干细胞的迁移、成骨分化和血管生成。在后期骨矿化阶段，M1型巨噬细胞转变为M2型，M2巨噬细胞通过分泌成骨相关蛋白BMP⁃2和转化生长因子-β1（TGF⁃β1）在后续阶段加速成骨，并分泌IL⁃10、IL⁃13等抗炎细胞因子。M2型巨噬细胞通过产生生长因子来募集BMSCs并使其向OB分化，从而促进骨修复。H2可能通过抑制NF⁃κB信号通路，促进巨噬细胞从M1亚型向M2亚型极化。具体表现为：H2能够降低促炎细胞因子（如IL⁃1、IL⁃6、TNF⁃α）的水平，同时增加抗炎细胞因子（如IL⁃4、IL⁃10、TGF⁃β）的水平。这种调节作用有助于将炎症微环境转变为抗炎微环境，从而促进组织愈合（如OPF的修复）。此外，H2显著降低了M1型巨噬细胞的标志物（如CD86和iNOS）的表达，同时显著提升了M2型巨噬细胞标志物（如CD206和Arg1）的表达，进一步支持了H2对巨噬细胞极化的调控作用（图1）。

H2下调ROS水平，促进OB增殖和分化，抑制RANKL相关的OC生成      过多ROS会导致OB的致命性损伤和程序性细胞死亡，能抑制Wnt/β⁃catenin信号传导，从而减少成骨分化相关基因（如Runx2、Osterix）的表达。ROS可通过抑制PI3K/Akt通路，从而激活糖原合成酶激酶-3β（GSK⁃3β），促进β⁃catenin的磷酸化和泛素化降解，减少其核内积累。基于上述研究结果，H2可能通过清除ROS激活PI3K/Akt通路，导致GSK⁃3β的磷酸化，从而抑制其活性，阻断β⁃catenin降解，促进其核转位。核内β⁃catenin与TCF/LEF转录因子结合后，激活成骨核心基因Runx2和Osterix的表达，同时诱导下游分化标志物ALP、OCN及COL1A1的合成，从而促进OB增殖和分化（图2）。OC来源于单核/巨噬细胞谱系，其形成主要由RANKL介导的核因子κB受体活化因子（RANK）信号通路调控，RANKL通过与RANK结合激活RANK信号通路，进而引发NF⁃κB、MAPK和AKT信号通路的级联反应，共同促进OC的分化和成熟。RANKL与RANK结合后，会诱导RANK的三聚化，并招募下游的接头蛋白，进一步激活NF⁃κB信号通路，诱导核因子活化T细胞胞质1（NFATc1）的表达，启动OC分化的关键步骤。同时，通过招募肿瘤坏死因子受体相关因子6（TRAF6）和激活转化生长因子β活化激酶1（TAK1），进一步激活MAPKs（如JNK、p38和ERK），而MAPKs通过激活c⁃Fos原癌基因蛋白（c⁃Fos）和活化蛋白-1（AP⁃1）复合物，放大NFATc1的表达和活性。此外，RANKL还通过PI3K途径激活AKT，激活的AKT通过磷酸化GSK⁃3β来调控其活性。GSK⁃3β的磷酸化导致其失活，从而促进NFATc1的表达。ROS是OC形成的重要因素，ROS通过激活NF⁃κB信号通路，同时激活PI3K和P38，引发MAPK信号级联激活，最终激活c⁃Fos和NFATc1，促进OC分化。而H2作为抗氧化剂，可能减少ROS介导的磷酸化，抑制NF⁃κB、MAPK和AKT通路的激活，从而抑制RANKL相关的OC生成（图3）。

H2激活Keap1⁃Nrf2抗氧化通路，抑制OC的增殖分化      Nrf2在调控抗氧化与解毒酶的表达过程中发挥着重要作用。Nrf2的调控主要由Keap1介导，Keap1通过Cullin3（Cul3）所参与的泛素-蛋白酶体系统，促进Nrf2蛋白的降解。H2可能通过促进线粒体呼吸活性或打开线粒体K+通道，诱导细胞内ROS短暂增加。过量ROS氧化Keap1的特定半胱氨酸残基（Cys226等），形成二硫键，从而解除Keap1对Nrf2的抑制或可能直接穿透Keap1⁃Nrf2的“铰链-门闩模型”结构，导致Keap1发生构象变化，破坏Keap1与Nrf2的结合能力，从而抑制Keap1⁃Cul3泛素连接酶复合物对Nrf2的泛素化降解。稳定的Nrf2随后易位到细胞核中，与小Maf蛋白形成异源二聚体，并与编码抗氧化酶和细胞保护蛋白的基因启动子区域中的抗氧化反应元件（ARE）结合，启动解毒酶和抗氧化酶的高效表达，显著降低细胞内尤其是线粒体来源的ROS水平。这一系统性抗氧化效应进一步阻断ROS依赖的RANKL下游信号，抑制MAPK（ERK/JNK/p38）和NF⁃κB通路的磷酸化级联反应，导致OC分化核心转录因子表达下调，如图4所示。此外，新近研究发现，Nrf2转录激活铁转运蛋白编码基因SLC40A1，降低OC的细胞内铁水平，从而抑制OC分化。

H2激活PINK1⁃Parkin通路诱导线粒体自噬，促进BMSCs的成骨分化      线粒体既是ROS的主要产生位点，也是ROS的主要靶点，ROS引发的线粒体损伤会反过来导致ROS的过量产生，氧化和抗氧化系统失衡造成线粒体氧化应激，陷入恶性循环，从而抑制BMSCs的成骨分化。BMSCs中受损线粒体清除主要通过PINK1/Parkin通路进行，线粒体功能正常时，PINK1被蛋白酶体降解。因此，正常情况下PINK1的水平很低。而氧化应激导致线粒体膜电位去极化，PINK1稳定积累于线粒体外膜上并磷酸化激活，将Parkin招募到受损线粒体的外膜表面，并激活其E3泛素连接酶活性，将线粒体外膜上的蛋白质泛素化，形成泛素链，吸引自噬体的形成，从而启动线粒体自噬，最终降低ROS水平。但在持续高强度的氧化应激微环境中，ROS可间接抑制PINK1⁃Parkin介导的线粒体自噬。而H2可能通过增强PINK1/Parkin介导的线粒体自噬，能减少受损线粒体释放过量ROS，从而促进BMSCs成骨相关基因（Runx2、Osterix、Alp、Opn、Col.I和Ocn）的表达增强和矿化程度的提高（图5）。

给药方式

原位及递氢材料      H2常规给药方法主要包括吸入、饮用、静脉内或腹膜内注射以及原位注射等。但由于H2在水性溶剂中的溶解度有限，导致常规给药方式生物利用度差，为解决这一问题，H2载体应运而生，它们通过负载和递送氢气，显著提升了H2在生物体内的传输效率和生物利用度。目前，H2载体主要分为金属载体、微泡、铂胶体和全氟化合物等。金属载体，是指一类能可逆吸收和释放氢气，主要通过金属氢化物的形式储存氢气为代表的材料，尤其是钯基材料，钯纳米颗粒可以通过与氢原子结合形成PdHx结构，可实现高效负载H2，并通过捕获细菌细胞外质中的质子并促进ROS清除，实现抗菌和促进骨再生。微泡是一种由脂质、表面活性剂、蛋白质或聚合物外壳稳定的微米级气体填充的微结构。在超声诊断中，微泡可作为对比剂，同时具备负载H2的能力。在超声引导下，微泡能够实现H2的靶向递送，并通过“声空化”效应释放H2，从而提高局部H2浓度，增强H2在靶组织中的递送效率。然而，声空化效应可能伴随ROS的产生，因此在应用中需注意控制ROS的潜在影响。此外，全氟化合物也具有出色的载氢能力，并且H2释放时间较长，可作为高效的H2载体，同时19F⁃MRI分子成像可实现体内H2释放的动态可视化。铂胶体能够吸收并存储H2，通过纳米气泡的形式携带H2，同时可能作为氢气水中氢分子的催化剂，将其转化为原子氢，从而提升氢气的生物利用度并使原子氢在铂胶体中得到稳定。除了外源性供应H2，也可以通过药物刺激内源性H2的产生，如口服阿卡波糖可以通过刺激肠道菌群的糖酵解产生内源性H2。虽然载氢材料有许多优点，但其大多本身只是作为氢气的载体，并不具有产生氢气的能力，导致氢气释放不可持续，由于H2具有快速扩散和短停留时间等缺点，因此无法实现氢气的靶向治疗作用。

产氢相关材料       为了在靶组织中实现有效的H2浓度，多种产氢材料被开发并应用于骨修复领域，其作用机制主要涉及通过原位水解反应持续释放氢气及生物活性离子，进而调控细胞行为与微环境。镁基植入物（如涂覆透明质酸的Mg⁃HA微粒）在体内通过电化学腐蚀与水反应生成H2，同时释放镁离子；镁离子可激活Wnt/β⁃catenin和HIF⁃1α/VEGF等成骨信号通路，抑制NF⁃κB介导的破骨分化，并与H2协同推动巨噬细胞向M2型抗炎表型极化，从而协同促进骨再生。硅化钙基材料（如二维CSNs）则通过水解反应生成H2、Ca（OH）2及SiO2，Ca（OH）2可以形成局部碱性微环境，有效抑制OC活性；同时释放的Ca2+增强OB矿化能力，SiO2亦有助于生物矿化过程。化学产氢材料如氨硼烷（NH3BH3），则在酸性微环境中发生水解反应，B⁃N键断裂释放H2，可通过与纳米系统复合实现氢气的缓释与靶向递送。光催化纳米产氢材料如［FeFe］TPP与化疗药物吉西他滨（GEM）、氟化壳聚糖（FCS）自组装形成［FeFe］TPP/GEM/FCS纳米粒子，使用660nm的激光照射，所制备的纳米粒子能够将水分解生成H2。释氢支架系统（如CSN@PHA/MBG）依托多孔支架的高比表面积和缓释载体，实现对H2的长时程控释，H2通过调节Nrf2、NF⁃κB等信号通路抑制SASP分泌、逆转细胞衰老表型，并促进BMSCs的定向迁移与成骨分化，在老年骨缺损模型中显著改善修复微环境。此外，可注射型原位成型植入物（如含镁PLGA水凝胶）在植入后可在原位转变为多孔支架，在填充不规则缺损的同时实现镁离子和H2的局部持续释放，兼具机械支撑与生物调控功能。这些产氢材料通过多种机制协同调控骨免疫微环境与成骨进程，为OPF的氢气治疗策略提供了坚实的理论与材料基础。

H2足够温和且具有良好的分布特性，不会干扰代谢氧化还原反应或破坏细胞信号传导中涉及的ROS，这些证明了H2有足够的潜力治疗OPF。但H2相关材料可能导致不良副作用，如微泡超声可能局部升高ROS，金属离子的潜在细胞毒性，而且目前关于OPF的研究大多集中在动物模型或体外细胞实验，人体临床试验数据相对较少，临床应用相对困难。H2疗法有望作为OPF的辅助手段，但需大规模临床验证，需要更多的前瞻性多中心观察性队列研究来验证H2疗法在OPF病人中的有效性和安全性。

来源：骨科2026年1月第17卷第1期