综述：氢在口腔疾病中的作用及潜在机制研究

《Frontiers in Pharmacology》：Hydrogen: a review of the effects and underlying mechanisms in oral diseases

　　

摘要：口腔疾病可影响患者的生活质量，并引发继发性全身性疾病，从而危害全身健康。研究表明，氢具有抗氧化应激、抗炎、抗凋亡等作用，提示其对多种疾病具有治疗意义。通过不同方式给予氢，可有效减少牙菌斑生物膜形成、抵抗氧化应激、抑制炎症反应，并促进组织修复与再生。本综述总结了氢治疗的主要策略及研究进展，以及氢在龋病、牙周炎、种植体周围炎、口腔黏膜病、颌骨疾病、口腔颌面部肿瘤及三叉神经痛等口腔疾病中的应用。研究人员重点阐述了氢对常见口腔疾病病原体及多种细胞（包括免疫细胞、成骨相关细胞、破骨细胞和成纤维细胞）功能状态和相互作用的调节作用，并总结了所涉及的信号通路。此外，本文还讨论了现有研究存在的问题与不足，并指出了未来发展方向，以期为后续研究氢发挥抗氧化应激和抗炎活性、促进黏膜愈合、增强骨再生以及缓解神经病理性疼痛的机制提供基础和支持。

氢疗法策略
氢吸入疗法
氢吸入可用于治疗脑损伤、血管疾病和癌症。然而，氢气在4%–74.2%浓度范围内可自燃，且在吸入过程中存在与其他气体混合的风险。此外，氢具有高扩散性、低水溶性和剂量依赖性效应，这些特性限制了吸入疗法的疗效。上述缺陷也给研究带来了安全性和操作性问题，限制了氢吸入的临床应用。
饮用或含漱富氢水
富氢水（HW）是在高压下将分子氢溶解于水中形成的过饱和溶液。氢分子极小，易于穿过水并保持溶解一段时间。在常规实验条件下，饮用HW或含氢溶液与吸入氢气相比操作风险更低。因此，富氢溶液作为多种疾病的辅助干预手段日益受到关注。过去几十年，饮用HW已在动物和人类中开展研究，显示出抗氧化、抗炎和抗凋亡作用。
注射富氢溶液
虽然吸入和饮用给药方式便捷，但这些方法对特定靶区域的给药剂量有限。氢溶性生理盐水可通过注射途径递送溶解的分子氢。然而，由于注射氢溶解盐水具有侵入性，不适合日常氢治疗。此外，频繁注射氢溶解盐水存在交叉感染风险，且血管内高浓度氢存在潜在危害。
其他氢治疗策略
氢的非靶向积累和高扩散性限制了通过常规口服和吸入方法实现病灶部位高浓度靶向积累的能力，导致治疗效果有限。因此，迫切需要能够持续提供氢的局部氢发生器，以实现特定疾病治疗中的高生物利用度和高效率。响应性药物和材料为实现疾病组织靶向和高效氢递送提供了重要平台。例如，利用钯纳米颗粒作为载体，在近红外光照射下响应性释放氢，实现光声成像引导的肿瘤氢热联合治疗。光催化水解产氢也被用于实现持续可控的氢释放。镁因其强还原性，能与水反应自发产生氢气，受到关注。多种含镁氢发生器已被开发，如镁盘、氢化镁、镁-透明质酸微马达、含镁高分子聚合物及负载镁的微针贴片等。此外，纳米硅已被证明能在肠道碱性环境中安全持续地产氢，因此，可产生大量氢的硅基药物已被开发用于治疗多种疾病。
氢对口腔菌群的影响
牙菌斑是多种口腔疾病的始动因素。形成于牙面及龈沟或牙周袋内的牙菌斑持续分泌毒力因子，刺激周围组织和细胞产生多种炎症介质。因此，抑制牙菌斑形成对于口腔疾病治疗和口腔健康维护至关重要。龋病、牙周病和种植体周围炎是常见的细菌性口腔疾病。变形链球菌和远缘链球菌是人类龋病的主要病原菌，被认为是口腔链球菌中的主要致龋菌。牙周炎和种植体周围炎的病原菌研究显示，两者共享许多相同的病原菌，其中最常见的是卟啉单胞菌属、放线菌属、链球菌科和密螺旋体属。氢能有效抑制口腔菌斑生物膜的形成，防治炎症损伤，有助于维持口腔健康。富氢水对变形链球菌、具核梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌和福赛坦纳菌等口腔细菌具有抗菌活性。此外，其他研究表明，富氢水有效抑制变形链球菌、牙龈卟啉单胞菌和伴放线聚集杆菌的增殖。变形链球菌可形成葡萄糖基转移酶（GTFs）以合成胞外多糖，帮助其牢固黏附于牙齿并促进紧密的细胞聚集。β-葡聚糖结合蛋白（GBP）与不溶性β-葡聚糖的结合是细菌生物膜形成的关键步骤。氢可抑制葡萄糖基转移酶（gtfB、gtfC和gtfI）及GBPs（gbpC、dblB）的mRNA表达，从而抑制生物膜形成。此外，富氢水可通过抑制细菌增殖实现抗菌效果。使用富氢水进行口腔冲洗后，唾液链球菌的菌落形成单位显著减少。将致龋菌（变形链球菌和远缘链球菌）短暂暴露于富氢水可有效抑制细菌生长并减少菌落形成单位数量。
氢对龋病的影响
龋病是最常见的口腔疾病，由多种因素（主要是细菌）诱导牙体硬组织进行性破坏所致。如不及时治疗，可导致牙髓炎、根尖周炎甚至颌骨炎症等并发症。现有关于氢对龋病作用的研究主要局限于富氢水对牙面微生物群的抑制作用。常见致龋菌包括变形链球菌、乳杆菌和放线菌。Kim等人发现，富氢水暴露60秒可显著下调变形链球菌和远缘链球菌中葡萄糖基转移酶和葡聚糖结合蛋白的mRNA表达。此外，富氢水显著减少了体外链球菌生物膜的形成。
氢对牙周炎的影响
牙周炎是由菌斑微生物引发的牙周支持组织慢性炎症破坏性疾病，主要表现为牙周炎症和牙槽骨吸收，是各年龄段牙齿丧失的主要原因。氢对牙周炎具有潜在的预防和治疗作用。已知氢通过抗菌作用抑制牙周病原体生物膜形成和细菌增殖，同时还能发挥抗炎和抗氧化应激作用，抑制口腔结缔组织和骨组织的破坏。牙周炎发展中氧化应激起关键作用：牙周组织损伤主要由宿主免疫反应（涉及白细胞、补体因子和ROS）引起的破坏所致。ROS与细胞抗氧化防御之间的稳态失衡触发氧化应激反应，导致宿主组织DNA、蛋白质和脂质损伤。牙周炎与龈沟液、唾液或血液中总抗氧化状态降低和/或脂质过氧化增加相关，表明氧化应激参与牙周炎进展。在牙周病早期阶段，中性粒细胞是聚集在牙面和龈沟或牙周袋内最常见的炎症细胞，被认为是牙周炎中ROS的主要来源。大量临床证据表明，中性粒细胞介导了牙周组织破坏的重要部分。病原体刺激后，中性粒细胞产生O₂^?，释放到吞噬体和细胞外环境，然后转化为不同的自由基和非自由基衍生物，如过氧化氢（H₂O₂）和次氯酸（HOCl）。与健康个体中性粒细胞产生的ROS相比，牙周炎患者外周血中性粒细胞产生更多ROS且活性更高。此外，体外研究表明，在病原体和/或其成分刺激下，中性粒细胞及单核细胞、牙龈成纤维细胞、牙周膜细胞等其他细胞可增强ROS产生。ROS的持续积累进一步促进IL-1β和IL-6等相关促炎因子的释放，从而促进炎症持续发展。氢通过抑制氧化应激发挥对牙周组织损伤的保护作用：氢已被证明是有效的治疗性抗氧化剂，可有效保护细胞和组织免受氧化和炎症损伤。氢能快速跨膜扩散，选择性中和引起氧化损伤的羟基自由基和亚硝酸阴离子，而不影响参与细胞信号转导的自由基。对25组研究数据的综合分析显示，富氢水有效提高谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）水平并降低8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）水平。氢对牙周炎相关损伤的潜在保护作用主要表现为抑制牙龈和牙周膜炎症以及破骨细胞分化。研究表明，富氢水可增强人牙龈成纤维细胞胞内抗氧化能力、减少ROS生成，保护细胞免受H₂O₂诱导的细胞死亡。氢可保护牙周膜细胞，减少脂多糖（LPS）引起的氧化应激损伤。氧化损伤参与破骨细胞分化。饮用富氢水可抑制牙周炎症后的破骨细胞分化，并能有效抑制衰老和/或牙周炎症引起的牙槽骨丢失。此外，氢还能抑制促炎因子的释放。氢可调节细胞信号通路：氢对牙周炎的抑制作用可能通过调节不同细胞信号通路实现。例如，氢可抑制MAPK信号通路，上调Nod样受体蛋白NLRP3炎症小体编码基因的表达，下调牙周组织中核因子（NF）-κB的基因表达。MAPK通路是细胞中重要的信号转导系统，参与细胞增殖、分化、凋亡和炎症反应。ROS可激活MAPK通路，在牙周炎发展中发挥重要作用。研究发现，氢可降低ROS含量，减少p38 MAPK的mRNA表达和磷酸化水平，并减少牙周组织中抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）阳性破骨细胞数量，显著降低MAP激酶（包括JNK、p-38和细胞外信号调节蛋白激酶）的活性。在牙周缺氧微环境中，ROS水平升高导致缺氧诱导因子（HIF）-1α积累和多种细胞因子释放，从而激活HIF通路。ROS积累可激活HIF-1α，进而驱动牙周膜成纤维细胞（PDLFs）的促炎反应。因此，HIF-1α是控制和缓解牙周炎发生发展的关键信号分子。氢可通过减少ROS抑制HIF-1α通路的激活，并可下调HIF-1α表达以调节ROS/HIF-1α信号通路，从而对抗氧化应激和减轻炎症损伤。氢还可通过抑制HIF-1α和IL-1α的释放来抑制炎症。Kelch样ECH相关蛋白1/核因子E2相关因子2（Keap1/Nrf2）通路介导对氧化应激和炎症的主要保护反应。分子氢通过与Keap1本身结合，抑制Keap1与Nrf2的结合，从而促进更多Nrf2释放以促进该过程。通路中积累的Nrf2与下游抗氧化反应元件结合，启动抗氧化应激反应。氢可抑制促炎细胞因子的表达：在人牙周炎模型中，氢可抑制IL-1α和IL-6的产生。在健康大鼠中，饮用富氢水可下调牙周组织中NF-κB的基因表达，并上调NLRP3炎症小体编码基因（即NLRP3、ASC、caspase-1和IL-1β）的表达，表明饮用富氢水对健康大鼠牙周氧化损伤具有抗衰老作用。
氢对种植体周围炎的影响
种植体周围炎是导致种植失败的主要原因，在种植体支持修复中不容忽视。与牙周炎相比，种植体周围炎症细胞浸润区域更大，骨吸收更明显，中性粒细胞和破骨细胞比例更高。研究发现，种植体周围组织中IL-6、IL-8和TNF的mRNA表达水平高于牙周炎。分子氢可降低种植体周围组织的炎症反应并促进组织整合。在比格犬实验性种植体周围炎中，局部冲洗富氢水减少了炎症细胞浸润，下调了种植体周围龈沟液中促炎细胞因子（IL-1β、IL-6、MMP-8）及主要病原菌属的相对丰度。有研究开发了长效氢释放种植体，发现氢可协同激活牙龈成纤维细胞和血管内皮细胞中的MAPK信号，调节巨噬细胞极化并抑制过度氧化应激，从而促进种植体周围组织重塑。
氢对口腔黏膜疾病的影响
口腔黏膜疾病（OMDs）是影响口腔黏膜和软组织的系列疾病或状况，主要包括口腔念珠菌病等口腔感染性疾病；口腔扁平苔藓（OLP）等口腔黏膜斑纹类疾病；复发性阿弗他溃疡等口腔黏膜溃疡性病变或创伤性损伤；以及口腔白斑（OLK）等口腔癌前病变。OMDs的病因是多因素的且尚不完全清楚。现有评估氢对OMDs作用的研究较少，多数研究集中于氢对溃疡性或创伤性黏膜愈合的有益作用。仅有一例病例报告描述了使用局部富氢水含漱治疗OLP，表明氢可能作为此类疾病的辅助治疗。口腔伤口涉及氧化应激和炎症反应：手术、疾病、放射、化疗药物和损伤引起的急慢性创伤是导致面部皮肤和口腔黏膜损伤的常见因素。常见口腔黏膜损伤包括复发性阿弗他口炎、创伤性口腔黏膜溃疡以及化疗药物和放射引起的口腔黏膜炎（OM）。氧化应激和炎症反应在口腔伤口病理生理中起关键作用。氧化应激是复发性阿弗他口炎等炎症性疾病的关键因素。放疗和/或化疗诱导的OM（RIOM/CIOM）是肿瘤治疗过程中由电离辐射和/或化疗引起的口腔黏膜炎症或溃疡性病变，是头颈部肿瘤化疗和放疗最常见和最严重的并发症。大面积、深部、融合性溃疡是RIOM/CIOM最典型的临床表现。放射和化疗药物引起的氧化损伤可触发脂质过氧化、蛋白质氧化和DNA双链断裂。氢促进伤口愈合过程：氢可通过以下机制促进口腔黏膜愈合：1）氢对放射、化疗药物和创伤引起的氧化损伤具有保护作用。2）氢可降低促炎细胞因子、趋化因子和脂质过氧化水平。3）氢可激活抗炎防御通路。4）氢可促进愈合相关基因的表达。研究发现，氢抑制单核细胞趋化蛋白（MCP）-1和巨噬细胞炎症蛋白（MIP）-1等促炎细胞因子的表达，并增强转化生长因子（TGF）-β1、成纤维细胞生长因子7（FGF7）、血管内皮生长因子（VEGF）和α-平滑肌肌动蛋白（SMA）等愈合相关基因的表达。此外，氢可激活Nrf2/抗氧化防御通路，导致血红素加氧酶（HO）-1和NAD(P)H醌脱氢酶1（NQO-1）等抗氧化防御基因表达增加，从而减轻全身氧化应激和炎症。氢在降低多种肿瘤放化疗方案毒性和增强疗效方面也发挥重要作用。已有报道氢可显著降低放射性皮炎的严重程度并加速受损伤口修复。
氢对其他口腔颌面部疾病的影响
颌骨疾病
评估氢对颌骨作用的研究较少，且仅限于使用富氢水或富氢盐水治疗颌骨放射性骨坏死（ORNJ）和骨关节炎（OA）。ORNJ是头颈部癌症放疗后的严重并发症，初期通常无症状，随后出现顽固性疼痛、口臭、发声困难和暴露性死骨。晚期ORNJ患者常出现口腔黏膜或皮肤瘘管、病理性骨折，甚至危及生命的并发症。放射暴露引起的组织损伤归因于炎症和大量自由基形成，导致正常组织结构破坏，引起纤维化和坏死。目前尚无统一有效的治疗和预防方法。ORNJ由羟基自由基引起，因此具有强抗氧化特性的氢显示出预防和治疗ORNJ的潜力。在大鼠ORNJ模型中，氢可激活Nrf2抗氧化信号，增强成骨细胞分化，促进放射后下颌骨的骨修复和再生。此外，体内实验证实氢显著减轻了骨损伤的严重程度。
口腔颌面部肿瘤
ROS可增强肿瘤细胞的存活、增殖和迁移，促进肿瘤发展。氢可清除细胞内ROS，从而抑制ROS依赖性信号通路，如NF-κB通路、血红素加氧酶-1（HO-1）通路及其他促进肿瘤细胞增殖、侵袭和转移的促生存通路。此外，氢可通过减少线粒体ROS产生来限制肿瘤细胞中氧化应激的促成因素。早期Dole等人的研究表明，高浓度氢可治愈小鼠皮肤鳞状细胞癌。已有报道富氢电解水可抑制人舌癌和纤维肉瘤细胞中的ROS水平和增殖。
三叉神经痛
三叉神经痛（TN）是一种常见的面部神经疾病，以三叉神经及其分支分布区域的面部和下颌区域阵发性疼痛发作为特征。三叉神经通路沿线的脱髓鞘是TN发病机制和病理生理的主要驱动因素。在TN中，细胞因子积累和炎症级联反应产生的"ROS风暴"可导致三叉神经感觉根脱髓鞘、组织肿胀和强烈的电击样疼痛。氢可通过以下方式缓解神经病理性疼痛症状：1）氢可直接清除ROS并抑制促炎细胞因子的产生。2）氢可阻断NLRP3-caspase-1-消皮素D（GSDMD）通路和细胞质焦亡，从而降低神经损伤风险和缓解疼痛。3）氢可通过减少氧化应激调节瞬时受体电位通道的活性和表达，改变与疼痛传导相关的离子通道和受体，从而降低伤害性神经元的兴奋性。
结论
氢具有抗氧化、抗炎和细胞信号调节作用，在口腔疾病治疗中显示出巨大潜力。然而，现有研究存在以下局限性：1）现有研究局限于细胞水平，动物和临床试验较少；2）多数研究样本量小、随访期短，无法确认长期疗效和复发控制效果。此外，各研究指标的测量方法和样本来源存在差异，可能导致研究结果的异质性；3）现有氢递送方法具有固有局限性，缺乏有效浓度的统一标准，当前方法难以确保口腔病灶部位的有效治疗浓度和足够作用时间。因此，氢的给药模式和剂量需进一步研究；4）多数研究侧重于现象描述，氢在复杂口腔微环境（如微生物群和唾液）中的具体通路和调节机制尚未完全阐明，限制了基础研究向精准临床策略的转化。后续研究应收集更多数据，并对样本来源、微生物类型和细胞类型进行亚组分析。此外，应深入探索抗菌和抗炎机制，为临床应用提供更详细的总结和依据。