分子状水素：分子効果から幹細胞管理、組織再生まで

3. 水素分子の体内への導入経路

現在、水素を体内に導入する経路は非常に多岐にわたっている（図2）。まず、これらの方法は、特定の病態に適用する際の利便性（例えば、皮膚疾患の治療の場合、水素風呂が好ましい選択肢となりうる）だけでなく、分子の薬理学的活性を変化させる薬物動態においても異なることを強調することが重要である[32]。

歴史的に、水素を導入する最初の方法は、水素ガスが豊富な雰囲気の高気圧チャンバーを使用することである[26]。Doleら（1975）による実験で有望な結果が得られたにもかかわらず、このような技術を用いた研究は継続されなかった。

水素分子治療の最も一般的な選択肢は、さまざまな組成のH2含有混合ガスの吸入、水素飽和水の使用、H2飽和塩化ナトリウム溶液の注入/注射である（図2）[12]。これらの経路には、それぞれ独自の特徴、利点、欠点があり、また作用の分子メカニズムも異なる可能性がある。

水素の使用の有効性を評価することを目的とした研究のほとんどは、水素飽和溶液（水素水、水素生理食塩水など）を使用している。しかし、水素の吸入に関する研究は、特に臨床使用において増加している[11,17,30,31]。H2の吸入は、実験動物にとってもヒトにとっても、かなり簡単な曝露方法である。実際、Ohsawaらは虚血再灌流モデルラットを用いて、この方法を採用している[30]。さらに、この技術の重要な利点は、曝露時間と混合ガス中の水素濃度を調節することで、水素を厳密に投与できることである[32,33]。一方、水素分子は酸素と反応すると可燃性・爆発性のガスとなる。混合ガス中のH2濃度が4%より高い場合、このような悪影響のリスクはかなり高いと想定される[17,32,33]。とはいえ、場合によっては、水素含有量の高い混合ガスが使用されるが、特別な安全要件がある。例えば、COVID-19患者の治療では66.67%のH2と33.33%のO2が使用されており、これは中国で導入されている水素療法プロトコルと同じである[34]。慢性閉塞性肺疾患[35,36]や重症気管支喘息[37]におけるH2吸入の有効性も報告されている。このようなアプローチの簡便さは、H2の抗酸化作用と抗炎症作用の用量依存性が変化することと関連している[32,38]。

水素の物理化学的特性、極めて小さいサイズと分子量を考慮すると、水素吸入には全身作用の機会が十分にある。水素は肺胞の壁を容易に拡散するため、血漿中に拡散し、さまざまな臓器や組織に運ばれる。Coleら（2021）による実験的研究は、健康な動物において、2.4%の水素を含む混合ガスを72時間連続吸入しても、生理学的パラメーターに変化が生じないことを示している[39]。同時に、様々な臓器や組織に対する衛生遺伝学的効果も、多くの研究で実証されている[31,32,33,34,35,36,37]。

水素分子を臨床に導入する最も簡便な方法は、水素分子を飽和させた水を飲むことである。この方法であれば、治療の爆発や火災の危険性がなくなり、携帯性も確保されるため、水素含有水を広く使用できる可能性が広がる。しかし、この方法にはガス溶解度が低いという欠点もある[32]。溶存水素の飽和度は、通常の大気圧と室温で0.78 mM（1.57 mg/L）であることが知られている[40]。この事情は、完全な臨床効果を確保するために必要な分子量を常に達成できるとは限らないため、重要であると考えられる。さらに、このルートを使用する場合、H2の濃度を維持する期間が非常に短いため、調製した水素水を直ちに適用する必要があることを考慮すべきである。さらに、水素水を摂取すると、かなりの量（90%以上）が通常の呼気によって失われる[41]。このことは少なくとも、H2が消化管を通過して静脈系に取り込まれ、肺に到達して吐き出されることを示している。同時に、水素水を飲んだ後のさまざまな組織や臓器における水素の分布は同じではない。特に、現在検討されている投与経路を使用した場合、脳細胞へのH2の浸透はわずかである[42]。

このような理由から、H2を組織に送達する代替方法の探索が必要となり、ガス放出遅延型ナノコンポジットの創製などが行われた[43]。これらのナノコンポジットは経口錠剤に配合されることが想定され、これにより患者のコンプライアンスが最大限に確保される。このような標的H2療法は、ハイブリッド・パラジウム・ナノクリスタルを用いて行うことができる。このアプローチは、腫瘍病理学モデルを用いた実験条件下で検証され、抗発がん活性が確認されただけでなく、高熱に対する未変化細胞の保護[44]、虚血・再灌流によって誘発される酸化ストレスや損傷の顕在化も確認された[43,45]。水素放出ナノ複合材料（特にケイ素粒子[43]）の基礎として、様々な元素を使用する可能性が強調されるべきである。

水素のキャリアとしてのナノ結晶の創製と基本的に類似した技術に、マイクロバブルシステムの利用がある（図2）。近年、マイクロバブルを利用した水素の特異的な送達により、最大限の生物学的利用能と分子の「輸送損失」の最小化が可能になることが示唆されている[46]。この経路の重要な利点は、H2で飽和した水を摂取する場合と比較して、かなり多量のガスを導入できる可能性があることである。この方法の有効性は、ラットの虚血性心筋損傷モデルで実証された[46]。

H2を体内に導入する第3の主要経路は、H2飽和等張食塩水の注射や点滴である[17,32,33]。この方法にも長所と短所がある。ひとつは、この経路では、注入する水素の量を高い精度で投与することができ、さまざまな濃度を使用することができ、標的臓器に対する薬剤の生物学的利用能を高めることができ、必要であれば、厳密に定義された組織の領域（例えば、表面局在化またはカテーテル留置と注入の領域）に対する局所効果を実施することができる。同時に、水素溶液の注射は、侵襲性、ひいては感染のリスクを伴う。これらの溶液の投与は、主に静脈内（患者の場合）または腹腔内（実験動物を用いた実験的研究の場合）で行われる[17]。われわれの意見では、この投与経路の臨床的可能性はまだ十分に開発されていない。これは、医療用ガスの効果に基づく静脈内オゾン療法の豊富な経験からも明らかである[47,48,49]。

現在、文献には、水素分子の全身作用と局所作用の両方を利用した、別の利用方法が記載されている（図2）。特に、皮膚科学や美容学における水素分子の効果的な投与の例として、乾癬[50]や脂肪吸引[51]に対する水素浴の使用が挙げられる。この技術に近いH2療法のバリエーションとして、目の虹彩の虚血性病変の治療やアポトーシスの抑制のために、問題のガスで飽和させた目薬を使用することがある[52]。共生微生物叢によるH2の内因性合成の刺激は、特に興味深い。ラクチュロースを経口投与すると、消化管の細菌によるH2の合成が増加することが示されている[53]。さらに、水素分子の生成能力によって腸内細菌叢の状態を判定する水素呼吸試験が提案されている。水素は、微生物が他のガス（例えばメタン）とともに合成することを強調しておく必要がある[55]。同時に、生成される水素の量は、H2を生成する（水素生成性）腸内微生物とH2を利用する（水素栄養性）腸内微生物の活性のバランスの結果である[56]。

H2飽和溶液を含むプローブフィーディング[57]、血液透析中の導入[58]、皮膚表面の局所処理[59]、低温障害を防ぐための移植臓器の保存液への水素添加[60]、さまざまな体腔の洗浄など、より排他的なH2経路もいくつか注目すべきである。

前述したように、投与経路が異なると、曝露点への近さだけでなく、薬物動態も異なる[32]。特に、血液中の水素濃度は吸入後に急速に増加するが、吸入を停止してから3分後にはピーク値の1/40に減少することが判明した[61]。同時に、吸入中の動脈血中の水素量は常に静脈血中のそれを上回っており、これは組織へのガスの拡散を示していると考えられる[61]。また、H2の吸入と水素水の摂取のピーク値は同時に達成されることが示されている（濃度/用量によるが、例えば10～30分）。しかし、H2がベースラインに戻るまでに体内に留まる時間は、30分よりも長い[62]。分子カスケード（例えば、肝組織におけるNF-KBおよび他の制御タンパク質の発現）に対する効果は、水素水の方が顕著であり、水素水の摂取とH2の吸入を組み合わせることで効果が高まることに注意すべきである[62]。興味深いことに、吸入後のH2の組織濃度は、水素水を飲んだ場合と比較して有意に高く、長時間持続した[42]。当然のことながら、水素で飽和した等張溶液を静脈内投与すると、分子の呼気濃度のピークにはできるだけ早く、1分以内に到達する[10]。

このように、現在のところ、水素分子を体内に導入する経路は多岐にわたっており、局所的および物理化学的パラメーターだけでなく、分子の作用の薬物動態も異なっている。