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氢气生物学作用的具体分子机制目前仍不十分清楚。关于氢气保护损伤，人们先后提出三类途径：氢气的直接选择性抗氧化作用、信号传导调节作用和诱导内源性抗氧化作用。
许多科学家认为氢气是一种抗氧化物质，特别是具有可选择性中和强毒性活性氧羟自由基的作用。这种作用的具体机制仍不明确，甚至也有学者对此表示怀疑。
1975 年，Dole 在国际上率先报导了氢气具有抗氧化作用，呼吸高压氢气可以治疗皮肤磷状细胞恶性肿瘤,他们认为氢气和羟自由基反应属于放热过程，可以产生水和氢原子。而氢原子可以结合超氧阴离子形成具有更强氧化性的活性氧。近的研究表明，氢气可以减 生物体内的活性氧。细胞生物化学过程可以产生一定数量的活性氧，当活性氧产生过多时，可以引起细胞发生氧化应激，氧化应激可导致细胞发生严整损伤，并导致各类疾病的发生。研究证据发现，氢气可以保护各类典型的器官缺血再灌注氧化损伤如脑缺血、新生儿脑缺血缺氧、肝损伤、肺损伤和心肌损伤。
尽管氢气被认为可以减 氧化应激，也有人认为氢气可能通过影响某些细胞信号分子发挥保护作用。2011 年，Itoh 等证明氢气可以影响某些信号传导途径，例如可以减 LPS/IFNg 诱导的巨噬细胞合成一氧化氮，从而具有减 一型过敏反应的作用。但氢气在这一作用中具体结合什么分子并不清楚。这一研究的意义可使人们缩小研究范围。将来的研究应关注氢气在什么情况下，通过什么方式，以及为什么可以作为信号调节分子等问题的回答。另有学者认为，氢气可诱导机体本身的抗氧化能力，例如氢气治疗后可以使超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等活性增加，从而发挥保护作用。也有认为可以通过减 细胞凋亡酶活性抑制细胞凋亡，近有人提出氢气可以通过影响某些金属酶活性发挥信号调节作用的观点。
关于信号调节作用，近有研究发现氢气可以减 ROS 水平，也可以抑制
TNF-a/NFkb 、Ras-ERK1/2-MEK1/2 和 Akt 信号通路。这种作用可以解释氢气具有减 血管内皮增生的作用。由于在这一研究中发现氢气具有促进平滑肌细胞凋亡的作用，显示氢气的生物学效应存在着细胞特异性。