药物作用机制就是作用的原理，也就是阐明在什么地方起作用以及为什么起作用的道理。广义上讲，只需要在不同层面进行阐述，都可以说是作用机制。氢气的生物医学作用机制，也可以从不同层面进行探讨。例如从氢气结合的目标效应分子，氢气治疗某种疾病的表现效应，氢气发挥作用时关键分子改变等。
目前人们已经初步明确氢气对多种疾病具有治疗和潜在治疗作用，也发现氢气对氧化损伤和炎症反应具有一定抑制作用，但对氢气产生抗炎症抗氧化损伤的具体作用机制并不完全清楚，或者说对氢气效应细节了解不全面，特别对氢气效应的靶分子了解几乎为零。这种不了解具体分子机制的局面，导致人们无法精准预测氢气对哪些疾病具有针对性治疗效果，也无法判断氢气对哪些人会产生不良效应。因此，继续开展氢气效应机制研究非常必要。
为了推动临床试验，需要能对疾病治疗效果进行合理解释，至少需要在不同层面上的证据阐述，例如可用炎症氧化损伤和临床表现来说明氢气作用。氢气效应的分子机制，目前可从选择性抗氧化、内源性抗氧化和菌群调节三个方面进行分析。
一、氢气选择性抗氧化作用。
氢气具有选择性抗氧化作用是2007年日本太田成男教授在《自然医学》论文中提出的观点，至今是氢气生物学效应的最流行效应机制。在该论文中有相应的研究证据，前面我们曾对这个过程进行了详细介绍。这里通过更多研究对这个问题补充说明，并探讨氢气选择性抗氧化假说存在的不足。
有研究表明，氢气分子能在体内快速扩散，能进入各种蛋白质等大型生物分子，并有选择性地清除有害的活性氧，最主要是羟基自由基，使氢成为一种有效的生物抗氧化剂。氢气选择性抗氧化能合理解释兔眼手术实验中观察到的氢保护效应(Igarashi et al. 2016)。白内障手术超声乳化晶状体时产生的羟基自由基会造成视网膜损伤。研究表明，手术过程使用含有氢气生理盐水进行冲洗可迅速扩散入眼球中和羟基自由基，缓解手术对视网膜造成的损伤。
图5是体外实验结果。超声在眼冲洗液中产生羟基自由基，氢气可降低羟基自由基水平，表明眼睛中也会发生类似过程。图6显示，氢气组角膜细胞中氧化应激标志物4-HNE和8-OHdG的减少。超声手术过程产生羟基自由基通过与氢气分子反应不断被消除。值得注意的是，通常氢气的作用无法只通过分子间直接反应来解释。疾病过程体内产生大量活性氧，微量氢气通过中和反应难以全面有效中和，况且羟基自由基是活性非常强的分子，这种分子和体内许多物质的反应速率都明显超过氢气，氢气在身体内似乎难以有效和这些分子进行竞争。简单说就是羟基自由基氧化活性太强，不太可能只选择性和氢气发生反应，而对更容易发生反应的其他多种还原性物质视而不见。
表1 是细胞内代表性分子和抗氧化剂与羟基自由基反应的速率。这些数据清楚地表明，核酸、氨基酸、糖等细胞内分子与羟基自由基的反应速率比氢气分子要大许多倍。即使羟基自由基接近氢气分子，在细胞内大量存在的还原分子更容易与羟基自由基发生反应，细胞内这些还原性物质含量丰富，种类繁多，使羟基自由基根本来不及与氢气发生反应。这也是氢气选择性抗氧化假说的致命缺陷。
细胞内氢气浓度一般都在1ppm以下，多数在ppb级别。这种低浓度的氢气很难遇到极低浓度的羟基自由基。当然氢气除了抗氧化作用外，还拥有更多医学作用，而氢气发挥这些作用的背后细节机制也不明确。
从氢气对疾病损伤具有预防作用这个特征来看，氢气诱导细胞产生自我保护机制的途径必然存在。有报告称，预先给动物使用氢气能预防帕金森病和脓毒症的发生。这强烈提示，氢气能使动物体内建立一种疾病预防状态，这种预防效应能在撤出氢气后维持一段时间。就我来说，这不应是简单预防，而是一种典型预适应效应。预适应是一种应激刺激诱导身体产生保护效应的过程，其中比较重要的是这种应激往往具有潜在损伤作用，或具有温和损伤作用。能诱导产生预适应效应的刺激非常多，比较常见的如低氧、高氧、低温、高温，都属于伤害性刺激。从这个角度看，氢气对生物体来说也可能是一种伤害性刺激，但是诡异的是，这种伤害性刺激为什么没有充分显示。个人认为，可能是身体内本身存在不断产生的伤害性刺激，其中有的属于温和伤害如信号活性氧，有的属于强损伤信号如羟基自由基。氢气能选择性降低伤害性刺激，保护了能产生预适应信号的温和活性氧。这一解释是基于选择性抗氧化效应的延伸，但目前学术界并没有这样公开发表的观点。
图5 氢气中和超声诱导溶液羟基自由基。图a是使用顺磁共振ESR测定羟基自由基水平。图b是采用HPF相对荧光强度。不含氢气的溶液中，羟基自由基水平高，加入氢气能显著降低羟基自由基水平 (Igarashi et al. 2016)。
图6 超声乳化吸出术后兔眼血管内皮细胞氧化应激可被氢气抑制。图a为 4-HNE阳性细胞，图b为 8-OHdG阳性细胞，均为手术后5小时测定结果(Igarashi et al. 2016)。
表1 羟基自由基和不同生物物质的反应速率。
该表用氢气和羟基自由基反应为标准，H2 +•OH=H•+ H2O，室温条件下k为3.5 × 107 M-1 s-1 。
