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Supplementaryinformation
有益健康的还原水的研究进展（补充材料）
白畑实隆＊，滨崎武记，照屋辉一郎
九州大学大学院农学研究院生命功能科学部门、〒-福冈市东区箱崎6-10-1
＊主要作者：白畑实隆、〒-福冈市东区箱崎6-10-1、+81-92--；
传真：+81-92--
电子邮箱：sirahata
grt.kyushu-u.ac.jp含有新型活性氧类（ROS）清除剂的氢及矿物纳米粒子的还原水的作用机制
作为ROS清除剂的还原水的生理效应
活性氧类（ROS）是许多氧化应激相关疾病和衰老的成因已广为人知（JomovaValko）。Hayashi（）最早注意到电解还原水（ERW）对许多疾病的改善作用，提出了含氢分子的电解还原水通过在体内清除活性氧而改善各种疾病的“水调节学说”。HayashiandKawamura（）根据年到年间所做的数千例临床观察，报告了电解还原水针对以下众多疾病有改善作用：降低糖尿病人的血糖和糖化血红蛋白（HbA1c）指标；改善糖尿病性坏疽的末梢血液循环；降低痛风病人的尿酸指标；改善肝脏疾病患者的肝功能、肝硬化及肝炎症状；改善及预防复发胃十二指肠溃疡；改善高胆固醇、高血压、心绞痛及心肌梗塞；改善过敏症、特异性皮肤炎、哮喘及荨麻疹；改善自我免疫性疾病、胶原病、系统性红斑狼疮，白塞氏综合征、克隆病、溃疡性大肠炎及川崎病；改善肝脏恶性肿瘤、肝癌及转移性肿瘤。
笔者采用氯化钠溶液电解制备的电解还原水作为以自来水为原水的可饮用的电解还原水的单纯模型系统，最先在体外试验中证实了电解还原水有清除活性氧类的作用和抑制DNA氧化损伤的作用（Shirahataetal.,）。后来，为了避免阳极一侧溶液中生成的次氯酸混入电解还原水中，我们决定主动使用间歇式电解装置电解NaOH溶液制备的电解还原水。韩国研究团队同样报告了采用氯化铵溶液电解制备的电解还原水对DNA、RNA及蛋白质的氧化损伤有保护作用(Leeetal.,)。我们报告了，被指对许多疾病有改善作用的日本的日田天领水及德国的诺地那水等天然还原水（NRW）与电解还原水一样能清除培养细胞内的ROS，具有抗糖尿病效果(Lietal.,)。
含有氢分子的电解还原水
在对水进行电解的过程中，氢分子在阴极表面生成，氧分子在阳极表面生成（图1A）。铂金(Pt)由于既安全又能高效生成氢分子，因此市面销售的电解装置的电极板大都采用钛板表面电镀铂金的工艺。如图1B所示，在阴极的铂金板表面，水合氢离子（H3O＋）与电子反应，生成H2O和被吸附其上的H原子(Had)、（H3O＋＋e-→H2O＋H(ad)、被称为“Volmerstep”）。两个H(ad)在铂金电极的表面移动（H原子的溢流(overflow)），能生成氢气H2(g)、（2H(ad)→H2(g)、被称为“Tafelstep”），或者H(ad)直接与在Volmerstep产生的H原子反应，（H(ad)＋H3O＋＋e-→H2(g)＋H2O、被称为“Heyrovskystep”），制造出H2氢气。Had的一部分被吸藏到铂金板内部，生成含有被储存起来的氢H(ad)的铂氢化物。因为氢原子很小，所以能被几乎所有金属吸附和储存起来。最近，电极板上的这些活跃反应已经通过计算机模拟得到证明（Otanietal.,）。
用直流电（例如V）对自来水或天然矿泉水进行电解时，大部分的水（本征层的水）由于阻力很小，所以绝大部分的电压都荷载在这大部分的水与铂金板表面之间的非常稀薄的临界层（亥姆霍兹层）上，于是阴极周边形成带有很强电场的强还原性氛围。在强电场中，所有的质子（氢离子）和矿物离子都加速度移动，具有很强的反应活性(Hamannetal.,)。刚制备出来的电解还原水处于过饱和状态，含有纳米氢气泡，但在开放条件下纳米氢气泡在3小时内就会消失(Kikuchietal.,)。
矿物纳米粒子和矿氢化物的电化学式制备法
饮用水中含有多种矿物离子，这些矿物离子很容易在阴极表面被还原成矿物原子。被还原了的矿物原子自我建构，形成矿物纳米粒子或矿物纳米基团（图1B）。电化学式还原是制造矿物纳米粒子或矿物纳米基团的一般方法（WatzkyandFinke,；AikenIIIandFinke,）。像铂金、黄金、钒和钯这些离子化倾向较弱的金属离子很容易形成稳定的矿物纳米粒子，并且能长期（用保护剂保护起来的金属纳米粒子长达数年）稳定地分散在水中。形成的矿物纳米粒子逐渐被氧化，变成矿物离子，这个过程中通过放电而具有弱还原性。因此可认为，电气性还原能量以矿物纳米粒子的形式长期被保持在电解还原水中。金属纳米粒子由于含有大量活化表面原子，能感知到水中的状态，表现出很强的催化活性。
正如以前报告过的，使用装备了铂金涂层钛电极的间歇式TI-S电解装置，以V电压对１mM的NaOH溶液电解了两小时（Yeetal.,）。如图1C所示，用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析，发现电解还原水中含有0.19ppb的铂金。把10升电解还原水用旋转蒸发器浓缩成1升，然后再用分子量10,道尔顿的超滤膜对它进行过滤，截留下来的部分（＞10,）中含有12.04ppb的铂金，通过滤膜的部分（＜10,）中则含有2.16ppb的铂金。通过透射电子显微镜分析发现，截留下来的部分中含有1～10纳米大小的铂金纳米粒子（图1D）。铂金纳米粒子应该是从铂金涂层的钛电极上析出的。如图2所示，合成铂纳米粒子具有多样化的抗氧化活性（Hamasakietal.,）。铂金纳米粒子呈现了能与超氧化物歧化酶（SOD）匹敌的超氧自由基清除活性（铂金纳米粒子的2次速度常数为ks=5.03×M-1s-1，而SOD的Ks=0.7‐16×M-1s-1）。若考虑到铂金纳米粒子的稳定性，那么铂金纳米粒子的ROS清除活性这一特性，要比一般抗氧化剂更加优异。铂金纳米粒子还以与谷胱甘肽酶（ks＞M-1s-1）同样的高效清除了羟基自由基。被铂金纳米粒子催化的H2O2分解反应的ks值约为，比过氧化氢酶低了三位数。铂金纳米粒子以阶的ks值把H2分子活化成了H原子。作为H供体发挥作用的抗氧化物质的还原反应，在有铂金纳米粒子共存的条件下，以阶的ks值被促进。当电子受体是溶解氧时，铂金纳米粒子促进抗氧化物质的自动氧化。但是，它的ks值不高，仅为阶。总的来说，可以认为铂金纳米粒子是一种具有多样化功能的优质抗氧化物质。可以饮用的电解还原水含有多种矿物纳米粒子，它们不单能作为活性氧类清除剂发挥作用，还有可能作为H2活化剂及H供体发挥作用。
作为储氢源的金属纳米粒子，其应用已吸引广泛注意。氢原子极小，所以能进入几乎所有的金属原子中间，形成金属氢化物。金属纳米粒子能储存大量的氢原子。钒氢化物中的氢原子，直接在电子显微镜下被观察到（Findilayetal.,）。有报告指，钯纳米粒子的氢溶解度为每个钯原子0.5H（YamauchiKitagawa,5）。2.0纳米大小的铂金纳米粒子在0.1kPa以下的H2环境下，被观察到每个铂原子吸存了0.12个H（Isobeetal.,3；KitagawaYamauchi,4)。像Ca2+和Mg2+这类具有很强离子化倾向的离子，被还原后变成CaH2和MgH2这样的矿氢化物。CaH2和MgH2缓缓溶解于水，产生出氢分子(Tessieretal.,4)。复杂结构的矿氢化物同样能在缓慢在水中产生氢分子(Fanetal.,)。阴极表面存在大量的氢原子，同时电解还原水中存在过饱和氢分子，因此电解还原水可能含有多种矿氢化物纳米粒子（图1B）。
天然还原水含有矿物纳米粒子和矿氢化物
自然界中存在一些被确信有益健康的天然矿泉水。有研究报告指，年发现的法国卢尔德水就具有治愈多种疾病的功效(Stephens,)。墨西哥的托拉克特水于年被发现，传说能改善许多疾病症状，但关于它的科学研究报告却几乎未见发表过。从深约米的地下涌出的德国诺地那水在年被证实是有益健康的水(GadekandShirahata,)。年我们发现用水泵从地下深处抽取上来的日本的日田天领水同样对健康有益。日田天领水和诺地那水被证明能清除活性氧类(Lietal.,)。于是我们决定把能清除细胞内活性氧类的天然水称作“天然还原水（NRW）”。
那么，为什么天然还原水能去除细胞内的活性氧类呢？最新的研究证实，与数米深的地下同等程度数量的微生物也栖息在5深的地底下。这些微生物很可能利用地下水被高温岩石能量还原后生成的H2能量生存。H2（氢）与CO2（二氧化碳）反应，产生CH4（甲烷）和水（二氧化碳呼吸）。CH4（甲烷）与SO4（硫酸）离子反应，产生H2S（硫化氢）和CO2（硫酸盐呼吸）。H2S（硫化氢）与NO3（硝酸）离子反应，产生N2（氮气）和SO4（硫酸）离子（硝酸盐呼吸）。利用这类化学呼吸的微生物被称作“岩石营养生物”，可能地下世界是地球上最大的生物圈(Martinetal.,)（参考补充材料的图1）。从地下深处抽上来的天然还原水也许就含有储存着地下氢能量的矿物质。Hiraokaetal.4）曾发表电解还原水和日田天领水的抗氧化活性的报告，但可能是这些水中活性成分的氢气和钒离子在人实际饮用后的血中却没被发现有促进活性氧类清除活性的效果(Hiraokaetal.,)。
Langmür（）基于水分子会阻止氢原子重新聚合为氢分子的这一观察结果，对含水氢气进行高温加热而稳定制造出纯粹的氢原子的气体，然后利用氢原子被转化成氢分子时的放热效应，发明了氢火炬。这些成就让他获得了年诺贝尔化学奖。根据对相信有益人类长寿的巴基斯坦罕萨地区的雪融水中的二氧化硅研究结果，Stephansonetal.（）使用高温下从氢分子（H2）生成出来氢原子（H），成功合成了全新的生物胶囊化的“硅倍半氧烷氢化物（命名为‘硅氢化合物’）”，这种硅氢化合物能在长达数周时间内在水里徐徐释放出氢阴离子（负氢离子）。他们还证实了这种硅氢化合物具有活性氧清除活性却无任何细胞毒性(Stephansonetal.,3；StephansonandFlanagan,3a,b；4a；4b)。最近的研究报告表明，硅氢化合物能提高抗氧化酶浓度，从而对诱发肝损伤的肝脏毒素“四氯化碳（CCl4）”具有防护效果(Hsuetal.,)。
地下水、河川水、自来水以及包括市面销售的各种各样的矿泉水在内的天然水中都含有很多纳米粒子(Wagneretal.,4；Wiggintonetal.,；Handyetal.,)。使用原子力电子显微镜和透射电子显微镜观察到饮用水中的纳米粒子（纤维性多糖类粒子和球状有机物质）。饮用水（自来水）中的总粒子数量估计在7-10×个粒子／ml(Kaegietal.,)。此外，某种天然水里面含有以纳米粒子存在的不定形的二氧化硅矿物，被它吸存起来的负氢离子使其具有抗氧化活性(Kimberlyetal.,1)。尽管有必要更深入的研究，但目前积累起来的数据暗示，天然还原水很可能含有赋予其抗氧化活性的矿物纳米粒子或是矿氢化合物。
还原水的氧化还原电位(ORP)与人的身体
我们宇宙中，熵(表示杂乱无章性的物理量之一)本质上具有逐渐增加的特性，一切生物通过消耗能量，减少熵值，获得自由能量。处于还原状态的生物富有能量，秩序得以保持。生物为了保持体内的还原状态，大量存储了多种抗氧化物质。氧化还原电位表示生物提供或接受电子的能力。氢或氧原子也同样可被用于还原反应和氧化反应中以替代电子。检测氧化还原电位通常使用铂金电极。水中的化学物质与铂金电极发生化学反应，使铂金表面氧化或还原。这一过程中会产生电压（mV）。
像抗坏血酸那样的大多有机抗氧化物质都会释放氢原子，表现出低氧化还原电位值。可是，氧化还原电位值会随着抗氧化物质自动氧化而逐渐回升。不稳定的有机抗氧化物质会产生以抗氧化物质或促氧化物质（促氧化剂）发挥作用的许多化学物质，在铂金电极表面引起非常复杂的反应。氧化还原电位值与pH值相依存。鱼、血浆、羊水、唾液、尿、蔬菜、水果、畜产品、水产品以及各种市售饮料的氧化还原电位值，从平衡氧化还原电位角度来看，全都属于还原区域（Agustinietal.,1；Okouchietal.,）。Okouchietal.（）提出过呈低氧化还原电位、类似人体体液的“生物水”这一概念。富氢水因氢分子为铂金电极提供电子，所以显示出‐～‐mV的极低的ORP值。溶解氢浓度与氧化还原电位之间存在线性相关关系，由此认为，氢分子对电解还原水的负电位有贡献(Shirahataetal.,)。氢分子通过气化会很容易从水溶液中流失，因此电解还原水的氧化还原电位值会随时间推移而逐渐升高。
使用铂金电极，通过氧化还原电位检测装置测量时的日田天领水及诺地那水的氧化还原电位值约为＋mV(对标准氢电极电位未经补偿的数据），不含氢分子。基于这些水中并未检出辐射能这一点来看，估计这些水对健康的积极功效并非来自于微量辐射能引起的辐射兴奋效应。我们推断这是因为，氧化还原电位检测装置的灵敏度太低，所以无法检测到天然还原水中可能含有的少量还原性矿物纳米粒子对氧化还原电位值的影响。因此，氧化还原电位值不是还原水的可靠指标。
电解还原水的拉曼光谱
拉曼光谱能反映出水的氢键与水的结构(Walrafen,)。从亚硫酸氢钠溶液及其相似化合物得到的电解还原水的拉曼光谱，与电解前的水相比发生了很大变化(PastukhovandMorozov)。根据它的光谱可以认为，在电解还原水中，过剩的氢氧根离子（OH‐）对更加对称的弱力氢键(O···H···O)-的形成起到重要作用。这意味着，由于协同效应及过剩电子水合到(H2O)n-聚合体上，具有协同效应引起的正电子亲和性的聚合体能够捕捉过剩的电子。拉曼光谱极有可能在富能水的分析中发挥重要作用。
作为新型活性氧清除剂的氢分子的作用机制
最近有报告指，氢分子（气体）是一种能特异性且直接清除羟基自由基和过氧化亚硝酸盐自由基的新型活性氧清除剂(Ohsawaetal.,)，相关论文也发表了不少。例如，氢气改善了许多氧化应激相关疾病模型动物的症状（缺血再灌注引起的脑损伤：Ohsawaetal.,；肝脏损伤：Fukudaetal.,；心肌缺血灌注损伤：Hayashidaetal.,；移植引起的肠移植组织的损伤：Buchholzetal.,；新生儿低氧缺血：Caietal.,；大脑学习作业：Nagataetal.,9；帕金森病：Fuetal.,9；化疗副作用：Nakashima-Kamimuraetal.,9；肝炎：Kajiyaetal.,9；多菌性微败血症：Xieetal.,；高血糖增强型出血转换：Chenetal.,a；一氧化碳中毒：Shenetal.,；外伤性脑损伤：Jietal.,；神经保护作用：Domokietal.,；辐射防护作用：Qianetal.,a；肺移植引起的缺血再灌注损伤：Kawamuraetal.,；心脏缺血再灌注损伤：Nakaoetal.,a；辐射引起的氧化应激：Schoenfeldetal.,；氧化应激引起的血管新生：Kubotaetal.,；NF-κB参与的肺损伤：Huangetal.,a；脊髓缺血再灌注损伤：Huangetal.,b；肺同种异体移植：Kawamuraetal.,）。此外，还有在培养细胞上发现同样的改善作用的报告（介由肥大细胞的FcεRI抗原的信号传导路径：Itohetal.,9；多能性骨髓基质细胞：Kawasakietal.,；在巨噬细胞上产生一氧化氮：Itohetal.,）。另方面也有报告说，氢气在中度及重度新生儿低氧缺血大鼠模型上没有作用(Matchettetal.,9)。同样含有氢分子的水（氢水）改善了模型动物的多种氧化应激相关疾病症状（载脂蛋白基因敲除小鼠的动脉粥样硬化症：Ohsawaetal.,；帕金森病上的神经保护作用：Fujitaetal.,9；Caietal.,9；针对氧气毒性的肺保护作用：Zhengetal.,9；肺损伤：Maoetal.,9；心脏和血管疾病：Suzukietal.,9；心肌损伤：Sunetal.,9；含铂金纳米胶体的氢水对癌细胞增殖的抑制作用：Saitohetal.,9；神经保护作用:Caietal.,9；视网膜保护作用：Oharazawaetal.,；慢性移植肾损伤：Cardinaletal.,；Chenetal.,；大脑记忆功能：Lietal.,；脊髓损伤：Chenetal.,b；胰腺炎：Chenetal.,c；肝脏损伤：Liuetal.,；酵母多糖引起的一般炎症：Xieetal.,；肺保护作用：Zhengetal.,；辐射防护作用：Qianetal.,a；b；炎症：Zhangetal.,；老化促进小鼠；Guetal.,；肾脏损伤：Shinguetal.,；化疗副作用：Kitamuraetal.,；肺损伤：Sunetal.,a；一氧化碳毒性：Sunetal.,b；抑制JNK和NF-κB活性：Wangetal.,；噪声性听力障碍：Linetal.,；肺损伤：Fangetal.,)。此外也有对人的许多氧化应激相关疾病症状有改善作用的报告（2型糖尿病：Kajiyamaetal.,；姜黄对肠内细菌产氢的刺激活化作用：Shimouchietal.,9；代谢障碍症候群：Nakaoetal.,b）。
总体来说，大量研究报告显示，氢分子在模型动物身上减轻氧化应激的作用是显而易见的。但是，氢分子对培养细胞的影响的报告很少。正如WoodGradwin（）所指出的那样，氢分子与羟基自由基的反应速度常数非常小，因此氢分子能否直接或间接地在细胞或动物身上清除活性氧还需要证实。Satoetal.（）报告说，富氢水能阻止脑碎片中超氧自由基的产生。他们的研究结果与Ohsawaetal.(）最早的研究报告所说的“氢分子能直接清除羟基自由基和过氧亚硝基，但不影响超氧自由基和过氧化氢”的结论不一致。于是有人提出“要直接或特异性地清除活性氧的话，血液和组织中的氢分子浓度会不会太低了呢？”的质疑。
除了氮分子以外，氢分子在血液中大量存在，仅次于氧和二氧化碳。大鼠的血液中含有数ppb的氢分子（Ohsawaetal.,）。水中氢气（分子）饱和浓度室温下在1.6ppm（μM）左右。市面销售的制水装置制造出来的电解还原水等可饮用的富氢水，含0.08ppm～1.6ppm的氢分子。把饱和氢水置入大鼠胃里时，从3分钟后的心脏血液中检出了10ppb（5μＭ）的氢分子（减少了倍）（Nagataal.,9）。Fujitaetal.（9）等人的报告指出，尽管未能在脑纹状体检出氢分子，但含0.08ppm（40μM）氢分子的水却改善了帕金森病模型小鼠的症状。这一结果暗示，即使氢分子在生物体内的浓度非常低甚至不足0.5ppb（0.25μM），也同样有效。
细胞中可能存在一种以氢为信号传导物质的此前未被发现的信号传导路径。拥有对氢原子与氢分子之间的转换反应起催化作用的氢化酶的产氢细菌能在人体的肠道和口腔中制造大量的氢(Neale,；Uritaetal.,；Uritaetal.,9)，由此当然可以猜想生物在进化过程中把氢分子作为一种信号传导物质加以利用。实际上，生物体内真的存在某种能传递氢气刺激的信号路径吗？截至目前，还没发现氧分子受体。缺血性心脏病、脑卒中、肾病等许多人类疾病都共同表现了低氧及氧化应激这类有害结果。低氧诱导因子(HIF)作为重要因子能激活保护细胞不受低氧症损伤的广范围内的基因。HIF对包括促红细胞生成素、血管内皮细胞生长因子、肾上腺髓质素、基质金属蛋白酶、内皮素和一氧化氮合酶在内的大约2%的人上皮细胞的基因(Manaloetal.,5)。这个水平是由作为细胞内的氧气传感器的脯氨酰羟化酶（PHD）决定的HIF的分解速度来调节（Miyataetal.,）。PHD是一种对二硫键的比例依循细胞氧化还原状态而变化的氧化还原极为敏感的蛋白质。
Nuclearfactor-erythoroid2p45-relatedfactor2（Nrf2）调节着许多抗氧化物质应激基因的基础表达和表达诱导。Nrf2调节很多抗氧化物质基因：谷胱甘肽（GSH）生物合成、谷胱甘肽过氧化物酶、硫氧还蛋白还原酶、硫氧还蛋白、过氧化物酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽S-转移酶、UDP-葡萄糖醛酸转移酶、血红素加氧酶-1、水解、铁转运、重金属的解毒、输送、以及26S蛋白酶体（JungKwak）。Nrf2的活性是靠氧化应激中的细胞内氧化还原敏感蛋白Kelch-likeECH-associatedprotein1（Keap1）来调节的。Keap1与Nrf2结合后，会阻止Nrf2向核内移动。Keap1是富含半胱氨酸的蛋白质，当Keap1的巯基残留特别是Cys和Cys残留被修饰，蛋白质的三维结构就会发生改变。氧化应激诱导Keap1的三维结构的变化，使Nrf2发生游离。Nrf2向核内移动，与抗氧化物质反应区结合，就会激活上述众多的抗氧化物质应激基因。Keap1是一种通过半胱氨酸的还原状态的动态变化，来回应氧化应激和环境应激的敏感蛋白。
除PHD和Keap1以外，细胞内还有NF-κB和proteintyrosinephosphatase这类大量的氧化还原敏感蛋白。这些蛋白的功能是由依存于分子内二硫键比例的三维结构的变化来调节的。二硫键的形成也许参与了人体全部蛋白的～１/3的生物合成。在这个非常重要的过程中发挥核心作用的就是蛋白二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase）（PDI）（Fatahetetal.,9）。统辖氧化还原稳态的细胞机制可能与其他应激之间存在综合联系。内质网（ER）应力拉响被定义为unfoldedproteinresponse（未折叠蛋白响应）的自适应信号或凋亡前信号的扳机，参与到若干病理生理进程中。蛋白的折叠高度依存于氧化还原，因此内质网（ER）应力与氧化应激的关系引起人们的兴趣（Santosetal.,9）。内质网的二硫键形成是被ERoxidoreduction(Ero1)family的内质网巯基氧化酶所催化。Ero1氧化了蛋白二硫键异构酶（PDI）后，PDI把二硫键导入到ER下游蛋白内。为了维持氧化状态，Rro1与二硫化物向PDI转移和氧分子的还原联合起来生成过氧化氢。所以，Ero1活性变成源于内质网的氧化应激的潜在源头。为了防止Ero1的过渡活性，复杂的反馈机制发生进化。这些机制的核心，是通过形成调节性二硫化物，在局部的与氧化还原状态的关系上，对Ero1的催化活性施加影响的非催化性的半胱氨酸（Tavenderetal.,）。
关于蛋白的氧化性折叠，PDI和Ero1的协调性作用由从硫醇基传递电子到最终受体的蛋白性电子中继系统来进行调节。在好氧生物中氧气可能是最终氧化剂，但不能排除例如富马酸盐或硝酸盐一类的替代性电子受体存在的可能性。饶有兴趣的是，从细胞以及生物体的研究发现来看，像抗坏血酸盐、生育酚及维生素Ｋ这类低分子量电子转运体是能对氧化性折叠的功能发挥作用的（Margittaietal.,9）。N-乙酰半胱氨酸同样能切断分子内的二硫键，改变IL-4信号（Curboetal.,9）。
细胞外环境的氧化性质与细胞内部非常强大的还原性质有很大差异。在细胞内环境中，与细胞溶胶部的氧化还原电位限制二硫键的形成相对，氧化性的细胞外环境则包含富有二硫键的蛋白质。假如没有能排除掉活性氧类和活性氮类的细胞外抗氧化剂系统，就会发生过度的脂质过氧化和蛋白质氧化，从而可能造成细胞损伤。在限制细胞的氧化应激上，细胞内、外两侧的抗氧化物质的协调作用就变得重要了（Filomenaetal.,）。
为了仔细验证氢分子的生理效应，我们研制了全新的气体培养装置，以便在H2/O2/CO2混合气体条件下也能长期培养动物细胞。我们发现，氢分子可介由Nrf2基因的活化来诱导超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和血红素加氧酶-1这些抗氧化酶的基因表达（Shirahataetal.,）。
作为活性氧类清除剂或者氧化还原调节剂的氢分子的作用机制有若干种可能性。
（1）是否存在针对能传递氧化还原信息的氢分子的特定受体？
（2）是否存在跟NADH、NAPDH、FAD等一样的将氢分子作为基底物质使用的某种氧化还原酶？
（3）活性氢（氢原子）是否在金属纳米粒子的催化作用下在体内产生并作为信息传递因子而起作用？
（4）氢分子是否介由还原型谷胱甘肽与氧化型谷胱甘肽或其他抗氧化物质的比例调节，来调节细胞的氧化还原稳态？
（5）氢能否调节内质网内腔中的电子中继和Ero1、DPI、Nrf2、Keap1这类氧化还原敏感蛋白的三维结构变化？
在所有这些研究发现的基础上，我们提出了能够解释还原水的一般性作用机制的“活性氢矿物纳米粒子还原水学说”（图4）（Shirahataetal.,；Shirahata,；Shirahata,4；Yeetal.,）。通过电解能把安全的饮用水改变成电解还原水。电解还原水含有大量的氢分子和矿物纳米粒子，能暂时性保持在电能作用下所产生的还原能量。推测电解还原水在释放完还原能量以后，就又变回原来的安全饮用水状态。这也许就是电解还原水不具任何副作用的原因。估计天然还原水可能就是以氢分子、矿物纳米粒子或矿物纳米粒子氢化物的形式持有地底岩石的还原能量的一种水。富氢水和含还原矿物的水也包含在还原水这个范畴。仅具有还原活性的还原水，作为能够克服兼具抗氧化剂和氧化剂这双重效应的传统有机抗氧化剂的悖论效应的抗氧化剂，可能将开辟出一个全新的研究领域。
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