线粒体是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器，是细胞中制造能量的结构，是细胞进行有氧呼吸的主要场所，被称为"power house"。其直径在0.5到1.0微米左右。线粒体是细胞能量代谢的枢纽，疾病过程中，线粒体也是参与细胞氧化和炎症损伤的重要细胞器。氢气发挥生物医学效应中，离不开对线粒体的作用。其中氢水医学效应和线粒体相关的研究有12项。这里对部分研究进行汇总。
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2011年后超过10项研究涉及氢气和线粒体功能，这些研究大多是动物疾病模型，也有人类疾病临床研究（表19.1）。日本名古屋大学研究生院研究小组2011年发表了人类线粒体效应的临床试验。作者对各种线粒体肌病患者进行了开放标签和随机对照试验，每天饮用1L富氢水，持续8-12周。虽然没有观察到临床症状的客观改善，但氢水改善了线粒体功能的几个指标，如血清内乳酸和乳酸-丙酮酸比值，提示氢水可以剂量-反应方式对线粒体功能障碍产生有效作用。
另一项研究评估了氢水（0.5-0.6mM）对异基因大鼠品系的影响。发现与用常规水治疗的移植物相比，饮用氢水在延长心脏移植物存活时间和减少移植主动脉内膜增生方面显著有效。氢水治疗与移植物ATP水平升高有关，ATP是细胞中关键的高能分子，主要由线粒体产生，并伴随着线粒体呼吸链中酶的活性增加。持续3个月氢水（1.3ppm）对化学暴露和线粒体功能的动物模型是有益的。能减少大鼠氮三乙酸铁诱导的肾毒性和早期肿瘤促进事件，作用是通过抑制线粒体活性氧（ROS）形成，增强线粒体ATP产生，减少线粒体肿胀来改善线粒体功能障碍。在8周内饮用富氢水（0.6 mM）对毒死蜱诱导的神经毒性大鼠受损的海马神经元和神经元线粒体有保护作用，其中大部分线粒体在氢气组结构完整，基质较暗，嵴分布规律，无线粒体肿胀的迹象。HRW的保护作用肝毒性引起亚慢性接触毒死蜱大鼠在最近的一项试验证实（迅et al.，2020），水富含氢（0.55-0.65毫米）消耗八周减轻线粒体损伤和调节一些氧化应激相关基因的表达，包括线粒体超氧化物歧化酶2（SOD2）基因。HRW还保护对乙酰氨基酚诱导的肝毒性小鼠肝脏的内质网和线粒体，饮水富含二氢的水（0.83-0.91 mmol/L）5天，防止大线粒体、线粒体固缩、膨胀和絮凝变性（Zhang et al.，2015）。最后，在甲基苯丙胺诱导的神经毒性小鼠中，饮用氢水7天，可显著抑制毒素诱导的空间学习障碍和记忆丧失，并抑制线粒体功能障碍、神经炎症和内质网应激。

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