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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和潜在作用，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。