氫氣改善運動性氧化損傷研究進展【2020年綜述】

耿雪,李志慧,譚銳,劉赫男,高大文,鞏文靜,張林,張成崗.氫分子改善運動性氧化損傷的機制與應用研究進展[J].中國運動醫學雜誌,2019,38(11):1001-1005.

摘要：運動性氧化應激與運動疲勞、運動損傷等密切相關。已有研究發現氫氣可通過選擇性 抗氧化、抗炎、抗凋亡等方式，對氧化應激相關疾病和運動性氧化應激損傷有明顯的防治作用，具有廣闊 的應用價值，有望成為改善運動性氧化應激損傷的理想抗氧化劑。本文從氫氣作用的可能機制、在運動領 域的應用及常用補充方式等方面進行闡述，為後續開展氫氣在運動醫學領域的研究和應用提供參考。

氧化應激是機體在遭受外界刺激時產生過量自由基和/或抗氧化能力的下降而引起的氧化還原系統的失衡，為多種代謝性疾病、癌症的發病基礎。運動作為氧化應激的重要應激源，長時間、大強度運動所誘發的氧化應激可使機體產生疲勞，影響運動表現甚至危害健康。因此，如何防治運動性氧化應激損傷已成為學者們普遍關注的重點，但現有抗氧化劑應用效果並不理想且爭議較大。氫分子是一種相對分子質量最小、無色、無味，具有一定還原性且高度易燃的氣體，被認為可能是體內第四大氣體信號分子，可通過擴散穿透各種生物膜到達線粒體、細胞核等部位，與傳統抗氧化物質相比，具有選擇性清除羥自由基和氧自由基等有害物質、還原性強、代謝產物簡單等特點。目前已證明其在腦缺血、代謝症候群等多種人類疾病中具有顯著或潛在的治療效果，同時還有延緩運動員疲勞、提高運動表現和治療運動性損傷等潛能。

氫氣作用的可能機制

自2007年日本學者太田成男報導吸入2%氫氣可顯著改善大鼠腦缺血再灌注損傷，並發現氫氣可通過選擇性中和羥自由基和過氧亞硝酸陰離子產生選擇性抗氧化作用後，掀起氫氣醫學研究熱潮。隨著研究的不斷深入，陸續發現氫氣具有抗氧化、抗炎、抗凋亡、調節細胞內信號轉導系統及下遊基因表達等作用

1.1 選擇性抗氧化

·OH和ONOO－是毒性最強的自由基，其濃度過高可引起嚴重的細胞損傷。前者是引發自由基鏈式反應的主要物質，可與DNA鹼基中的π鍵結合形成8-羥基脫氧鳥苷（8-hydroxydeoxyguanosine，8-OhdG），後者可使游離或蛋白質中的酪氨酸硝基化形成3-硝基酪氨酸（3-nitrotyrosine，3-NT）。此外，O2－、H2O2等自由基濃度過高或轉化為毒性強的活性氧時也可產生毒性作用，如O2－可攻擊不飽和脂肪酸等物質產生脂質過氧化損傷，生成丙二醛（Malondialdehyde，MDA）。Ohsawa等在細胞水平證明氫氣可選擇性清除·OH和ONOO－，而對具有信號轉導等生物學作用、毒性較低的活性氧無明顯影響。而後Oharazawa等在視網膜缺血再灌注損傷中發現，氫氣可顯著降低氧化應激造成的·OH活性上升，證明氫氣在組織水平上具有緩解氧化應激損傷的作用。針對運動性氧化應激損傷的研究，也表現出類似結果。李愛春研究富氫水改善運動性氧化應激損傷的作用機制時發現，富氫水可抑制誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）活性和一氧化氮（nitric oxide，NO）的過多生成、釋放，減輕NO介導的氧化損傷，提高機體抗氧化活性，對運動性氧化應激有良好的保護作用。胡靜也報導了氫水可抑制H2O2的過量產生，提高機體對O2-的抑制率，顯著降低·OH。以上研究證明氫氣可通過選擇性清除自由基降低氧化損傷標誌物水平，從而改善運動性氧化應激損傷。

1.2 抗炎、抗凋亡作用

隨著研究的不斷深入，有研究發現氫氣除了選擇性抗氧化作用外，還具有抗炎、抗凋亡的作用。Buchholz等首次在小腸移植引發的缺血再灌注損傷中發現吸入2%氫氣後可明顯抑制因移植誘導的趨化因子 2（chemo⁃kine C-C motif ligand2，CCL2）、白介素-1β（interleukin 1β，IL-1β）、白介素-6（interleukin 6，IL-6）和腫瘤壞死因子（tumor necrosisfactor，TNF-α）水平的上升，證 明 氫氣具有抗炎作用。Ara 等在研究富氫水對運動小鼠抗氧化的作用時也發現，長期補充富氫水還可顯著降低血清 TNF-α、IL-6、白介素-17（interleukin 17，IL-17）和肝臟白介素-1（interleukin 1，IL-1）的水平。王磊等研究結果表明富氫水可有效降低IL-1β和NOD 樣受體熱蛋白結構域相關蛋白 3（NOD-like re⁃ceptor pyrin domain containing 3，NLRP3）的表達，表明富氫水對運動性氧化應激引發的炎症反應同樣有改善作用。還有學者研究長期飲用富氫水對女子少年足球運動員抗氧化能力的影響後發現，其血清IL-1、IL-6 及TNF-α的水平顯著降低，證明富氫水具有提高機體抗炎活性的潛能。而劉宏偉等研究PC12細胞缺氧復氧後進行氫氣幹預的影響時還發現氫氣可顯著降低MDA、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（cysteine-containing as⁃partate-specific proteases3，Caspase-3）、活化轉錄因子4（activating transcription factor4，ATF4）mRNA 和 C/EBP 同 源 蛋 白（C/EBP homologous protein，CHOP）mRNA的表達水平，表明氫氣除降低脂質過氧化物水平外，還可改善細胞凋亡程度，達到抑制內質網氧化應激、緩解PC12細胞缺氧復氧損傷的作用。

1.3 對信號通路的調節作用

部分研究結果顯示氫氣可通過參與細胞內信號轉導通路的調節發揮有益作用。Itoh等發現口服富氫水對於抗Ⅱ型膠原抗體誘導的關節炎有顯著的改善效果，後經研究證明 氫氣主要通過調節巨噬細胞信號轉導通路，抑制脂多糖/幹擾素γ（LPS/IFN-γ）誘導的 NO 的生成以降低炎症水平。破骨細胞分化是導致骨丟失的重要因素，Li等發現氫氣可通過抑制細胞核因子kB（nu⁃clear factor-κB，NF-κB）活性、下調絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和蛋白激酶B（protein kinases B，Akt）信號轉導通路並減少活性氧（reactive oxygen species，ROS）的生成以阻礙NF-κB受 體 活 化 因 子 配 體（ligand of receptor activator ofNF-κB，RANKL）誘導RAW264.7細胞和骨髓破骨細胞的分化。還有研究結果顯示富氫水可抑制蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）的激活和NO的過量產生，通過調節PKC/NO信號通路起到保護運動性氧化應激損傷的作用。除以上信號通路外，大量研究結果表明氫氣可通過活化核轉錄相關因子-2（nuclear factor-ery⁃throid 2 related factor 2，Nrf2），激活 Nrf2-Keap1 信號轉導通路參與細胞的氧化應激、對細胞功能、凋亡等過程發揮調控功能；還對自由基破壞不飽和脂肪酸引發的自由基鏈式反應有調節作用，影響脂質過氧化產物的生成過程，以維持體內氧自由基和脂質過氧化反應的動態平衡，促進機體健康。

氫氣在運動領域的應用

2.1氫氣對運動氧化損傷的作用

在醫學領域，已有大量研究證明氫氣對以氧化應激為基礎的疾病有明顯改善和治療效果。運動性氧化損傷作為氧化應激損傷的一種，理論上氫氣幹預也可產生防治作用。大量研究結果顯示氫氣對大強度及劇烈運動所造成的運動性氧化應激損傷有一定的改善作用。歐明毫等研究發現，歷時4周的富氫水攝入可顯著降低大強度訓練後柔道運動員的脂質過氧化物水平，提高機體抗氧化酶SOD活性及總抗氧化能力，對大負荷運動所致的脂質氧化損傷有保護作用。Sun等研究也發現遊泳運動員補充富氫水後可有效防止高強度運動引起的自由基損傷。還有研究結果顯示富氫水可通過提高SD大鼠沉默信息調控因子3（Sirtuin 3，SIRT3）蛋白的表達、線粒體膜電位及錳超氧化物歧化酶（Man⁃ganese superoxide dismutase，Mn-SOD）活性，抑制線粒體ROS的生成，改善離心運動後骨骼肌線粒體的氧化應激損傷。這些研究表明氫氣可通過提高機體的抗氧化能力、增強自由基的清除能力以促進組織細胞氧化還原水平平衡的恢復來改善運動性氧化損傷。此外，還有研究發現氫氣改善氧化應激損傷的效果優於常規營養補充劑及抗氧化劑。胡靜比較了補充不同抗氧化劑對遊泳遠動員抗氧化能力的影響時發現短期補充富氫水可改善機體因高強度間歇訓練所致的氧化應激損傷，提高機體抗氧化能力，且較番茄紅素更為顯著。Ara 等研究結果顯示富氫水組小鼠力竭運動後的ROS上升水平顯著低於純水組，其研究證明富氫水可通過降低ROS水平，緩解過多自由基引發的氧化應激損傷，從而保護細胞膜的完整性，促進小鼠運動後的恢復，且幹預效果優於純水。陳婷等研究結果表明補充富氫水可有效抑制因反覆力竭運動引發的組織氧化應激損傷及細胞自噬，且較傳統抗氧化劑VE的攝入效果更為顯著。還有學者研究含氧水和富氫水對運動能力、疲勞恢復及氧化應激的影響後，發現富氫水組的氧化應激程度最低。

2.2氫氣對機體酸鹼性的調節作用

血液酸化常在劇烈運動時引發，具有血液pH水平低和乳酸堆積等特點。大量研究結果顯示，氫氣可緩解劇烈運動所致的機體酸化趨勢，防止血液酸化的發生。Drid等研究表明富氫水可顯著改善女子柔道運動員運動後的乳酸堆積和血液酸鹼度水平，但對血清碳酸氫鹽和運動心率無明顯影響。Ostojic 等研究發現，健康男性受試者分別連續攝入7天和14天富氫水後，其安靜及運動後血液pH值均顯著提高，且未發現不良反應。李晨等選擇 51 名男足球裁判員，觀察富氫水對反覆力竭運動後機體動脈血pH值和碳酸氫鹽濃度的影響後，發現富氫水在提高運動員基礎血液pH值的同時，可更顯著提升運動員反覆力竭運動後血液 pH 值和碳酸氫鹽水平。以上研究證明富氫水可通過改善血液pH值和乳酸堆積情況，有效防治血液酸化的發生，且較為安全。

2.3氫氣對運動機能的影響

除了緩解運動性氧化損傷和機體的酸化趨勢外， 氫氣還有改善運動疲勞、提高運動能力等作用。Aoki等在研究富氫水對急性運動引起的氧化應激和運動疲勞的影響時發現，與安慰劑組相比，富氫水組運動後血乳酸水平顯著降低，且運動疲勞出現時間較晚，證明富氫水具有緩解急性運動疲勞所致肌肉功能下降的作用。Ostojic等在男女運動員進行最大運動前、中、後補充富氫水後發現其最大自我感覺疲勞程度和血乳酸水平得到明顯改善。Pantovic等研究結果顯示短跑運動員補充富氫水後，其平均衝刺時間明顯縮短，表明富氫水具有提高運動成績的潛能。Ara等在探究富氫水對長期強迫運動小鼠抗疲勞的作用時還發現，經過 4 周的富氫水補充，富氫水組運動後血乳酸（blood lactic ac⁃id，Lac）及血尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）水平顯著下降，運動耐力明顯優於安靜對照組及純水幹預運動組。張雙雙研究結果也顯示，富氫水運動組大鼠血清BUN水平顯著低於運動組，證明富氫水具有改善運動疲勞、提高運動機能水平的作用。還有學者研究發現力竭運動後補充富氫水和葡萄糖可明顯增加腓腸肌中肌糖原含量，提高運動耐力。此外，鄒仙等通過比較力竭運動即刻補充富氫水和/或葡萄糖對SD大鼠疲勞恢復的影響時，發現聯合使用富氫水及葡萄糖比僅補充富氫水在降低血清MDA，提高運動耐力方面更為有效，提示富氫水與其它營養補劑共同使用可能更有利於機體恢復。除此之外，Ostojic等研究發現傳統治療聯合氫氣的綜合治療方式比傳統方式更為有效，口服含氫藥片、局部外用含氫包聯合傳統治療方法可顯著降低血漿粘度，加快受傷關節的功能恢復，表明氫氣具有治療運動性軟組織損傷的潛能。

氫氣常見補充方式

給氫方式包括外源性補氫與內源性補氫兩大類。目前利用氫氣治療疾病的方式有吸氫、口服富氫水、腹腔注射或輸注富氫生理鹽水等，後兩種給氫方式僅限於醫學研究階段使用。氫氣可以通過鼻導管和面罩等方式將其輸送到肺部，經過血液循環等方式擴散至細胞內部，發揮生物學效用；富氫水因其較為安全、易攜帶等特點，在日常和實驗中使用較多；氫生理鹽水由孫學軍等首創，具有準確定量氫濃度的優點；還有將氫氣溶於熱水中形成氫水浴等方式。但以上補氫方式均有其局限性，如出於氫氣安全性的考慮，臨床上吸氫多在4%濃度以下進行；而富氫水中的氫氣不太穩定，濃度較低；氫生理鹽水可能在胃腸中易缺失，故不適合多次使用。由於運動員的特殊性，運動領域常用的補氫方式為口服富氫水。因此，針對不同組織、環境和使用條件等因素，應有目的地選擇補氫方式。此外，還有學者提出可利用內源性產氫的方式補氫發揮有益生物學作用，如攝入薑黃可刺激結腸產生高濃度氫氣，促進腸道蠕動。還有研究發現飲用富氫水後其呼氫水平明顯上升，但攝入牛奶後的產氫持續時間比氫水更長。以上研究表明內源性 氫氣的合理利用也是重要的給氫方式，可根據實際情況選擇使用。

展望

大量研究證明氫氣具有緩解運動性氧化損傷、改善疲勞、提高運動成績等作用，有望成為運動領域新一代抗氧化劑。但仍有許多問題需要解決：首先，現研究未發現氫氣治療存在副作用，但應用氫分子治療的潛在風險仍然還需進一步研究。有動物實驗結果顯示富氫水幹預後大鼠脾臟雖無明顯的病理學變化，但其質量有所增加；還有臨床研究發現個別志願者攝入富氫水後有不良反應，但還需要確定該不良反應是否與富氫水有關。這些現象提示氫氣治療疾病的安全性還有待深入研究，以便確認其應用能夠讓患者收益大於風險。其次，氫氣的生物學效用強大，但已知的作用機制尚不足以解釋其效果。此外，通過綜合比較氫氣不同幹預方式和量效關係等多種因素，以及針對不同項目、不同年齡及訓練水平的運動員開展大量研究，從而明確氫氣幹預效果和使用方法，確定使用劑量、時間及方式，有望為運動人員的實際應用提供重要的參考價值。總 之，氫氣具有廣泛的生物學效用，有望發展成為防治氧化應激損傷相關疾病的新型抗氧化劑應用於臨床，在運動醫學領域也正在逐漸顯示出良好的應用價值，值得密切關注和深入研究。