自從Ohsawa開創(chuàng)性地發(fā)現(xiàn)了氫氣選擇性抗氧化作用，在許多病理和生理條件下，氫分子（H2）都表現(xiàn)出強(qiáng)大的抗炎、抗氧化和抗凋亡分子效應(yīng)。特別是，補(bǔ)充氫可能成為一種緩解運(yùn)動誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、急性運(yùn)動誘導(dǎo)的炎癥和治療運(yùn)動損傷的有效方法，具有提高運(yùn)動表現(xiàn)的潛力。本研究將就近年來分子氫在運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1、前言

1520年，科學(xué)家帕拉塞爾斯最先記錄了氫氣的制備，他將硫酸倒在鐵粉上發(fā)現(xiàn)了這種氣體。英國科學(xué)家亨利·卡文迪什稱這種氣體為“可燃性空氣”，并發(fā)現(xiàn)其燃燒后生成水。1783年，法國化學(xué)家拉瓦錫確認(rèn)了卡文迪什的發(fā)現(xiàn)，提出用“氫氣”（hydrogène）一詞來取代“可燃性空氣”。直至2007年Ohsawa等人發(fā)現(xiàn)氫能夠與羥自由基（·OH）反應(yīng)減少氧化損傷，表明氫具有選擇性抗氧化作用，點(diǎn)燃了人們對氫氣在健康方面應(yīng)用的研究熱情［1］。選擇性抗羥自由基這一點(diǎn)非常重要，因為羥自由基被認(rèn)為是最危險的活性氧種類，自然中又缺乏有效機(jī)制與之對抗。Ohsawa等人的研究結(jié)論是基于觀察大鼠局部急性缺血再灌注模型得出，并且由靜脈血中氫的水平低于動脈血的水平推測外周組織能夠吸收氫。因此，氫氣不僅是一種清潔燃料，還有可能是一種運(yùn)動補(bǔ)劑。本研究將就氫氣在運(yùn)動中應(yīng)用的作用效果及其原理進(jìn)行綜述，力爭為這種有益氣體的合理使用提供幫助，以使運(yùn)動者獲得更好的運(yùn)動成績和鍛煉效益，同時避免運(yùn)動損傷。

2、氫氣與運(yùn)動

無論是以比賽成績?yōu)槟繕?biāo)的運(yùn)動訓(xùn)練，還是以健康為目標(biāo)的體育鍛煉，在某種意義上都是在氧化損傷和炎癥反應(yīng)與運(yùn)動適應(yīng)之間尋求平衡。超負(fù)荷訓(xùn)練是提高運(yùn)動成績的核心訓(xùn)練原則，這樣的訓(xùn)練計劃通常會導(dǎo)致肌原纖維損傷。在進(jìn)行運(yùn)動后，炎癥以及急性氧化應(yīng)激會對組織造成損害，并可能延緩骨骼肌疲勞的恢復(fù)（見圖1）。為了保障運(yùn)動員的健康，運(yùn)動訓(xùn)練負(fù)荷就必須降低甚至停止訓(xùn)練。所以運(yùn)動損傷恢復(fù)情況勢必成為運(yùn)動員運(yùn)動表現(xiàn)的關(guān)鍵影響因素，最佳的恢復(fù)狀態(tài)對于刺激肌肉再生、適應(yīng)并最終提高耐力表現(xiàn)至關(guān)重要［2］。目前，對于運(yùn)動損傷的恢復(fù)策略包括營養(yǎng)手段、各種物理方法，以及各種免疫和內(nèi)分泌信號分子靶點(diǎn)干預(yù)，不一而足。但是需要注意的是，運(yùn)動性肌肉損傷和隨后的炎癥反應(yīng)是肌肉修復(fù)過程中不可或缺的一部分，這也是部分單純以抗氧化劑和抗炎癥藥物為主的運(yùn)動補(bǔ)劑會損害訓(xùn)練后運(yùn)動適應(yīng)性的原因［3］。相比之下，氫分子由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在減輕氧化應(yīng)激的同時又能最大限度地保留訓(xùn)練效果。

圖1運(yùn)動性肌肉損傷的原因、生理過程和后果（Markus，etal.，2021）

2.1氫氣與運(yùn)動性氧應(yīng)激

20世紀(jì)70年代，人們就發(fā)現(xiàn)運(yùn)動會引起機(jī)體氧化損傷增加［4］，隨后發(fā)現(xiàn)在收縮的骨骼肌中活性氧（ROS）產(chǎn)生增加［5］，運(yùn)動誘導(dǎo)的氧應(yīng)激已成為共識［6］。不僅骨骼肌，運(yùn)動也會引發(fā)其他組織，如心臟、肺或血液的活性氧升高［6-7］。研究結(jié)果已經(jīng)證明高濃度的活性氧會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，甚至造成不可逆的損傷。運(yùn)動引起的氧化損傷一直是運(yùn)動訓(xùn)練中亟待解決的問題。最近的研究表明，低濃度的活性氧似乎可以通過觸發(fā)防御機(jī)制來保護(hù)細(xì)胞免受損傷。這意味著不同濃度的ROS可能會產(chǎn)生一種非線性的倒U形的反應(yīng)。自20世紀(jì)50年代以來，這種反應(yīng)被稱為“激效”（hormesis）。由于在生理狀態(tài)下ROS主要由線粒體形成，因此，對線粒體ROS形成的非線性反應(yīng)被稱為線粒體激效（mitohormesis），線粒體激效促進(jìn)了對ROS是必要的、健康所需的信號分子的認(rèn)知［8］。1982年，Davies等人［9］首次提出ROS的產(chǎn)生可能介導(dǎo)骨骼的運(yùn)動適應(yīng)。隨后，許多研究結(jié)果都支持這一假設(shè)，在急性運(yùn)動中，抑制大鼠體內(nèi)黃嘌呤氧化酶活性會影響肌肉有益的運(yùn)動適應(yīng)［10］。體外研究表明，將培養(yǎng)的肌管細(xì)胞暴露于過氧化氫會增加許多基因的表達(dá)，特別是會增加重要抗氧化酶的表達(dá)。當(dāng)在培養(yǎng)基中加入抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸時，這些運(yùn)動適應(yīng)類似效果也會被阻斷［11］。也有研究認(rèn)為，在大鼠肌肉細(xì)胞中ROS是PGC-1α基因表達(dá)的必要條件，而PGC-1α是線粒體生產(chǎn)最主要調(diào)控因子［12］。

綜上所述，這些動物和細(xì)胞實(shí)驗表明，ROS能夠改變培養(yǎng)的肌肉細(xì)胞中的基因表達(dá)。與細(xì)胞培養(yǎng)研究相似，越來越多的研究表明運(yùn)動誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生改變了肌肉基因表達(dá)，并有助于誘導(dǎo)體內(nèi)的骨骼肌對運(yùn)動的適應(yīng)。總而言之，氫優(yōu)于傳統(tǒng)的抗氧化劑，因為它可以選擇性地減少羥自由基（·OH），同時保留重要的氧化應(yīng)激信號分子——超氧陰離子（O2-）和過氧化氫（H2O2），確保這些活性氧繼續(xù)進(jìn)行正常的細(xì)胞信號傳導(dǎo)［13-15］。這對提高運(yùn)動表現(xiàn)是十分有利的，氫分子不會因抗氧化而干擾新陳代謝氧化還原反應(yīng)，也不會擾亂參與細(xì)胞信號傳遞的ROS，并且使用氫沒有不良副作用［16］。

2.2氫氣與運(yùn)動性炎癥

反應(yīng)劇烈的運(yùn)動，甚至是有氧運(yùn)動不僅會出現(xiàn)氧化應(yīng)激，也會誘導(dǎo)各種急性炎癥反應(yīng)，類似于缺血性中風(fēng)和心肌梗死后的應(yīng)激反應(yīng)［17］。炎癥是免疫系統(tǒng)對病理刺激（如病原體）或生理應(yīng)激（如體育鍛煉）的反應(yīng)［10］。炎癥涉及細(xì)胞因子等多種介質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用。這種情況下的主要細(xì)胞因子是腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細(xì)胞介素（IL）-1β、IL-6和IL-10［18］。通過抗氧化的作用或不依賴性氧化還原途徑，分子氫可能具有抗炎、抗凋亡和抗過敏作用［15］。相比于氫氣，以往開發(fā)的其他針對于運(yùn)動誘導(dǎo)的各種炎癥方法效果并不顯著。White等［19］研究了補(bǔ)充氧氣對運(yùn)動后炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激的影響，結(jié)果未能說明富氧環(huán)境對運(yùn)動后急性炎癥反應(yīng)的影響。Tauler等［20］研究了咖啡因?qū)?5km跑步比賽誘發(fā)的炎癥反應(yīng)的影響，結(jié)果顯示咖啡因似乎增強(qiáng)氧化應(yīng)激。Popovic等［21］研究了補(bǔ)充維生素C對運(yùn)動中氧化應(yīng)激和中性粒細(xì)胞炎癥反應(yīng)的影響，雖然補(bǔ)充維生素C可以抑制過氧化過程，但對緩解炎癥反應(yīng)沒有大的改善。相比以上補(bǔ)充劑，氫效應(yīng)對羥自由基和過氧亞硝酸鹽具有特異性消除效果，也在消除炎癥方面表現(xiàn)出特別優(yōu)勢。Sergej等研究了急性軟組織損傷后兩周輸氫對職業(yè)男運(yùn)動員炎癥和功能恢復(fù)的生化指標(biāo)的影響，結(jié)果顯示氫氣可以有效地代替運(yùn)動員保守治療軟組織損傷的傳統(tǒng)方法，而口服和局部給藥相結(jié)合的方式尤其有效。對于久坐不動的大鼠急性運(yùn)動引發(fā)的炎癥和氧化應(yīng)急問題，Nogueira等［18］研究了H2補(bǔ)充對運(yùn)動誘導(dǎo)神經(jīng)中樞海馬體的炎癥作用，結(jié)果顯示，吸入H2可下調(diào)促炎細(xì)胞因子（TNF-α和IL-6）的產(chǎn)生，上調(diào)抗炎細(xì)胞因子（IL-10）的產(chǎn)生，而不影響局部氧化應(yīng)激狀態(tài)，從而降低劇烈急性運(yùn)動誘導(dǎo)的海馬炎癥。研究表明，吸入H2可能是一種很有前景的策略，可以減少劇烈的急性體育運(yùn)動誘發(fā)的炎癥，特別是在海馬區(qū)，而海馬區(qū)被認(rèn)為是易受炎癥損傷的大腦區(qū)域。他們還研究了富氫水對游泳小鼠的抗疲勞作用，最終研究通過氧化還原、代謝平衡和免疫因子水平等指標(biāo)，顯示飲用富氫水對慢性強(qiáng)迫游泳小鼠的抗疲勞作用。

2.3其他效用

此外，也有一些研究發(fā)現(xiàn)了氫氣在抗疲勞和抗損傷等方面的作用。特別值得提到的是有研究發(fā)現(xiàn)富氫水能有效地改善男性體力活動后的血液堿度，富氫水作為堿化劑，應(yīng)對運(yùn)動引起的血液酸度增加可能有效。

3、總結(jié)

自從Ohsawa發(fā)現(xiàn)了氫氣的抗氧化和細(xì)胞保護(hù)作用，動物模型和人類模型的研究一致證明，該氣體具有強(qiáng)大的抗炎、抗氧化和抗凋亡作用。氫分子已經(jīng)成為一種強(qiáng)大且有前途的治療工具，可在眾多生理與病例場景下使用，且無任何副作用，這些重要潛質(zhì)都使得氫氣有可能成為重要的運(yùn)動補(bǔ)劑。

圖2氫分子的簡化生物學(xué)作用（Kawamura，etal.，2020）