王金璞 史紅顏 趙敬國(guó)

(山東師范大學(xué)體育學(xué)院，250358，濟(jì)南)

1 引 言

氫是自然界中最輕也是含量最豐富的元素，它是組成水和地球上所有有機(jī)物的重要元素之一[1].自由基是指原子核外含有未成對(duì)電子的分子、原子或離子，是人體正常代謝的產(chǎn)物，人體中95%以上的自由基是氧自由基，如O2-(超氧陰離子自由基)、H2O2(過(guò)氧化氫)、·OH(羥自由基)等，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)[2].自由基的活潑性高，氧化性極強(qiáng)，在生命體內(nèi)一直都存在，它能通過(guò)氧化作用攻擊體內(nèi)的生物大分子物質(zhì)，如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、糖類等，從而破壞細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能[3].自由基的大量產(chǎn)生或人體自身清除自由基能力的下降，都會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生多種疾病[3].氫的還原性比較弱，只與活性強(qiáng)和毒性強(qiáng)的活性氧反應(yīng)，不與具有重要信號(hào)作用的活性氧反應(yīng)，這是氫選擇性抗氧化的基礎(chǔ)[4].因此長(zhǎng)期以來(lái)，氫氣也一直被認(rèn)為是一種生理惰性氣體，很難與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng).Ohsawa[5]研究表明氫氣可以選擇性的還原羥自由基(·OH)和過(guò)氧亞硝酸鹽(ONOO-)，吸入氫氣可顯著降低氧化應(yīng)激，抑制大鼠缺血再灌注損傷引起的腦損傷.當(dāng)人體受到缺血、炎癥或劇烈運(yùn)動(dòng)等刺激時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的各種活性氧，其中羥自由基(·OH)和過(guò)氧亞硝酸鹽(ONOO-)是介導(dǎo)細(xì)胞氧化損傷的主要介質(zhì)[6].氧化應(yīng)激是指機(jī)體在遭受各種有害刺激時(shí)，體內(nèi)高活性分子如活性氧自由基(ROS)和活性氮自由基(RNS)產(chǎn)生過(guò)多，氧化程度超出氧化物的清除速度，氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡，從而導(dǎo)致組織發(fā)生氧化應(yīng)激損傷的現(xiàn)象[7,8].Valko[9]研究表明，氧化應(yīng)激可直接或間接損傷 DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等，從而引起多種疾病如缺血再灌注損傷、神經(jīng)退行性疾病、衰老、心血管疾病、高血壓、糖尿病、關(guān)節(jié)炎和腫瘤等.近年來(lái)，有關(guān)氫氣在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，為此本文將系統(tǒng)的綜述氫氣在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激中的作用，并分析氫氣的用藥途徑及其在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)缺點(diǎn).

2 氫氣在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用概述

國(guó)內(nèi)外關(guān)于動(dòng)物研究的臨床試驗(yàn)表明，攝入適量的氫氣、注射或飲用富氫鹽水會(huì)減少氧化應(yīng)激反應(yīng)，對(duì)糖尿病[10]、代謝綜合征[11]、血液透析[12]、肌肉疾病[13]、肝腫瘤[14]、腦梗死[15]、帕金森病[16]、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎[17]、膀胱炎[18]、缺血再灌注損傷[19,20]、神經(jīng)性退行性疾病[21]、運(yùn)動(dòng)軟組織損傷[22]等具有顯著的治療效果(表1).氫氣產(chǎn)生的副作用較少，因而可作為治療腦血管、心血管、癌癥及代謝性等疾病的理想候選藥物.

表1 分子氫在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的研究

3 氫氣在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

3.1氫氣的生理作用如圖1所示，氫氣具有一定的抗氧化能力，可以作為有效的抗氧化劑[5].基于抗氧化能力，分子氫能表現(xiàn)出抗炎、抗凋亡和抗過(guò)敏作用[23-25]，從而可以減少炎癥因子的生成、增加抗炎因子的釋放[26,27].研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以促進(jìn)軸突再生和神經(jīng)功能恢復(fù)[28]，改善脊髓損傷大鼠的運(yùn)動(dòng)功能[29]，還能夠在體內(nèi)和體外對(duì)抗腎小管細(xì)胞凋亡，維持腎功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)[30，31].Itoh等人[32]的研究發(fā)現(xiàn)口服富氫水可消除小鼠的急性過(guò)敏反應(yīng).除此之外，氫氣還具有信號(hào)傳導(dǎo)、基因表達(dá)等功能，也可以作為堿性劑緩沖血液，調(diào)節(jié)血液的酸堿度[33,34].

圖1 分子氫的生理作用

3.2氫氣與運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激是指在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)體清除ROS的能力不足，從而造成氧化和抗氧化失衡，引起運(yùn)動(dòng)性內(nèi)源ROS增多，導(dǎo)致脂質(zhì)、蛋白質(zhì)及核酸等多種物質(zhì)損傷的情況[35].由于高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致活性氧過(guò)量產(chǎn)生和自由基介導(dǎo)的組織損傷[36]，因此氫氣可以作為有效的抗氧化劑減輕氧化應(yīng)激和活性氧相關(guān)疾病(如微損傷與炎癥).氫氣的抗氧化作用也是其應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的基礎(chǔ).如表2所示，許多學(xué)者研究了分子氫對(duì)運(yùn)動(dòng)大鼠氧化應(yīng)激的影響，研究結(jié)果表明補(bǔ)充氫水可以減輕大鼠大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)和力竭運(yùn)動(dòng)后骨骼肌的氧化應(yīng)激損傷，保護(hù)其細(xì)胞膜和線粒體等結(jié)構(gòu)的完整性，有效抑制其骨骼肌細(xì)胞過(guò)度自噬[3,4].李愛(ài)春[37]通過(guò)讓大鼠進(jìn)行一次性大強(qiáng)度力竭運(yùn)動(dòng)，證明了富氫水可以延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，增強(qiáng)抗疲勞能力，提高運(yùn)動(dòng)能力.耿雪[38]用不同劑量的氫氣進(jìn)行干預(yù)研究，結(jié)果顯示中劑量的氫氣對(duì)改善大鼠運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激損傷的效果最為顯著.Nogueira[39]通過(guò)大鼠的80%的最大速度跑步實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氫氣可以使TNF-α和IL-6降低，減輕大鼠的急性運(yùn)動(dòng)性炎癥.王磊等人[40]的研究表明，富氫水可以上調(diào)SIRT3的表達(dá)，從而抑制離心運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的線粒體氧化應(yīng)激和繼發(fā)的炎癥反應(yīng).除了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，也有學(xué)者研究了分子氫對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的影響，如李晨[41]和Ostojic[34]證實(shí)了富氫水可以調(diào)節(jié)機(jī)體酸堿性，改善血液PH和乳酸堆積；季程程[42]則證明了富氫水可以減輕人體運(yùn)動(dòng)后的氧化應(yīng)激損傷，降低大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中的乳酸堆積，延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)員持續(xù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間.

表2 氫氣在運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激中的作用

4 氫氣用藥途徑

有多種方法被用來(lái)向人體輸送分子氫，不同的方法呈現(xiàn)出不同的優(yōu)缺點(diǎn)，主要有以下幾種用藥途徑.

4.1呼吸道吸入H220世紀(jì)，人類把氫氣作為一種潛水呼吸氣體，氫氣在潛水運(yùn)動(dòng)醫(yī)療領(lǐng)域扮演著非常重要的角色[44].近年來(lái)，氫氣在醫(yī)療研究領(lǐng)域逐漸受到重視.程冰封[45]研究了吸入氫氣對(duì)慢性腎臟病患者腎功能改善情況的影響.該研究隨機(jī)選取臨床慢性腎臟病患者，試驗(yàn)組患者按計(jì)劃吸入氫氣輔助基礎(chǔ)治療,吸入流量為300 mL/min,時(shí)間為6 h/d,結(jié)果證明吸入氫氣可以改善患者氧化應(yīng)激及微炎癥狀態(tài),保護(hù)腎臟病患者的腎功能.另外，氫氣在新型冠狀病毒肺炎患者治療中也顯示了重要作用[46].

4.2通過(guò)皮膚用藥除了呼吸道吸入氫氣之外，氫水洗浴也是一種具有普遍適用性的方法.Ohta[47]描述了日常生活中氫氣融入人體的一種具體方案，即進(jìn)行溶解氫氣溫水浴，因?yàn)闅浜苋菀状┩钙つw，可以通過(guò)遍布全身的組織血流達(dá)到目標(biāo)器官.也有相關(guān)研究表明，在運(yùn)動(dòng)損傷治療中可以直接在軟組織損傷部位使用富氫劑[48].

4.3口服富氫水這種給藥方法主要通過(guò)口服一定濃度的富氫水，減少氧化應(yīng)激反應(yīng).該方法應(yīng)用廣泛，在臨床醫(yī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中有較多成功案例.如在糖尿病治療中，通過(guò)口服8周，900 mL/d的富氫水，可以降低患者的血清低密度脂蛋白[10].在肝腫瘤放射治療中，通過(guò)口服6周，1.5～2 L/d富氫水，可以降低患者的血清活性氧化代謝衍生物[14].在肌肉疾病治療中，通過(guò)口服8周，1 L/d富氫水，可以降低患者的乳酸與丙酮酸比值及其空腹血糖與血清乳酸值[13].

4.4注射氫氣生理鹽水靜脈注射生理鹽水是一種可以快速向活體提供大量氫氣的方法，然而，由于靜脈注射具有侵入性，這種方法可能難以在體育領(lǐng)域中使用，在臨床醫(yī)學(xué)中應(yīng)用較為廣泛，如在急性腦干梗死治療中，通過(guò)單次靜脈注射250 mL的HRW，可以使患者的相對(duì)擴(kuò)散加權(quán)圖像清晰度和區(qū)域表觀擴(kuò)散系數(shù)升高[49].

5 氫氣在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的展望

5.1氫氣應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)氫氣與傳統(tǒng)的抗氧化劑相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：1)氫氣對(duì)生理活性氧的親和力低，不影響具有信號(hào)作用的活性氧，不會(huì)對(duì)原有的運(yùn)動(dòng)功能造成損傷；2)氫氣具有多種給藥途徑，可以根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)情景和目的選擇合適的給藥方式；3)無(wú)論人還是動(dòng)物，氫氣對(duì)影響其運(yùn)動(dòng)的生化指標(biāo)都有著潛在的作用；4)氫氣能夠向靶點(diǎn)部位快速擴(kuò)散，對(duì)運(yùn)動(dòng)功能多表現(xiàn)為即刻的影響.此外，潛水醫(yī)學(xué)的長(zhǎng)期研究證明了氫氣對(duì)人體沒(méi)有毒副作用[50].因此，氫氣在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景.

5.2待解決的問(wèn)題先前的研究表明，輕度到中度的體育鍛煉以及伴隨的活性氧生成會(huì)誘導(dǎo)有利的適應(yīng)，從而增強(qiáng)對(duì)氧化損傷的抵抗力[49].似乎由運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的細(xì)胞毒性活性氧(ROS)能上調(diào)抗氧化防御，限制骨骼肌線粒體自由基的形成，從而導(dǎo)致ROS的堿基水平降低以及抗氧化和損傷修復(fù)酶的活性增加[50].氫氣作為一種選擇性的抗氧化劑，可能會(huì)對(duì)這種與氧化應(yīng)激相關(guān)的積極適應(yīng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不利影響.目前，還沒(méi)有相關(guān)研究證實(shí)氫氣能阻斷氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性反應(yīng).因此，有必要進(jìn)行深入的研究，以評(píng)估氫氣給藥對(duì)體力活動(dòng)受試者可能的興奮調(diào)節(jié)作用(包括激活抗氧化防御機(jī)制).此外，氫氣對(duì)人體運(yùn)動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)還較少，且缺乏長(zhǎng)期的安全性研究.

6 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，氫氣作為一種醫(yī)學(xué)干預(yù)手段，吸引了許多學(xué)者的關(guān)注，也有大量研究證實(shí)了氫氣可以在臨床治療疾病中發(fā)揮重要作用.但氫氣在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，仍是需要不斷探索的全新領(lǐng)域.目前的研究表明，氫氣干預(yù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練有著許多積極的影響，比如可以降低運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激損傷，減輕運(yùn)動(dòng)性炎癥，緩沖血液，防止運(yùn)動(dòng)后的乳酸堆積，預(yù)防運(yùn)動(dòng)性酸中毒等.但是仍有許多亟待解決的問(wèn)題，比如氫氣影響運(yùn)動(dòng)功能的作用機(jī)制，哪種給氫途徑更加便利有效等.