耿雪 李志慧 譚銳 劉赫男 高大文 鞏文靜 張林 張成崗

1北京體育大學(xué)（北京 100084）

2蘇州大學(xué)體育學(xué)院（江蘇蘇州 215021）

3軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院輻射醫(yī)學(xué)研究所，全軍軍事認知與心理衛(wèi)生研究中心（北京 100850）

氧化應(yīng)激是機體在遭受外界刺激時產(chǎn)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(tǒng)的失衡，為多種代謝性疾病、癌癥的發(fā)病基礎(chǔ)[1]。運動作為氧化應(yīng)激的重要應(yīng)激源，長時間、大強度運動所誘發(fā)的氧化應(yīng)激可使機體產(chǎn)生疲勞，影響運動表現(xiàn)甚至危害健康[2]。因此，如何防治運動性氧化應(yīng)激損傷已成為學(xué)者們普遍關(guān)注的重點，但現(xiàn)有抗氧化劑應(yīng)用效果并不理想且爭議較大[3]。氫分子（H2）是一種相對分子質(zhì)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(nèi)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(tǒng)抗氧化物質(zhì)相比，具有選擇性清除羥自由基和氧自由基等有害物質(zhì)、還原性強、代謝產(chǎn)物簡單等特點[4]。目前已證明其在腦缺血、代謝綜合征等多種人類疾病中具有顯著或潛在的治療效果[5]，同時還有延緩運動員疲勞[6]、提高運動表現(xiàn)[7]和治療運動性損傷[8]等潛能。

1 H2作用的可能機制

自2007年日本學(xué)者太田成男報道吸入2%H2可顯著改善大鼠腦缺血再灌注損傷，并發(fā)現(xiàn)H2可通過選擇性中和羥自由基和過氧亞硝酸陰離子產(chǎn)生選擇性抗氧化作用后，掀起H2醫(yī)學(xué)研究熱潮[9]。隨著研究的不斷深入，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)H2具有抗氧化、抗炎、抗凋亡、調(diào)節(jié)細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及下游基因表達等作用。

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(yán)重的細胞損傷。前者是引發(fā)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的主要物質(zhì)，可與DNA堿基中的π鍵結(jié)合形成8-羥基脫氧鳥苷（8-hydroxydeoxyguanosine，8-OhdG），后者可使游離或蛋白質(zhì)中的酪氨酸硝基化形成3-硝基酪氨酸（3-nitrotyrosine，3-NT）[10，11]。此外，O2-、H2O2等自由基濃度過高或轉(zhuǎn)化為毒性強的活性氧時也可產(chǎn)生毒性作用，如O2-可攻擊不飽和脂肪酸等物質(zhì)產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化損傷，生成丙二醛（Malondialdehyde，MDA）[12]。Ohsawa等在細胞水平證明H2可選擇性清除·OH和ONOO-，而對具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等生物學(xué)作用、毒性較低的活性氧無明顯影響[9]。而后Oharazawa等在視網(wǎng)膜缺血再灌注損傷中發(fā)現(xiàn)，H2可顯著降低氧化應(yīng)激造成的·OH活性上升，證明H2在組織水平上具有緩解氧化應(yīng)激損傷的作用[13]。針對運動性氧化應(yīng)激損傷的研究，也表現(xiàn)出類似結(jié)果。李愛春研究富氫水改善運動性氧化應(yīng)激損傷的作用機制時發(fā)現(xiàn)，富氫水可抑制誘導(dǎo)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(dǎo)的氧化損傷，提高機體抗氧化活性，對運動性氧化應(yīng)激有良好的保護作用[14，15]。胡靜[16]也報道了氫水可抑制H2O2的過量產(chǎn)生，提高機體對O2-的抑制率，顯著降低·OH。以上研究證明H2可通過選擇性清除自由基降低氧化損傷標(biāo)志物水平，從而改善運動性氧化應(yīng)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(fā)現(xiàn)H2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(fā)的缺血再灌注損傷中發(fā)現(xiàn)吸入2%H2后可明顯抑制因移植誘導(dǎo)的趨化因子2（chemokine C-C motif ligand2，CCL2）、白介素-1β（interleu-kin 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H2具有抗炎作用[17]。Ara等[18]在研究富氫水對運動小鼠抗氧化的作用時也發(fā)現(xiàn)，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[19]研究結(jié)果表明富氫水可有效降低IL-1β和NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3（NOD-like receptor pyrin domain containing 3，NLRP3）的表達，表明富氫水對運動性氧化應(yīng)激引發(fā)的炎癥反應(yīng)同樣有改善作用。還有學(xué)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后發(fā)現(xiàn)，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[20]。而劉宏偉等研究PC12細胞缺氧復(fù)氧后進行H2干預(yù)的影響時還發(fā)現(xiàn)H2可顯著降低MDA、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（cysteine-containing aspartate-specific proteases3，Caspase-3）、活化轉(zhuǎn)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H2除降低脂質(zhì)過氧化物水平外，還可改善細胞凋亡程度，達到抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化應(yīng)激、緩解PC12細胞缺氧復(fù)氧損傷的作用[21]。

1.3 對信號通路的調(diào)節(jié)作用

部分研究結(jié)果顯示H2可通過參與細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)節(jié)發(fā)揮有益作用。Itoh等發(fā)現(xiàn)口服富氫水對于抗Ⅱ型膠原抗體誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎有顯著的改善效果，后經(jīng)研究證明H2主要通過調(diào)節(jié)巨噬細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，抑制脂多糖/干擾素γ（LPS/IFN-γ）誘導(dǎo)的NO的生成以降低炎癥水平[22]。破骨細胞分化是導(dǎo)致骨丟失的重要因素，Li等發(fā)現(xiàn)H2可通過抑制細胞核因子kB（nuclear factor-κB，NF-κB）活性、下調(diào)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(zhuǎn)導(dǎo)通路并減少活性氧（reactive oxygen species，ROS）的生成以阻礙NF-κB受體活化因子配體（ligand of receptor activator of NF-κB，RANKL）誘導(dǎo)RAW264.7細胞和骨髓破骨細胞的分化[23]。還有研究結(jié)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(chǎn)生，通過調(diào)節(jié)PKC/NO信號通路起到保護運動性氧化應(yīng)激損傷的作用[15]。除以上信號通路外，大量研究結(jié)果表明H2可通過活化核轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子-2（nuclear factor-erythroid 2 related factor 2，Nrf2），激活Nrf2-Keap1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路參與細胞的氧化應(yīng)激、對細胞功能、凋亡等過程發(fā)揮調(diào)控功能；還對自由基破壞不飽和脂肪酸引發(fā)的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)有調(diào)節(jié)作用，影響脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物的生成過程，以維持體內(nèi)氧自由基和脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的動態(tài)平衡，促進機體健康[24]。

2 H2在運動領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 H H2 2對運動氧化損傷的作用

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，已有大量研究證明H2對以氧化應(yīng)激為基礎(chǔ)的疾病有明顯改善和治療效果[24]。運動性氧化損傷作為氧化應(yīng)激損傷的一種，理論上H2干預(yù)也可產(chǎn)生防治作用。大量研究結(jié)果顯示H2對大強度及劇烈運動所造成的運動性氧化應(yīng)激損傷有一定的改善作用。歐明毫等[25]研究發(fā)現(xiàn)，歷時4周的富氫水?dāng)z入可顯著降低大強度訓(xùn)練后柔道運動員的脂質(zhì)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(zhì)氧化損傷有保護作用。Sun等[26]研究也發(fā)現(xiàn)游泳運動員補充富氫水后可有效防止高強度運動引起的自由基損傷。還有研究結(jié)果顯示富氫水可通過提高SD大鼠沉默信息調(diào)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（Manganese superoxide dismutase，Mn-SOD）活性，抑制線粒體ROS的生成，改善離心運動后骨骼肌線粒體的氧化應(yīng)激損傷[19]。這些研究表明H2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(fù)來改善運動性氧化損傷。

此外，還有研究發(fā)現(xiàn)H2改善氧化應(yīng)激損傷的效果優(yōu)于常規(guī)營養(yǎng)補充劑及抗氧化劑。胡靜比較了補充不同抗氧化劑對游泳遠動員抗氧化能力的影響時發(fā)現(xiàn)短期補充富氫水可改善機體因高強度間歇訓(xùn)練所致的氧化應(yīng)激損傷，提高機體抗氧化能力，且較番茄紅素更為顯著[16]。Ara等研究結(jié)果顯示富氫水組小鼠力竭運動后的ROS上升水平顯著低于純水組，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(fā)的氧化應(yīng)激損傷，從而保護細胞膜的完整性，促進小鼠運動后的恢復(fù)，且干預(yù)效果優(yōu)于純水[18]。陳婷等研究結(jié)果表明補充富氫水可有效抑制因反復(fù)力竭運動引發(fā)的組織氧化應(yīng)激損傷及細胞自噬，且較傳統(tǒng)抗氧化劑VE的攝入效果更為顯著[27]。還有學(xué)者研究含氧水和富氫水對運動能力、疲勞恢復(fù)及氧化應(yīng)激的影響后，發(fā)現(xiàn)富氫水組的氧化應(yīng)激程度最低[28]。

2.2 H H2 2對機體酸堿性的調(diào)節(jié)作用

血液酸化常在劇烈運動時引發(fā)，具有血液pH水平低和乳酸堆積等特點。大量研究結(jié)果顯示，H2可緩解劇烈運動所致的機體酸化趨勢，防止血液酸化的發(fā)生[29-32]。Drid等[29]研究表明富氫水可顯著改善女子柔道運動員運動后的乳酸堆積和血液酸堿度水平，但對血清碳酸氫鹽和運動心率無明顯影響。Ostojic等研究發(fā)現(xiàn)，健康男性受試者分別連續(xù)攝入7天和14天富氫水后，其安靜及運動后血液pH值均顯著提高，且未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)[30，31]。李晨等選擇51名男足球裁判員，觀察富氫水對反復(fù)力竭運動后機體動脈血pH值和碳酸氫鹽濃度的影響后，發(fā)現(xiàn)富氫水在提高運動員基礎(chǔ)血液pH值的同時，可更顯著提升運動員反復(fù)力竭運動后血液pH值和碳酸氫鹽水平[32]。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(fā)生，且較為安全。

2.3 H H2 2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，H2還有改善運動疲勞、提高運動能力等作用。Aoki等[6]在研究富氫水對急性運動引起的氧化應(yīng)激和運動疲勞的影響時發(fā)現(xiàn)，與安慰劑組相比，富氫水組運動后血乳酸水平顯著降低，且運動疲勞出現(xiàn)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[33]在男女運動員進行最大運動前、中、后補充富氫水后發(fā)現(xiàn)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[7]研究結(jié)果顯示短跑運動員補充富氫水后，其平均沖刺時間明顯縮短，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(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4周的富氫水補充，富氫水組運動后血乳酸（blood lactic acid，Lac）及血尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）水平顯著下降，運動耐力明顯優(yōu)于安靜對照組及純水干預(yù)運動組[18]。張雙雙研究結(jié)果也顯示，富氫水運動組大鼠血清BUN水平顯著低于運動組，證明富氫水具有改善運動疲勞、提高運動機能水平的作用[10]。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)力竭運動后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[34]。

此外，鄒仙等[34]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(fù)的影響時，發(fā)現(xiàn)聯(lián)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(yǎng)補劑共同使用可能更有利于機體恢復(fù)。除此之外，Ostojic等[8]研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)治療聯(lián)合H2的綜合治療方式比傳統(tǒng)方式更為有效，口服含氫藥片、局部外用含氫包聯(lián)合傳統(tǒng)治療方法可顯著降低血漿粘度，加快受傷關(guān)節(jié)的功能恢復(fù)，表明H2具有治療運動性軟組織損傷的潛能。

3 H2常見補充方式

給氫方式包括外源性補氫與內(nèi)源性補氫兩大類。目前利用H2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，后兩種給氫方式僅限于醫(yī)學(xué)研究階段使用。H2可以通過鼻導(dǎo)管和面罩等方式將其輸送到肺部，經(jīng)過血液循環(huán)等方式擴散至細胞內(nèi)部，發(fā)揮生物學(xué)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(xué)軍等首創(chuàng)，具有準(zhǔn)確定量氫濃度的優(yōu)點；還有將H2溶于熱水中形成氫水浴等方式[35]。但以上補氫方式均有其局限性，如出于H2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H2不太穩(wěn)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[33]。由于運動員的特殊性，運動領(lǐng)域常用的補氫方式為口服富氫水。因此，針對不同組織、環(huán)境和使用條件等因素，應(yīng)有目的地選擇補氫方式。此外，還有學(xué)者提出可利用內(nèi)源性產(chǎn)氫的方式補氫發(fā)揮有益生物學(xué)作用[36]，如攝入姜黃可刺激結(jié)腸產(chǎn)生高濃度H2，促進腸道蠕動[37]。還有研究發(fā)現(xiàn)飲用富氫水后其呼氫水平明顯上升，但攝入牛奶后的產(chǎn)氫持續(xù)時間比氫水更長[38]。以上研究表明內(nèi)源性H2的合理利用也是重要的給氫方式，可根據(jù)實際情況選擇使用。

4 展望

大量研究證明H2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(lǐng)域新一代抗氧化劑。但仍有許多問題需要解決：首先，現(xiàn)研究未發(fā)現(xiàn)H2治療存在副作用，但應(yīng)用氫分子治療的潛在風(fēng)險仍然還需進一步研究。有動物實驗結(jié)果顯示富氫水干預(yù)后大鼠脾臟雖無明顯的病理學(xué)變化，但其質(zhì)量有所增加；還有臨床研究發(fā)現(xiàn)個別志愿者攝入富氫水后有不良反應(yīng)，但還需要確定該不良反應(yīng)是否與富氫水有關(guān)[39，40]。這些現(xiàn)象提示H2治療疾病的安全性還有待深入研究，以便確認其應(yīng)用能夠讓患者收益大于風(fēng)險。其次，H2的生物學(xué)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H2不同干預(yù)方式和量效關(guān)系等多種因素，以及針對不同項目、不同年齡及訓(xùn)練水平的運動員開展大量研究，從而明確H2干預(yù)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(yīng)用提供重要的參考價值?？傊琀2具有廣泛的生物學(xué)效用，有望發(fā)展成為防治氧化應(yīng)激損傷相關(guān)疾病的新型抗氧化劑應(yīng)用于臨床，在運動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也正在逐漸顯示出良好的應(yīng)用價值，值得密切關(guān)注和深入研究。