氢分子改善运动性氧化损伤的机制与应用研究进展

耿雪 李志慧 谭锐 刘赫男 高大文 巩文静 张林 张成岗

1北京体育大学（北京 100084）

2苏州大学体育学院（江苏苏州 215021）

3军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所，全军军事认知与心理卫生研究中心（北京 100850）

氧化应激是机体在遭受外界刺激时产生过量自由基和/或抗氧化能力的下降而引起的氧化还原系统的失衡，为多种代谢性疾病、癌症的发病基础[1]。运动作为氧化应激的重要应激源，长时间、大强度运动所诱发的氧化应激可使机体产生疲劳，影响运动表现甚至危害健康[2]。因此，如何防治运动性氧化应激损伤已成为学者们普遍关注的重点，但现有抗氧化剂应用效果并不理想且争议较大[3]。氢分子（H2）是一种相对分子质量最小、无色、无味，具有一定还原性且高度易燃的气体，被认为可能是体内第四大气体信号分子，可通过扩散穿透各种生物膜到达线粒体、细胞核等部位，与传统抗氧化物质相比，具有选择性清除羟自由基和氧自由基等有害物质、还原性强、代谢产物简单等特点[4]。目前已证明其在脑缺血、代谢综合征等多种人类疾病中具有显著或潜在的治疗效果[5]，同时还有延缓运动员疲劳[6]、提高运动表现[7]和治疗运动性损伤[8]等潜能。

1 H2作用的可能机制

自2007年日本学者太田成男报道吸入2%H2可显著改善大鼠脑缺血再灌注损伤，并发现H2可通过选择性中和羟自由基和过氧亚硝酸阴离子产生选择性抗氧化作用后，掀起H2医学研究热潮[9]。随着研究的不断深入，陆续发现H2具有抗氧化、抗炎、抗凋亡、调节细胞内信号转导系统及下游基因表达等作用。

1.1 选择性抗氧化

·OH和ONOO-是毒性最强的自由基，其浓度过高可引起严重的细胞损伤。前者是引发自由基链式反应的主要物质，可与DNA碱基中的π键结合形成8-羟基脱氧鸟苷（8-hydroxydeoxyguanosine，8-OhdG），后者可使游离或蛋白质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等自由基浓度过高或转化为毒性强的活性氧时也可产生毒性作用，如O2-可攻击不饱和脂肪酸等物质产生脂质过氧化损伤，生成丙二醛（Malondialdehyde，MDA）[12]。Ohsawa等在细胞水平证明H2可选择性清除·OH和ONOO-，而对具有信号转导等生物学作用、毒性较低的活性氧无明显影响[9]。而后Oharazawa等在视网膜缺血再灌注损伤中发现，H2可显著降低氧化应激造成的·OH活性上升，证明H2在组织水平上具有缓解氧化应激损伤的作用[13]。针对运动性氧化应激损伤的研究，也表现出类似结果。李爱春研究富氢水改善运动性氧化应激损伤的作用机制时发现，富氢水可抑制诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）活性和一氧化氮（nitric oxide，NO）的过多生成、释放，减轻NO介导的氧化损伤，提高机体抗氧化活性，对运动性氧化应激有良好的保护作用[14，15]。胡静[16]也报道了氢水可抑制H2O2的过量产生，提高机体对O2-的抑制率，显著降低·OH。以上研究证明H2可通过选择性清除自由基降低氧化损伤标志物水平，从而改善运动性氧化应激损伤。

1.2 抗炎、抗凋亡作用

随着研究的不断深入，有研究发现H2除了选择性抗氧化作用外，还具有抗炎、抗凋亡的作用。Buchholz等首次在小肠移植引发的缺血再灌注损伤中发现吸入2%H2后可明显抑制因移植诱导的趋化因子2（chemokine C-C motif ligand2，CCL2）、白介素-1β（interleu-kin 1β，IL-1β）、白介素-6（interleukin 6，IL-6）和肿瘤坏死因子（tumor necrosisfactor，TNF-α）水平的上升，证明H2具有抗炎作用[17]。Ara等[18]在研究富氢水对运动小鼠抗氧化的作用时也发现，长期补充富氢水还可显著降低血清TNF-α、IL-6、白介素-17（interleukin 17，IL-17）和肝脏白介素-1（interleukin 1，IL-1）的水平。王磊等[19]研究结果表明富氢水可有效降低IL-1β和NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD-like receptor pyrin domain containing 3，NLRP3）的表达，表明富氢水对运动性氧化应激引发的炎症反应同样有改善作用。还有学者研究长期饮用富氢水对女子少年足球运动员抗氧化能力的影响后发现，其血清IL-1、IL-6及TNF-α的水平显著降低，证明富氢水具有提高机体抗炎活性的潜能[20]。而刘宏伟等研究PC12细胞缺氧复氧后进行H2干预的影响时还发现H2可显著降低MDA、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3（cysteine-containing aspartate-specific proteases3，Caspase-3）、活化转录因子4（activating transcription factor4，ATF4）mRNA 和 C/EBP同源蛋白（C/EBP homologous protein，CHOP）mRNA的表达水平，表明H2除降低脂质过氧化物水平外，还可改善细胞凋亡程度，达到抑制内质网氧化应激、缓解PC12细胞缺氧复氧损伤的作用[21]。

1.3 对信号通路的调节作用

部分研究结果显示H2可通过参与细胞内信号转导通路的调节发挥有益作用。Itoh等发现口服富氢水对于抗Ⅱ型胶原抗体诱导的关节炎有显著的改善效果，后经研究证明H2主要通过调节巨噬细胞信号转导通路，抑制脂多糖/干扰素γ（LPS/IFN-γ）诱导的NO的生成以降低炎症水平[22]。破骨细胞分化是导致骨丢失的重要因素，Li等发现H2可通过抑制细胞核因子kB（nuclear factor-κB，NF-κB）活性、下调丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和蛋白激酶B（protein kinases B，Akt）信号转导通路并减少活性氧（reactive oxygen species，ROS）的生成以阻碍NF-κB受体活化因子配体（ligand of receptor activator of NF-κB，RANKL）诱导RAW264.7细胞和骨髓破骨细胞的分化[23]。还有研究结果显示富氢水可抑制蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）的激活和NO的过量产生，通过调节PKC/NO信号通路起到保护运动性氧化应激损伤的作用[15]。除以上信号通路外，大量研究结果表明H2可通过活化核转录相关因子-2（nuclear factor-erythroid 2 related factor 2，Nrf2），激活Nrf2-Keap1信号转导通路参与细胞的氧化应激、对细胞功能、凋亡等过程发挥调控功能；还对自由基破坏不饱和脂肪酸引发的自由基链式反应有调节作用，影响脂质过氧化产物的生成过程，以维持体内氧自由基和脂质过氧化反应的动态平衡，促进机体健康[24]。

2 H2在运动领域的应用

2.1 H H2 2对运动氧化损伤的作用

在医学领域，已有大量研究证明H2对以氧化应激为基础的疾病有明显改善和治疗效果[24]。运动性氧化损伤作为氧化应激损伤的一种，理论上H2干预也可产生防治作用。大量研究结果显示H2对大强度及剧烈运动所造成的运动性氧化应激损伤有一定的改善作用。欧明毫等[25]研究发现，历时4周的富氢水摄入可显著降低大强度训练后柔道运动员的脂质过氧化物水平，提高机体抗氧化酶SOD活性及总抗氧化能力，对大负荷运动所致的脂质氧化损伤有保护作用。Sun等[26]研究也发现游泳运动员补充富氢水后可有效防止高强度运动引起的自由基损伤。还有研究结果显示富氢水可通过提高SD大鼠沉默信息调控因子3（Sirtuin 3，SIRT3）蛋白的表达、线粒体膜电位及锰超氧化物歧化酶（Manganese superoxide dismutase，Mn-SOD）活性，抑制线粒体ROS的生成，改善离心运动后骨骼肌线粒体的氧化应激损伤[19]。这些研究表明H2可通过提高机体的抗氧化能力、增强自由基的清除能力以促进组织细胞氧化还原水平平衡的恢复来改善运动性氧化损伤。

此外，还有研究发现H2改善氧化应激损伤的效果优于常规营养补充剂及抗氧化剂。胡静比较了补充不同抗氧化剂对游泳远动员抗氧化能力的影响时发现短期补充富氢水可改善机体因高强度间歇训练所致的氧化应激损伤，提高机体抗氧化能力，且较番茄红素更为显著[16]。Ara等研究结果显示富氢水组小鼠力竭运动后的ROS上升水平显著低于纯水组，其研究证明富氢水可通过降低ROS水平，缓解过多自由基引发的氧化应激损伤，从而保护细胞膜的完整性，促进小鼠运动后的恢复，且干预效果优于纯水[18]。陈婷等研究结果表明补充富氢水可有效抑制因反复力竭运动引发的组织氧化应激损伤及细胞自噬，且较传统抗氧化剂VE的摄入效果更为显著[27]。还有学者研究含氧水和富氢水对运动能力、疲劳恢复及氧化应激的影响后，发现富氢水组的氧化应激程度最低[28]。

2.2 H H2 2对机体酸碱性的调节作用

血液酸化常在剧烈运动时引发，具有血液pH水平低和乳酸堆积等特点。大量研究结果显示，H2可缓解剧烈运动所致的机体酸化趋势，防止血液酸化的发生[29-32]。Drid等[29]研究表明富氢水可显著改善女子柔道运动员运动后的乳酸堆积和血液酸碱度水平，但对血清碳酸氢盐和运动心率无明显影响。Ostojic等研究发现，健康男性受试者分别连续摄入7天和14天富氢水后，其安静及运动后血液pH值均显著提高，且未发现不良反应[30，31]。李晨等选择51名男足球裁判员，观察富氢水对反复力竭运动后机体动脉血pH值和碳酸氢盐浓度的影响后，发现富氢水在提高运动员基础血液pH值的同时，可更显著提升运动员反复力竭运动后血液pH值和碳酸氢盐水平[32]。以上研究证明富氢水可通过改善血液pH值和乳酸堆积情况，有效防治血液酸化的发生，且较为安全。

2.3 H H2 2对运动机能的影响

除了缓解运动性氧化损伤和机体的酸化趋势外，H2还有改善运动疲劳、提高运动能力等作用。Aoki等[6]在研究富氢水对急性运动引起的氧化应激和运动疲劳的影响时发现，与安慰剂组相比，富氢水组运动后血乳酸水平显著降低，且运动疲劳出现时间较晚，证明富氢水具有缓解急性运动疲劳所致肌肉功能下降的作用。Ostojic等[33]在男女运动员进行最大运动前、中、后补充富氢水后发现其最大自我感觉疲劳程度和血乳酸水平得到明显改善。Pantovic等[7]研究结果显示短跑运动员补充富氢水后，其平均冲刺时间明显缩短，表明富氢水具有提高运动成绩的潜能。Ara等在探究富氢水对长期强迫运动小鼠抗疲劳的作用时还发现，经过4周的富氢水补充，富氢水组运动后血乳酸（blood lactic acid，Lac）及血尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）水平显著下降，运动耐力明显优于安静对照组及纯水干预运动组[18]。张双双研究结果也显示，富氢水运动组大鼠血清BUN水平显著低于运动组，证明富氢水具有改善运动疲劳、提高运动机能水平的作用[10]。还有学者研究发现力竭运动后补充富氢水和葡萄糖可明显增加腓肠肌中肌糖原含量，提高运动耐力[34]。

此外，邹仙等[34]通过比较力竭运动即刻补充富氢水和/或葡萄糖对SD大鼠疲劳恢复的影响时，发现联合使用富氢水及葡萄糖比仅补充富氢水在降低血清MDA，提高运动耐力方面更为有效，提示富氢水与其它营养补剂共同使用可能更有利于机体恢复。除此之外，Ostojic等[8]研究发现传统治疗联合H2的综合治疗方式比传统方式更为有效，口服含氢药片、局部外用含氢包联合传统治疗方法可显著降低血浆粘度，加快受伤关节的功能恢复，表明H2具有治疗运动性软组织损伤的潜能。

3 H2常见补充方式

给氢方式包括外源性补氢与内源性补氢两大类。目前利用H2治疗疾病的方式有吸氢、口服富氢水、腹腔注射或输注富氢生理盐水等，后两种给氢方式仅限于医学研究阶段使用。H2可以通过鼻导管和面罩等方式将其输送到肺部，经过血液循环等方式扩散至细胞内部，发挥生物学效用；富氢水因其较为安全、易携带等特点，在日常和实验中使用较多；氢生理盐水由孙学军等首创，具有准确定量氢浓度的优点；还有将H2溶于热水中形成氢水浴等方式[35]。但以上补氢方式均有其局限性，如出于H2安全性的考虑，临床上吸氢多在4%浓度以下进行；而富氢水中的H2不太稳定，浓度较低；氢生理盐水可能在胃肠中易缺失，故不适合多次使用[33]。由于运动员的特殊性，运动领域常用的补氢方式为口服富氢水。因此，针对不同组织、环境和使用条件等因素，应有目的地选择补氢方式。此外，还有学者提出可利用内源性产氢的方式补氢发挥有益生物学作用[36]，如摄入姜黄可刺激结肠产生高浓度H2，促进肠道蠕动[37]。还有研究发现饮用富氢水后其呼氢水平明显上升，但摄入牛奶后的产氢持续时间比氢水更长[38]。以上研究表明内源性H2的合理利用也是重要的给氢方式，可根据实际情况选择使用。

4 展望

大量研究证明H2具有缓解运动性氧化损伤、改善疲劳、提高运动成绩等作用，有望成为运动领域新一代抗氧化剂。但仍有许多问题需要解决：首先，现研究未发现H2治疗存在副作用，但应用氢分子治疗的潜在风险仍然还需进一步研究。有动物实验结果显示富氢水干预后大鼠脾脏虽无明显的病理学变化，但其质量有所增加；还有临床研究发现个别志愿者摄入富氢水后有不良反应，但还需要确定该不良反应是否与富氢水有关[39，40]。这些现象提示H2治疗疾病的安全性还有待深入研究，以便确认其应用能够让患者收益大于风险。其次，H2的生物学效用强大，但已知的作用机制尚不足以解释其效果。此外，通过综合比较H2不同干预方式和量效关系等多种因素，以及针对不同项目、不同年龄及训练水平的运动员开展大量研究，从而明确H2干预效果和使用方法，确定使用剂量、时间及方式，有望为运动人员的实际应用提供重要的参考价值。总之，H2具有广泛的生物学效用，有望发展成为防治氧化应激损伤相关疾病的新型抗氧化剂应用于临床，在运动医学领域也正在逐渐显示出良好的应用价值，值得密切关注和深入研究。