氢气在运动医学领域应用的研究进展

2022-04-01 11:43王金璞史红颜赵敬国
关键词:运动性活性氧氢气

王金璞 史红颜 赵敬国

(山东师范大学体育学院,250358,济南)

1 引 言

氢是自然界中最轻也是含量最丰富的元素,它是组成水和地球上所有有机物的重要元素之一[1].自由基是指原子核外含有未成对电子的分子、原子或离子,是人体正常代谢的产物,人体中95%以上的自由基是氧自由基,如O2-(超氧阴离子自由基)、H2O2(过氧化氢)、·OH(羟自由基)等,这些物质统称为活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)[2].自由基的活泼性高,氧化性极强,在生命体内一直都存在,它能通过氧化作用攻击体内的生物大分子物质,如脂质、蛋白质、糖类等,从而破坏细胞的结构和功能[3].自由基的大量产生或人体自身清除自由基能力的下降,都会导致人体产生多种疾病[3].氢的还原性比较弱,只与活性强和毒性强的活性氧反应,不与具有重要信号作用的活性氧反应,这是氢选择性抗氧化的基础[4].因此长期以来,氢气也一直被认为是一种生理惰性气体,很难与其他物质发生反应.Ohsawa[5]研究表明氢气可以选择性的还原羟自由基(·OH)和过氧亚硝酸盐(ONOO-),吸入氢气可显著降低氧化应激,抑制大鼠缺血再灌注损伤引起的脑损伤.当人体受到缺血、炎症或剧烈运动等刺激时,会产生大量的各种活性氧,其中羟自由基(·OH)和过氧亚硝酸盐(ONOO-)是介导细胞氧化损伤的主要介质[6].氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时,体内高活性分子如活性氧自由基(ROS)和活性氮自由基(RNS)产生过多,氧化程度超出氧化物的清除速度,氧化系统和抗氧化系统失衡,从而导致组织发生氧化应激损伤的现象[7,8].Valko[9]研究表明,氧化应激可直接或间接损伤 DNA、蛋白质和脂质等,从而引起多种疾病如缺血再灌注损伤、神经退行性疾病、衰老、心血管疾病、高血压、糖尿病、关节炎和肿瘤等.近年来,有关氢气在医学领域和运动领域应用的研究受到越来越多的关注,为此本文将系统的综述氢气在医学领域以及运动性氧化应激中的作用,并分析氢气的用药途径及其在运动医学领域的优缺点.

2 氢气在医学中的应用概述

国内外关于动物研究的临床试验表明,摄入适量的氢气、注射或饮用富氢盐水会减少氧化应激反应,对糖尿病[10]、代谢综合征[11]、血液透析[12]、肌肉疾病[13]、肝肿瘤[14]、脑梗死[15]、帕金森病[16]、类风湿关节炎[17]、膀胱炎[18]、缺血再灌注损伤[19,20]、神经性退行性疾病[21]、运动软组织损伤[22]等具有显著的治疗效果(表1).氢气产生的副作用较少,因而可作为治疗脑血管、心血管、癌症及代谢性等疾病的理想候选药物.

表1 分子氢在医学应用中的研究

3 氢气在运动医学的应用

3.1氢气的生理作用如图1所示,氢气具有一定的抗氧化能力,可以作为有效的抗氧化剂[5].基于抗氧化能力,分子氢能表现出抗炎、抗凋亡和抗过敏作用[23-25],从而可以减少炎症因子的生成、增加抗炎因子的释放[26,27].研究发现,氢气可以促进轴突再生和神经功能恢复[28],改善脊髓损伤大鼠的运动功能[29],还能够在体内和体外对抗肾小管细胞凋亡,维持肾功能正常运转[30,31].Itoh等人[32]的研究发现口服富氢水可消除小鼠的急性过敏反应.除此之外,氢气还具有信号传导、基因表达等功能,也可以作为碱性剂缓冲血液,调节血液的酸碱度[33,34].

图1 分子氢的生理作用

3.2氢气与运动性氧化应激运动性氧化应激是指在剧烈运动时,由于机体清除ROS的能力不足,从而造成氧化和抗氧化失衡,引起运动性内源ROS增多,导致脂质、蛋白质及核酸等多种物质损伤的情况[35].由于高强度运动会导致活性氧过量产生和自由基介导的组织损伤[36],因此氢气可以作为有效的抗氧化剂减轻氧化应激和活性氧相关疾病(如微损伤与炎症).氢气的抗氧化作用也是其应用于运动训练的基础.如表2所示,许多学者研究了分子氢对运动大鼠氧化应激的影响,研究结果表明补充氢水可以减轻大鼠大强度运动和力竭运动后骨骼肌的氧化应激损伤,保护其细胞膜和线粒体等结构的完整性,有效抑制其骨骼肌细胞过度自噬[3,4].李爱春[37]通过让大鼠进行一次性大强度力竭运动,证明了富氢水可以延长运动时间,增强抗疲劳能力,提高运动能力.耿雪[38]用不同剂量的氢气进行干预研究,结果显示中剂量的氢气对改善大鼠运动性氧化应激损伤的效果最为显著.Nogueira[39]通过大鼠的80%的最大速度跑步实验,发现氢气可以使TNF-α和IL-6降低,减轻大鼠的急性运动性炎症.王磊等人[40]的研究表明,富氢水可以上调SIRT3的表达,从而抑制离心运动诱导的线粒体氧化应激和继发的炎症反应.除了动物实验,也有学者研究了分子氢对人体运动的影响,如李晨[41]和Ostojic[34]证实了富氢水可以调节机体酸碱性,改善血液PH和乳酸堆积;季程程[42]则证明了富氢水可以减轻人体运动后的氧化应激损伤,降低大强度运动中的乳酸堆积,延长运动员持续运动的时间.

表2 氢气在运动性氧化应激中的作用

4 氢气用药途径

有多种方法被用来向人体输送分子氢,不同的方法呈现出不同的优缺点,主要有以下几种用药途径.

4.1呼吸道吸入H220世纪,人类把氢气作为一种潜水呼吸气体,氢气在潜水运动医疗领域扮演着非常重要的角色[44].近年来,氢气在医疗研究领域逐渐受到重视.程冰封[45]研究了吸入氢气对慢性肾脏病患者肾功能改善情况的影响.该研究随机选取临床慢性肾脏病患者,试验组患者按计划吸入氢气辅助基础治疗,吸入流量为300 mL/min,时间为6 h/d,结果证明吸入氢气可以改善患者氧化应激及微炎症状态,保护肾脏病患者的肾功能.另外,氢气在新型冠状病毒肺炎患者治疗中也显示了重要作用[46].

4.2通过皮肤用药除了呼吸道吸入氢气之外,氢水洗浴也是一种具有普遍适用性的方法.Ohta[47]描述了日常生活中氢气融入人体的一种具体方案,即进行溶解氢气温水浴,因为氢很容易穿透皮肤,可以通过遍布全身的组织血流达到目标器官.也有相关研究表明,在运动损伤治疗中可以直接在软组织损伤部位使用富氢剂[48].

4.3口服富氢水这种给药方法主要通过口服一定浓度的富氢水,减少氧化应激反应.该方法应用广泛,在临床医学和运动医学中有较多成功案例.如在糖尿病治疗中,通过口服8周,900 mL/d的富氢水,可以降低患者的血清低密度脂蛋白[10].在肝肿瘤放射治疗中,通过口服6周,1.5~2 L/d富氢水,可以降低患者的血清活性氧化代谢衍生物[14].在肌肉疾病治疗中,通过口服8周,1 L/d富氢水,可以降低患者的乳酸与丙酮酸比值及其空腹血糖与血清乳酸值[13].

4.4注射氢气生理盐水静脉注射生理盐水是一种可以快速向活体提供大量氢气的方法,然而,由于静脉注射具有侵入性,这种方法可能难以在体育领域中使用,在临床医学中应用较为广泛,如在急性脑干梗死治疗中,通过单次静脉注射250 mL的HRW,可以使患者的相对扩散加权图像清晰度和区域表观扩散系数升高[49].

5 氢气在运动医学领域应用的展望

5.1氢气应用的优势氢气与传统的抗氧化剂相比具有很多优点:1)氢气对生理活性氧的亲和力低,不影响具有信号作用的活性氧,不会对原有的运动功能造成损伤;2)氢气具有多种给药途径,可以根据不同的运动情景和目的选择合适的给药方式;3)无论人还是动物,氢气对影响其运动的生化指标都有着潜在的作用;4)氢气能够向靶点部位快速扩散,对运动功能多表现为即刻的影响.此外,潜水医学的长期研究证明了氢气对人体没有毒副作用[50].因此,氢气在运动医学领域具有良好的应用前景.

5.2待解决的问题先前的研究表明,轻度到中度的体育锻炼以及伴随的活性氧生成会诱导有利的适应,从而增强对氧化损伤的抵抗力[49].似乎由运动诱导产生的细胞毒性活性氧(ROS)能上调抗氧化防御,限制骨骼肌线粒体自由基的形成,从而导致ROS的碱基水平降低以及抗氧化和损伤修复酶的活性增加[50].氢气作为一种选择性的抗氧化剂,可能会对这种与氧化应激相关的积极适应运动产生不利影响.目前,还没有相关研究证实氢气能阻断氧化应激诱导的运动适应性反应.因此,有必要进行深入的研究,以评估氢气给药对体力活动受试者可能的兴奋调节作用(包括激活抗氧化防御机制).此外,氢气对人体运动影响的实验还较少,且缺乏长期的安全性研究.

6 结 语

近年来,氢气作为一种医学干预手段,吸引了许多学者的关注,也有大量研究证实了氢气可以在临床治疗疾病中发挥重要作用.但氢气在运动医学中的应用,仍是需要不断探索的全新领域.目前的研究表明,氢气干预运动训练有着许多积极的影响,比如可以降低运动性氧化应激损伤,减轻运动性炎症,缓冲血液,防止运动后的乳酸堆积,预防运动性酸中毒等.但是仍有许多亟待解决的问题,比如氢气影响运动功能的作用机制,哪种给氢途径更加便利有效等.

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