氫分子改善運(yùn)動(dòng)性氧化損傷的機(jī)制與應(yīng)用研究進(jìn)展

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(rèn)知與心理衛(wèi)生研究中心（北京 100850）

氧化應(yīng)激是機(jī)體在遭受外界刺激時(shí)產(chǎn)生過(guò)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(yùn)動(dòng)作為氧化應(yīng)激的重要應(yīng)激源，長(zhǎng)時(shí)間、大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)所誘發(fā)的氧化應(yīng)激可使機(jī)體產(chǎn)生疲勞，影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)甚至危害健康[2]。因此，如何防治運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激損傷已成為學(xué)者們普遍關(guān)注的重點(diǎn)，但現(xiàn)有抗氧化劑應(yīng)用效果并不理想且爭(zhēng)議較大[3]。氫分子（H2）是一種相對(duì)分子質(zhì)量最小、無(wú)色、無(wú)味，具有一定還原性且高度易燃的氣體，被認(rèn)為可能是體內(nèi)第四大氣體信號(hào)分子，可通過(guò)擴(kuò)散穿透各種生物膜到達(dá)線(xiàn)粒體、細(xì)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(qiáng)、代謝產(chǎn)物簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[4]。目前已證明其在腦缺血、代謝綜合征等多種人類(lèi)疾病中具有顯著或潛在的治療效果[5]，同時(shí)還有延緩運(yùn)動(dòng)員疲勞[6]、提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)[7]和治療運(yùn)動(dòng)性損傷[8]等潛能。

1 H2作用的可能機(jī)制

自2007年日本學(xué)者太田成男報(bào)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(guò)選擇性中和羥自由基和過(guò)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(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)及下游基因表達(dá)等作用。

1.1 選擇性抗氧化

·OH和ONOO-是毒性最強(qiáng)的自由基，其濃度過(guò)高可引起嚴(yán)重的細(xì)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(niǎo)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(guò)高或轉(zhuǎn)化為毒性強(qiáng)的活性氧時(shí)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(guò)氧化損傷，生成丙二醛（Malondialdehyde，MDA）[12]。Ohsawa等在細(xì)胞水平證明H2可選擇性清除·OH和ONOO-，而對(duì)具有信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等生物學(xué)作用、毒性較低的活性氧無(wú)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(duì)運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激損傷的研究，也表現(xiàn)出類(lèi)似結(jié)果。李?lèi)?ài)春研究富氫水改善運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激損傷的作用機(jī)制時(shí)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(guò)多生成、釋放，減輕NO介導(dǎo)的氧化損傷，提高機(jī)體抗氧化活性，對(duì)運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激有良好的保護(hù)作用[14，15]。胡靜[16]也報(bào)道了氫水可抑制H2O2的過(guò)量產(chǎn)生，提高機(jī)體對(duì)O2-的抑制率，顯著降低·OH。以上研究證明H2可通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)小鼠抗氧化的作用時(shí)也發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期補(bǔ)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(dá)，表明富氫水對(duì)運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)期飲用富氫水對(duì)女子少年足球運(yùn)動(dòng)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(jī)體抗炎活性的潛能[20]。而劉宏偉等研究PC12細(xì)胞缺氧復(fù)氧后進(jìn)行H2干預(yù)的影響時(shí)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(dá)水平，表明H2除降低脂質(zhì)過(guò)氧化物水平外，還可改善細(xì)胞凋亡程度，達(dá)到抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化應(yīng)激、緩解PC12細(xì)胞缺氧復(fù)氧損傷的作用[21]。

1.3 對(duì)信號(hào)通路的調(diào)節(jié)作用

部分研究結(jié)果顯示H2可通過(guò)參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)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(duì)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(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞信號(hào)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(xì)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(guò)抑制細(xì)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(hào)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(xì)胞和骨髓破骨細(xì)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(guò)量產(chǎn)生，通過(guò)調(diào)節(jié)PKC/NO信號(hào)通路起到保護(hù)運(yùn)動(dòng)性氧化應(yīng)激損傷的作用[15]。除以上信號(hào)通路外，大量研究結(jié)果表明H2可通過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路參與細(xì)胞的氧化應(yīng)激、對(duì)細(xì)胞功能、凋亡等過(guò)程發(fā)揮調(diào)控功能；還對(duì)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(guò)氧化產(chǎn)物的生成過(guò)程，以維持體內(nèi)氧自由基和脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡，促進(jìn)機(jī)體健康[24]。

2 H2在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 H H2 2對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)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(duì)大強(qiáng)度及劇烈運(yùn)動(dòng)所造成的運(yùn)動(dòng)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(shí)4周的富氫水?dāng)z入可顯著降低大強(qiáng)度訓(xùn)練后柔道運(yùn)動(dòng)員的脂質(zhì)過(guò)氧化物水平，提高機(jī)體抗氧化酶SOD活性及總抗氧化能力，對(duì)大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)所致的脂質(zhì)氧化損傷有保護(hù)作用。Sun等[26]研究也發(fā)現(xiàn)游泳運(yùn)動(dòng)員補(bǔ)充富氫水后可有效防止高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)引起的自由基損傷。還有研究結(jié)果顯示富氫水可通過(guò)提高SD大鼠沉默信息調(diào)控因子3（Sirtuin 3，SIRT3）蛋白的表達(dá)、線(xiàn)粒體膜電位及錳超氧化物歧化酶（Manganese superoxide dismutase，Mn-SOD）活性，抑制線(xiàn)粒體ROS的生成，改善離心運(yùn)動(dòng)后骨骼肌線(xiàn)粒體的氧化應(yīng)激損傷[19]。這些研究表明H2可通過(guò)提高機(jī)體的抗氧化能力、增強(qiáng)自由基的清除能力以促進(jìn)組織細(xì)胞氧化還原水平平衡的恢復(fù)來(lái)改善運(yùn)動(dòng)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(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑及抗氧化劑。胡靜比較了補(bǔ)充不同抗氧化劑對(duì)游泳遠(yuǎn)動(dòng)員抗氧化能力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)短期補(bǔ)充富氫水可改善機(jī)體因高強(qiáng)度間歇訓(xùn)練所致的氧化應(yīng)激損傷，提高機(jī)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(yùn)動(dòng)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(guò)降低ROS水平，緩解過(guò)多自由基引發(fā)的氧化應(yīng)激損傷，從而保護(hù)細(xì)胞膜的完整性，促進(jìn)小鼠運(yùn)動(dòng)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(bǔ)充富氫水可有效抑制因反復(fù)力竭運(yùn)動(dòng)引發(fā)的組織氧化應(yīng)激損傷及細(xì)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)機(jī)體酸堿性的調(diào)節(jié)作用

血液酸化常在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)引發(fā)，具有血液pH水平低和乳酸堆積等特點(diǎn)。大量研究結(jié)果顯示，H2可緩解劇烈運(yùn)動(dòng)所致的機(jī)體酸化趨勢(shì)，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(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)后的乳酸堆積和血液酸堿度水平，但對(duì)血清碳酸氫鹽和運(yùn)動(dòng)心率無(wú)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(yùn)動(dòng)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(duì)反復(fù)力竭運(yùn)動(dòng)后機(jī)體動(dòng)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(yùn)動(dòng)員基礎(chǔ)血液pH值的同時(shí)，可更顯著提升運(yùn)動(dòng)員反復(fù)力竭運(yùn)動(dòng)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(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)能的影響

除了緩解運(yùn)動(dòng)性氧化損傷和機(jī)體的酸化趨勢(shì)外，H2還有改善運(yùn)動(dòng)疲勞、提高運(yùn)動(dòng)能力等作用。Aoki等[6]在研究富氫水對(duì)急性運(yùn)動(dòng)引起的氧化應(yīng)激和運(yùn)動(dòng)疲勞的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，與安慰劑組相比，富氫水組運(yùn)動(dòng)后血乳酸水平顯著降低，且運(yùn)動(dòng)疲勞出現(xiàn)時(shí)間較晚，證明富氫水具有緩解急性運(yùn)動(dòng)疲勞所致肌肉功能下降的作用。Ostojic等[33]在男女運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行最大運(yùn)動(dòng)前、中、后補(bǔ)充富氫水后發(fā)現(xiàn)其最大自我感覺(jué)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(yùn)動(dòng)員補(bǔ)充富氫水后，其平均沖刺時(shí)間明顯縮短，表明富氫水具有提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的潛能。Ara等在探究富氫水對(duì)長(zhǎng)期強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)小鼠抗疲勞的作用時(shí)還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)4周的富氫水補(bǔ)充，富氫水組運(yùn)動(dòng)后血乳酸（blood lactic acid，Lac）及血尿素氮（blood urea nitrogen，BUN）水平顯著下降，運(yùn)動(dòng)耐力明顯優(yōu)于安靜對(duì)照組及純水干預(yù)運(yùn)動(dòng)組[18]。張雙雙研究結(jié)果也顯示，富氫水運(yùn)動(dòng)組大鼠血清BUN水平顯著低于運(yùn)動(dòng)組，證明富氫水具有改善運(yùn)動(dòng)疲勞、提高運(yùn)動(dòng)機(jī)能水平的作用[10]。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)力竭運(yùn)動(dòng)后補(bǔ)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(yùn)動(dòng)耐力[34]。

此外，鄒仙等[34]通過(guò)比較力竭運(yùn)動(dòng)即刻補(bǔ)充富氫水和/或葡萄糖對(duì)SD大鼠疲勞恢復(fù)的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合使用富氫水及葡萄糖比僅補(bǔ)充富氫水在降低血清MDA，提高運(yùn)動(dòng)耐力方面更為有效，提示富氫水與其它營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)劑共同使用可能更有利于機(jī)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(yùn)動(dòng)性軟組織損傷的潛能。

3 H2常見(jiàn)補(bǔ)充方式

給氫方式包括外源性補(bǔ)氫與內(nèi)源性補(bǔ)氫兩大類(lèi)。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(guò)鼻導(dǎo)管和面罩等方式將其輸送到肺部，經(jīng)過(guò)血液循環(huán)等方式擴(kuò)散至細(xì)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(diǎn)，在日常和實(shí)驗(yàn)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(diǎn)；還有將H2溶于熱水中形成氫水浴等方式[35]。但以上補(bǔ)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(jìn)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(yùn)動(dòng)員的特殊性，運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域常用的補(bǔ)氫方式為口服富氫水。因此，針對(duì)不同組織、環(huán)境和使用條件等因素，應(yīng)有目的地選擇補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)腸道蠕動(dòng)[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(shí)間比氫水更長(zhǎng)[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(shí)際情況選擇使用。

4 展望

大量研究證明H2具有緩解運(yùn)動(dòng)性氧化損傷、改善疲勞、提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)等作用，有望成為運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域新一代抗氧化劑。但仍有許多問(wèn)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(xiǎn)仍然還需進(jìn)一步研究。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示富氫水干預(yù)后大鼠脾臟雖無(wú)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(gè)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(rèn)其應(yīng)用能夠讓患者收益大于風(fēng)險(xiǎn)。其次，H2的生物學(xué)效用強(qiáng)大，但已知的作用機(jī)制尚不足以解釋其效果。此外，通過(guò)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(duì)不同項(xiàng)目、不同年齡及訓(xùn)練水平的運(yùn)動(dòng)員開(kāi)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(shí)間及方式，有望為運(yùn)動(dòng)人員的實(shí)際應(yīng)用提供重要的參考價(jià)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(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也正在逐漸顯示出良好的應(yīng)用價(jià)值，值得密切關(guān)注和深入研究。