氢气是一种新兴的运动补剂

自从Ohsawa开创性地发现了氢气选择性抗氧化作用，在许多病理和生理条件下，氢分子（H2）都表现出强大的抗炎、抗氧化和抗凋亡分子效应。特别是，补充氢可能成为一种缓解运动诱导的氧化应激、急性运动诱导的炎症和治疗运动损伤的有效方法，具有提高运动表现的潜力。本研究将就近年来分子氢在运动医学领域应用方面的研究进展进行综述。

1、前言

1520年，科学家帕拉塞尔斯最先记录了氢气的制备，他将硫酸倒在铁粉上发现了这种气体。英国科学家亨利·卡文迪什称这种气体为“可燃性空气”，并发现其燃烧后生成水。1783年，法国化学家拉瓦锡确认了卡文迪什的发现，提出用“氢气”（hydrogène）一词来取代“可燃性空气”。直至2007年Ohsawa等人发现氢能够与羟自由基（·OH）反应减少氧化损伤，表明氢具有选择性抗氧化作用，点燃了人们对氢气在健康方面应用的研究热情［1］。选择性抗羟自由基这一点非常重要，因为羟自由基被认为是最危险的活性氧种类，自然中又缺乏有效机制与之对抗。Ohsawa等人的研究结论是基于观察大鼠局部急性缺血再灌注模型得出，并且由静脉血中氢的水平低于动脉血的水平推测外周组织能够吸收氢。因此，氢气不仅是一种清洁燃料，还有可能是一种运动补剂。本研究将就氢气在运动中应用的作用效果及其原理进行综述，力争为这种有益气体的合理使用提供帮助，以使运动者获得更好的运动成绩和锻炼效益，同时避免运动损伤。

2、氢气与运动

无论是以比赛成绩为目标的运动训练，还是以健康为目标的体育锻炼，在某种意义上都是在氧化损伤和炎症反应与运动适应之间寻求平衡。超负荷训练是提高运动成绩的核心训练原则，这样的训练计划通常会导致肌原纤维损伤。在进行运动后，炎症以及急性氧化应激会对组织造成损害，并可能延缓骨骼肌疲劳的恢复（见图1）。为了保障运动员的健康，运动训练负荷就必须降低甚至停止训练。所以运动损伤恢复情况势必成为运动员运动表现的关键影响因素，最佳的恢复状态对于刺激肌肉再生、适应并最终提高耐力表现至关重要［2］。目前，对于运动损伤的恢复策略包括营养手段、各种物理方法，以及各种免疫和内分泌信号分子靶点干预，不一而足。但是需要注意的是，运动性肌肉损伤和随后的炎症反应是肌肉修复过程中不可或缺的一部分，这也是部分单纯以抗氧化剂和抗炎症药物为主的运动补剂会损害训练后运动适应性的原因［3］。相比之下，氢分子由于其独特的物理和化学性质，在减轻氧化应激的同时又能最大限度地保留训练效果。

图1运动性肌肉损伤的原因、生理过程和后果（Markus，etal.，2021）

2.1氢气与运动性氧应激

20世纪70年代，人们就发现运动会引起机体氧化损伤增加［4］，随后发现在收缩的骨骼肌中活性氧（ROS）产生增加［5］，运动诱导的氧应激已成为共识［6］。不仅骨骼肌，运动也会引发其他组织，如心脏、肺或血液的活性氧升高［6-7］。研究结果已经证明高浓度的活性氧会破坏细胞结构，甚至造成不可逆的损伤。运动引起的氧化损伤一直是运动训练中亟待解决的问题。最近的研究表明，低浓度的活性氧似乎可以通过触发防御机制来保护细胞免受损伤。这意味着不同浓度的ROS可能会产生一种非线性的倒U形的反应。自20世纪50年代以来，这种反应被称为“激效”（hormesis）。由于在生理状态下ROS主要由线粒体形成，因此，对线粒体ROS形成的非线性反应被称为线粒体激效（mitohormesis），线粒体激效促进了对ROS是必要的、健康所需的信号分子的认知［8］。1982年，Davies等人［9］首次提出ROS的产生可能介导骨骼的运动适应。随后，许多研究结果都支持这一假设，在急性运动中，抑制大鼠体内黄嘌呤氧化酶活性会影响肌肉有益的运动适应［10］。体外研究表明，将培养的肌管细胞暴露于过氧化氢会增加许多基因的表达，特别是会增加重要抗氧化酶的表达。当在培养基中加入抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸时，这些运动适应类似效果也会被阻断［11］。也有研究认为，在大鼠肌肉细胞中ROS是PGC-1α基因表达的必要条件，而PGC-1α是线粒体生产最主要调控因子［12］。

综上所述，这些动物和细胞实验表明，ROS能够改变培养的肌肉细胞中的基因表达。与细胞培养研究相似，越来越多的研究表明运动诱导的ROS产生改变了肌肉基因表达，并有助于诱导体内的骨骼肌对运动的适应。总而言之，氢优于传统的抗氧化剂，因为它可以选择性地减少羟自由基（·OH），同时保留重要的氧化应激信号分子——超氧阴离子（O2-）和过氧化氢（H2O2），确保这些活性氧继续进行正常的细胞信号传导［13-15］。这对提高运动表现是十分有利的，氢分子不会因抗氧化而干扰新陈代谢氧化还原反应，也不会扰乱参与细胞信号传递的ROS，并且使用氢没有不良副作用［16］。

2.2氢气与运动性炎症

反应剧烈的运动，甚至是有氧运动不仅会出现氧化应激，也会诱导各种急性炎症反应，类似于缺血性中风和心肌梗死后的应激反应［17］。炎症是免疫系统对病理刺激（如病原体）或生理应激（如体育锻炼）的反应［10］。炎症涉及细胞因子等多种介质之间复杂的相互作用。这种情况下的主要细胞因子是肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素（IL）-1β、IL-6和IL-10［18］。通过抗氧化的作用或不依赖性氧化还原途径，分子氢可能具有抗炎、抗凋亡和抗过敏作用［15］。相比于氢气，以往开发的其他针对于运动诱导的各种炎症方法效果并不显著。White等［19］研究了补充氧气对运动后炎症反应和氧化应激的影响，结果未能说明富氧环境对运动后急性炎症反应的影响。Tauler等［20］研究了咖啡因对15km跑步比赛诱发的炎症反应的影响，结果显示咖啡因似乎增强氧化应激。Popovic等［21］研究了补充维生素C对运动中氧化应激和中性粒细胞炎症反应的影响，虽然补充维生素C可以抑制过氧化过程，但对缓解炎症反应没有大的改善。相比以上补充剂，氢效应对羟自由基和过氧亚硝酸盐具有特异性消除效果，也在消除炎症方面表现出特别优势。Sergej等研究了急性软组织损伤后两周输氢对职业男运动员炎症和功能恢复的生化指标的影响，结果显示氢气可以有效地代替运动员保守治疗软组织损伤的传统方法，而口服和局部给药相结合的方式尤其有效。对于久坐不动的大鼠急性运动引发的炎症和氧化应急问题，Nogueira等［18］研究了H2补充对运动诱导神经中枢海马体的炎症作用，结果显示，吸入H2可下调促炎细胞因子（TNF-α和IL-6）的产生，上调抗炎细胞因子（IL-10）的产生，而不影响局部氧化应激状态，从而降低剧烈急性运动诱导的海马炎症。研究表明，吸入H2可能是一种很有前景的策略，可以减少剧烈的急性体育运动诱发的炎症，特别是在海马区，而海马区被认为是易受炎症损伤的大脑区域。他们还研究了富氢水对游泳小鼠的抗疲劳作用，最终研究通过氧化还原、代谢平衡和免疫因子水平等指标，显示饮用富氢水对慢性强迫游泳小鼠的抗疲劳作用。

2.3其他效用

此外，也有一些研究发现了氢气在抗疲劳和抗损伤等方面的作用。特别值得提到的是有研究发现富氢水能有效地改善男性体力活动后的血液碱度，富氢水作为碱化剂，应对运动引起的血液酸度增加可能有效。

3、总结

自从Ohsawa发现了氢气的抗氧化和细胞保护作用，动物模型和人类模型的研究一致证明，该气体具有强大的抗炎、抗氧化和抗凋亡作用。氢分子已经成为一种强大且有前途的治疗工具，可在众多生理与病例场景下使用，且无任何副作用，这些重要潜质都使得氢气有可能成为重要的运动补剂。

图2氢分子的简化生物学作用（Kawamura，etal.，2020）