氫氣是一種新興的運動補劑

自從Ohsawa開創性地發現了氫氣選擇性抗氧化作用，在許多病理和生理條件下，氫分子（H2）都表現出強大的抗炎、抗氧化和抗凋亡分子效應。特別是，補充氫可能成為一種緩解運動誘導的氧化應激、急性運動誘導的炎癥和治療運動損傷的有效方法，具有提高運動表現的潛力。本研究將就近年來分子氫在運動醫學領域應用方面的研究進展進行綜述。

1、前言

1520年，科學家帕拉塞爾斯最先記錄了氫氣的制備，他將硫酸倒在鐵粉上發現了這種氣體。英國科學家亨利·卡文迪什稱這種氣體為“可燃性空氣”，并發現其燃燒后生成水。1783年，法國化學家拉瓦錫確認了卡文迪什的發現，提出用“氫氣”（hydrogène）一詞來取代“可燃性空氣”。直至2007年Ohsawa等人發現氫能夠與羥自由基（·OH）反應減少氧化損傷，表明氫具有選擇性抗氧化作用，點燃了人們對氫氣在健康方面應用的研究熱情［1］。選擇性抗羥自由基這一點非常重要，因為羥自由基被認為是最危險的活性氧種類，自然中又缺乏有效機制與之對抗。Ohsawa等人的研究結論是基于觀察大鼠局部急性缺血再灌注模型得出，并且由靜脈血中氫的水平低于動脈血的水平推測外周組織能夠吸收氫。因此，氫氣不僅是一種清潔燃料，還有可能是一種運動補劑。本研究將就氫氣在運動中應用的作用效果及其原理進行綜述，力爭為這種有益氣體的合理使用提供幫助，以使運動者獲得更好的運動成績和鍛煉效益，同時避免運動損傷。

2、氫氣與運動

無論是以比賽成績為目標的運動訓練，還是以健康為目標的體育鍛煉，在某種意義上都是在氧化損傷和炎癥反應與運動適應之間尋求平衡。超負荷訓練是提高運動成績的核心訓練原則，這樣的訓練計劃通常會導致肌原纖維損傷。在進行運動后，炎癥以及急性氧化應激會對組織造成損害，并可能延緩骨骼肌疲勞的恢復（見圖1）。為了保障運動員的健康，運動訓練負荷就必須降低甚至停止訓練。所以運動損傷恢復情況勢必成為運動員運動表現的關鍵影響因素，最佳的恢復狀態對于刺激肌肉再生、適應并最終提高耐力表現至關重要［2］。目前，對于運動損傷的恢復策略包括營養手段、各種物理方法，以及各種免疫和內分泌信號分子靶點干預，不一而足。但是需要注意的是，運動性肌肉損傷和隨后的炎癥反應是肌肉修復過程中不可或缺的一部分，這也是部分單純以抗氧化劑和抗炎癥藥物為主的運動補劑會損害訓練后運動適應性的原因［3］。相比之下，氫分子由于其獨特的物理和化學性質，在減輕氧化應激的同時又能最大限度地保留訓練效果。

圖1運動性肌肉損傷的原因、生理過程和后果（Markus，etal.，2021）

2.1氫氣與運動性氧應激

20世紀70年代，人們就發現運動會引起機體氧化損傷增加［4］，隨后發現在收縮的骨骼肌中活性氧（ROS）產生增加［5］，運動誘導的氧應激已成為共識［6］。不僅骨骼肌，運動也會引發其他組織，如心臟、肺或血液的活性氧升高［6-7］。研究結果已經證明高濃度的活性氧會破壞細胞結構，甚至造成不可逆的損傷。運動引起的氧化損傷一直是運動訓練中亟待解決的問題。最近的研究表明，低濃度的活性氧似乎可以通過觸發防御機制來保護細胞免受損傷。這意味著不同濃度的ROS可能會產生一種非線性的倒U形的反應。自20世紀50年代以來，這種反應被稱為“激效”（hormesis）。由于在生理狀態下ROS主要由線粒體形成，因此，對線粒體ROS形成的非線性反應被稱為線粒體激效（mitohormesis），線粒體激效促進了對ROS是必要的、健康所需的信號分子的認知［8］。1982年，Davies等人［9］首次提出ROS的產生可能介導骨骼的運動適應。隨后，許多研究結果都支持這一假設，在急性運動中，抑制大鼠體內黃嘌呤氧化酶活性會影響肌肉有益的運動適應［10］。體外研究表明，將培養的肌管細胞暴露于過氧化氫會增加許多基因的表達，特別是會增加重要抗氧化酶的表達。當在培養基中加入抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸時，這些運動適應類似效果也會被阻斷［11］。也有研究認為，在大鼠肌肉細胞中ROS是PGC-1α基因表達的必要條件，而PGC-1α是線粒體生產最主要調控因子［12］。

綜上所述，這些動物和細胞實驗表明，ROS能夠改變培養的肌肉細胞中的基因表達。與細胞培養研究相似，越來越多的研究表明運動誘導的ROS產生改變了肌肉基因表達，并有助于誘導體內的骨骼肌對運動的適應。總而言之，氫優于傳統的抗氧化劑，因為它可以選擇性地減少羥自由基（·OH），同時保留重要的氧化應激信號分子——超氧陰離子（O2-）和過氧化氫（H2O2），確保這些活性氧繼續進行正常的細胞信號傳導［13-15］。這對提高運動表現是十分有利的，氫分子不會因抗氧化而干擾新陳代謝氧化還原反應，也不會擾亂參與細胞信號傳遞的ROS，并且使用氫沒有不良副作用［16］。

2.2氫氣與運動性炎癥

反應劇烈的運動，甚至是有氧運動不僅會出現氧化應激，也會誘導各種急性炎癥反應，類似于缺血性中風和心肌梗死后的應激反應［17］。炎癥是免疫系統對病理刺激（如病原體）或生理應激（如體育鍛煉）的反應［10］。炎癥涉及細胞因子等多種介質之間復雜的相互作用。這種情況下的主要細胞因子是腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素（IL）-1β、IL-6和IL-10［18］。通過抗氧化的作用或不依賴性氧化還原途徑，分子氫可能具有抗炎、抗凋亡和抗過敏作用［15］。相比于氫氣，以往開發的其他針對于運動誘導的各種炎癥方法效果并不顯著。White等［19］研究了補充氧氣對運動后炎癥反應和氧化應激的影響，結果未能說明富氧環境對運動后急性炎癥反應的影響。Tauler等［20］研究了咖啡因對15km跑步比賽誘發的炎癥反應的影響，結果顯示咖啡因似乎增強氧化應激。Popovic等［21］研究了補充維生素C對運動中氧化應激和中性粒細胞炎癥反應的影響，雖然補充維生素C可以抑制過氧化過程，但對緩解炎癥反應沒有大的改善。相比以上補充劑，氫效應對羥自由基和過氧亞硝酸鹽具有特異性消除效果，也在消除炎癥方面表現出特別優勢。Sergej等研究了急性軟組織損傷后兩周輸氫對職業男運動員炎癥和功能恢復的生化指標的影響，結果顯示氫氣可以有效地代替運動員保守治療軟組織損傷的傳統方法，而口服和局部給藥相結合的方式尤其有效。對于久坐不動的大鼠急性運動引發的炎癥和氧化應急問題，Nogueira等［18］研究了H2補充對運動誘導神經中樞海馬體的炎癥作用，結果顯示，吸入H2可下調促炎細胞因子（TNF-α和IL-6）的產生，上調抗炎細胞因子（IL-10）的產生，而不影響局部氧化應激狀態，從而降低劇烈急性運動誘導的海馬炎癥。研究表明，吸入H2可能是一種很有前景的策略，可以減少劇烈的急性體育運動誘發的炎癥，特別是在海馬區，而海馬區被認為是易受炎癥損傷的大腦區域。他們還研究了富氫水對游泳小鼠的抗疲勞作用，最終研究通過氧化還原、代謝平衡和免疫因子水平等指標，顯示飲用富氫水對慢性強迫游泳小鼠的抗疲勞作用。

2.3其他效用

此外，也有一些研究發現了氫氣在抗疲勞和抗損傷等方面的作用。特別值得提到的是有研究發現富氫水能有效地改善男性體力活動后的血液堿度，富氫水作為堿化劑，應對運動引起的血液酸度增加可能有效。

3、總結

自從Ohsawa發現了氫氣的抗氧化和細胞保護作用，動物模型和人類模型的研究一致證明，該氣體具有強大的抗炎、抗氧化和抗凋亡作用。氫分子已經成為一種強大且有前途的治療工具，可在眾多生理與病例場景下使用，且無任何副作用，這些重要潛質都使得氫氣有可能成為重要的運動補劑。

圖2氫分子的簡化生物學作用（Kawamura，etal.，2020）