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氢在运动医学领域的应用前景(一)

发布日期:[2015-01-15]

  在过去二十年间,氢作为一种新的治疗剂出现在公众面前,大量动物模型及人体研究表明其具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用。人们研究观察了氢对临床疾病的保护效应,尤其是氧化应激相关疾病,如糖尿病、脑干梗塞、类风湿性关节炎、神经退行性疾病。近期大量研究表明分子氢作为一种碱化剂作用于细胞信号转导,这些新的作用机制进一步拓宽了氢在临床医学的应用潜力。尤其是,对于运动引起的氧化应激和运动损伤,氢或许是一种有效的、特别创新的治疗方法,具有提高运动表现的潜能。本文将对分子氢在临床应用方面的研究进展进行综述,特别是在运动医学领域的应用。


  很久以来,人们就知道氢对氧化性自由基具有很强的亲和性,比如羟自由基和氧自由基离子。日本医科大学太田成男教授等通过体外培养人体细胞研究表明,氢是有效的抗氧化剂。由于氢可快速扩散透过细胞膜,更容易与细胞毒性活性氧接触并发生反应,借此对抗氧化损伤。而且,分子氢可选择性清除细胞毒性最强的羟自由基,同时保留其他对细胞生理功能和内稳态都很重要的活性氧(如一氧化氮、过氧化氢)。这强调了氢作为精准活性氧清除剂的重要性,氢可保留有益活性氧,去除有害活性氧。基于氢的抗氧化作用,氢还具有抗炎、抗凋亡和抗过敏效应。人体内源性氢还具有更多生理作用,近期研究表明氢是细胞内第四个气体信号分子,其作用方式与一氧化氮、一氧化碳和硫化氢相似。作为信号转导参与者,氢可能调节基因表达或某些信号蛋白的磷酸化,这与氧化应激无关。最终,通过金属镁与水反应制成的溶解的氢(如氢气溶解水、富氢水)或许有碱化血液的作用。这些关于氢是新的、重要的、有医用价值的物质的基本发现,加上我们对氢生理学、生物利用度和治疗潜能的了解,使得该领域在过去十年间迅速崛起。本综述将对近期氢临床应用方面的研究发现进行概述,重点是氢在运动医学和运动科学领域的应用。


  一、氢的医学应用概述


  关于氢在实验医学的应用的最早的报道出现在1975年。Dole及其同事将患有鳞状细胞癌的无毛小鼠暴露于高压混合气体,混合气中含氧气2.5%,含有氢气97.5%。研究发现,动物肿瘤体积明显消退,这使得氢治疗在其他不同医疗条件下的运用成为可能。1994年,Abraini及其同事报道了氢在人体上的第一次应用,氢可以缓解深海潜水员高压神经综合征的部分症状。2007年以后,氢的生物效应研究扩展到更多种实验性疾病模型和人类疾病。人体研究观察到了明确的效应特别是在氧化应激相关疾病方面,包括脑梗、肝癌、血液透析患者慢性炎症、炎性线粒体肌病、代谢综合征、糖尿病、帕金森氏病和类风湿性关节炎。有一项研究表明氢对泌尿系统疾病患者无效。


  氢的临床研究相对较新,所有发表的研究都在过去5年内。目前为止,氢对多种人类疾病的作用效果已经被研究,共有10多篇文章在同行评审杂志发表。然而大多数临床研究揭示了氢对血清和尿液中不同的氧化应激生化指示剂和/或抗氧化能力的有益作用,只有少数研究对临床特征和/或患者健康状况进行了评价。大多数研究评价了给予氢短时间(8周或更短)后的效果,为开放式研究,样本量也相对较小。另外,给予临床患者的氢的剂量未标准化,氢剂量与效果大小似乎也不相关。剂量-效应关系的缺乏或许也提示不存在因果关系。更多的研究采用随机对照试验和现有资料的系统检索,期待能阐明关于氢治疗的诸多问题,包括剂量-效应曲线、对多种疾病的长期临床效应。这将有助于临床医生运用这一创新治疗手段来满足各种医学需求。


  二、氢在运动医学领域的运用


  氢的抗氧化特性是其能应用于运动领域的基础。事实上,强化运动会造成活性氧的过度产生和自由基介导的组织损伤,运用有效的抗氧化剂如氢或许可以降低氧化应激和活性氧相关的功能紊乱(如疲劳、微损伤、炎症、过度训练)。而且,高pH的富氢水对运动引起的酸中毒或许有帮助。另外,关于氢对运动损伤的治疗作用的临床试验正在进行,且表现出一定的治疗效果。


  人体内产生的活性氧来源于呼吸摄入的氧。这些活性分子被认为具有双重作用,有害的和有益的。在正常生理状态下,活性氧在细胞信号转导和内稳态方面发挥重要作用。另一方面,运动引起的活性氧的过度生成和抗氧化防御系统的功能下降在骨骼肌收缩功能障碍中发挥重要作用,导致肌无力和疲劳。关于氧化物质如何影响骨骼肌收缩特性的研究正在持续进行,同时研究对氧化介导的功能障碍的保护性干预措施。由于分子量小,氢极易扩散进入组织并清除毒性活性氧,这对深受氧化应激之苦的运动员来说是新型候选治疗剂。Aoki及其同事研究了氢对急性运动引起的氧化应激和肌肉疲劳的作用,研究对象为10名年轻男性足球运动员。他们对运动员进行了安慰剂对照、双盲、交叉的亚极量踏车运动(最大摄氧量的75%)、最大肌肉活动度试验和血样采集。运动前24小时使运动员摄入1500ml富氢水或安慰剂。作者通过检测8种生理指标来评价急性运动后氧化应激引起的肌肉疲劳。与安慰剂相比,富氢水显著降低运动后血液乳酸水平。在膝关节伸直实验中,安慰剂组转矩峰值显著下降,表明肌肉疲劳,而富氢水组转矩峰值在初期并未降低。运动后血液氧化损伤指标无明显改变,如活性氧代谢产物、生物抗氧化能力或肌酸激酶。安慰剂组和富氢水组研究对象表面肌电图平均功率频率和中位功率频率均无统计差异,表明两组在外周疲劳进展方面无差异。作者得出这样的结论,富氢水可以防止重度运动副作用。作者并未阐明富氢水的作用机制,因为氢气对运动后活性氧代谢产物和生物抗氧化能力均无影响。我们实验室也做了类似的研究,通过双盲、随机、交叉研究设计观察急性(7天)摄入富氢水1L/天对高校运动员的抗氧化水平和运动表现是否有改善作用,分别采用训练前(30分钟)、训练过程中(每15分钟)、训练后(直到45分钟)摄入富氢水。在极限运动中,富氢水有助于最大运动自觉强度和极限运动速度(8.1英里/小时)时的血液乳酸水平。富氢水处理对运动员体重、身体组成和最大耗氧量无明显影响。另外,对血清总抗氧化能力和空腹血糖也无明显影响。我们由此得出结论,富氢水可以降低极限运动中的躯体应激,但作用机制不明。可能由于受试者数量少、摄入富氢水时间短或富氢水剂量小等原因,未观察到氧化指标的统计学差异。然而,上述研究结果或许提示氢作用的另一机制,除抗氧化外,还可以改善运动员身体环境。


  富氢水是体力活动的碱化剂。


  虽然在常人比较少见,但是运动引起的代谢性酸中毒是体力活动者常见的代谢紊乱。主要表现为组织、血液的低pH值,并伴随乳酸堆积,以及神经肌肉和心、肺反应。运动引起的代谢性酸中毒与通常所说的代谢性酸中毒不同,它主要发生在剧烈运动时,此时细胞被迫依赖非线粒体ATP来运作,这导致质子的释放及血清pH值下降,从而削弱运动表现。对于患有酸血症的体力活动者,首要目标是运用碱化剂提高系统pH值。当氢气可以通过金属镁与水反应制备,溶解有氢的饮品表现出高pH值、低含氧量和相当高的含氢量。碱化的富氢水可以作为酸度降低剂帮助人们来对抗运动的酸效应。有研究观察了富氢水对运动员身体环境的影响,结果发现氢干预对血液缓冲指示剂有作用。一项开放临床研究观察了每天摄入富氢水2升,连续7天,对19位年轻健康男士动脉血pH值基线和酸中毒发生率的影响。富氢水的含氢量约为1.1 mmol/L,氧化还原电位约为400mV,pH值为9.3。受试者从试验开始,坚持做运动,直至试验结束,采集受试者血样,动脉血分别在禁食过夜后和运动后采集。我们发现摄入富氢水使空腹和运动后血液pH值均升高,且无副作用。先前的动物研究也表明富氢水作为碱化剂是有益的。一项随机、双盲、安慰剂对照试验也得出相似的结果,使52位健康男性体力活动志愿者每天摄入2升富氢水,连续14天。于试验开始和试验结束后分别检测血液pH值、二氧化碳分压和碳酸氢盐的基线水平和运动后水平。结果发现,富氢水可将空腹动脉血pH值提高0.04,连续饮用14天后将运动后动脉血pH值提高0.07,连续摄入富氢水后较摄入前相比,空腹碳酸氢盐水平显著升高。富氢水之所以是碱化剂,可能是由于富含阴离子及其强还原性。这些发现使富氢水作为碱化剂运用于体力活动和非体力活动人群成为可能。然而,在推荐使用富氢水时还是要谨慎行事,因为其对健康的长期影响尚未可知。过度摄入富氢水的毒副作用也未可知,这也要求我们务必要谨慎。


  三、分子氢对运动损伤的作用:一个新的概念?


  在现代运动中,快速、有效地处理运动相关损伤是由损伤快速恢复并重新投入日常训练和比赛的关键因素。软组织损伤部位组织缺氧和急性活性氧的产生使细胞损伤更为严重。与急性损伤机制导致的原发损伤相比,后续组织损伤往往发生在原发损伤周围区域。由于氢治疗对多种活性氧相关人类损伤和疾病有效,我们有理由相信氢对运动相关损伤也有帮助。尤其是,分子氢可以降低类风湿性关节炎患者、肌肉病患者氧化应激和炎症水平,改善急性脑梗患者缺血-再灌注损伤指数。目前有一项关于氢对运动损伤的临床研究,该研究观察口服或局部摄给予富氢水2周对运动性软组织损伤的治疗作用。此研究目前为二期临床研究,初步试验结果支持上述假设,即在传统治疗方法基础上加上氢辅助治疗对运动员软组织损伤有效。该治疗方案将引领未来更多关于富氢水在运动医学领域应用的临床研究。

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