行業動態
行業動態

氫氣在運動醫學領域的應用價值

作者:孫學軍  來源:氫思語  更新時間:2019-07-15 15:05:32

氫氣的生物醫學應用由于具有安全性和潛在廣泛的有效性,而被學術界寄予厚望,氫氣生物學領域目前仍然有許多重要問題值得研究,相信隨著研究的深入,人們對這一神奇現象有更多了解,氫氣相關方法如氫氣水、氫氣藥物和氫氣呼吸機等產品和技術在國際醫學領域的普及將不再是奢望。


雖然氫氣與運動醫學是氫氣研究領域比較小的課題,但本文塞爾維亞作者SM Ostojic一直從事這方面的研究,也積極撰寫相關論文和綜述,值得推薦和鼓勵,本文也算是推廣和宣傳氫氣生物學效應的一個不錯的材料。


Molecular Hydrogen in Sports Medicine New Therapeutic Perspectives“分子氫在運動醫學領域:新的治療方法”文章來自《國際運動醫學雜志》。作者:SM Ostojic,塞爾維亞貝爾格萊德健康、鍛煉、運動科學中心,運動生理學實驗室,最近這個學者寫了許多關于氫氣生物醫學的觀點和看法,部分看法有一些偏激,但也有不少值得品味的內容。


摘要

過去10年,氫氣作為一種新的治療劑出現在公眾面前,大量動物模型及人體研究表明其具有抗氧化、抗炎和抗凋亡作用。人們研究觀察了氫氣對臨床疾病的保護效應,尤其是氧化應激相關疾病,如糖尿病、腦干梗塞、類風濕性關節炎、神經退行性疾病。近期大量研究表明分子氫作為一種堿化劑作用于細胞信號轉導,這些新的作用機制進一步拓寬了氫氣在臨床醫學的應用潛力。尤其是,對于運動引起的氧化應激和運動損傷,氫氣或許是一種有效的、特別創新的治療方法,具有提高運動表現的潛能。本文將對分子氫在臨床應用方面的研究進展進行綜述,特別是在運動醫學領域的應用。


關鍵詞:分子氫,運動醫學,抗氧化劑,堿化,機能亢進

氫是最輕的元素,也是宇宙中含量最豐富的化學物質。由于與大多數非金屬元素易形成共價化合物,氫是水和地球上所有有機物質的主要組成部分之一。在常溫、常壓下,氫氣是無色、無臭、無味、無毒、高度易燃的雙原子氣體,分子式是H2. 由于輕,氫氣在地球大氣中很稀少(1 ppm)。自Henry Cavendish1766年發現氫氣以來,氫氣被廣泛用于有機化學產品制造、化石燃料加工和半導體工業。然而,氫氣在有生命的生物體內生物學反應中的作用卻知之甚少。在自然界中,氫氣主要由微生物經無氧代謝產生,在生化反應過程中以釋放還原當量的方式。人類腸道細菌將未被吸收的碳水化合物在氫化酶的作用下發酵產生氫氣,生成的氫氣主要通過排氣和呼吸排出體外。氫氣以生物惰性氣體著稱,與大多數生物分子的反應性較小。然而,近年來的研究揭示氫氣分子對人體具有多種生理作用。


很久以來,人們就知道氫氣對氧化性自由基具有很強的親和性,比如羥自由基和氧自由基離子。日本醫科大學太田成男教授等通過體外培養人體細胞研究表明,氫氣是有效的抗氧化劑。由于氫氣可快速擴散透過細胞膜,更容易與細胞毒性活性氧接觸并發生反應,借此對抗氧化損傷。而且,分子氫可選擇性清除細胞毒性最強的羥自由基,同時保留其他對細胞生理功能和內穩態都很重要的活性氧(如一氧化氮、過氧化氫)。這強調了氫氣作為精準活性氧清除劑的重要性,氫氣可保留有益活性氧,去除有害活性氧。基于氫氣的抗氧化作用,氫氣還具有抗炎、抗凋亡和抗過敏效應。人體內源性氫氣還具有更多生理作用,近期研究表明氫氣是細胞內第四個氣體信號分子,其作用方式與一氧化氮、一氧化碳和硫化氫相似。作為信號轉導參與者,氫氣可能調節基因表達或某些信號蛋白的磷酸化,這與氧化應激無關。最終,通過金屬鎂與水反應制成的溶解的氫氣(如氫氣溶解水、富氫水)或許有堿化血液的作用。這些關于氫氣是新的、重要的、有醫用價值的物質的基本發現,加上我們對氫氣生理學、生物利用度和治療潛能的了解,使得該領域在過去十年間迅速崛起。本綜述將對近期氫氣臨床應用方面的研究發現進行概述,重點是氫氣在運動醫學和運動科學領域的應用。


一、氫氣的醫學應用概述

關于氫氣在實驗醫學的應用的最早的報道出現在1975年。Dole及其同事將患有鱗狀細胞癌的無毛小鼠暴露于高壓混合氣體,混合氣中含氧氣2.5%,含有氫氣97.5%。研究發現,動物腫瘤體積明顯消退,這使得氫氣治療在其他不同醫療條件下的運用成為可能。1994年,Abraini及其同事報道了氫氣在人體上的第一次應用,氫氣可以緩解深海潛水員高壓神經綜合征的部分癥狀(這個說法并不十分準確)。2007年以后,氫氣的生物效應研究擴展到更多種實驗性疾病模型和人類疾病。人體研究觀察到了明確的效應特別是在氧化應激相關疾病方面,包括腦梗、肝癌、血液透析患者慢性炎癥、炎性線粒體肌病、代謝綜合征、糖尿病、帕金森氏病和類風濕性關節炎。有一項研究表明氫氣對泌尿系統疾病患者無效。


氫氣的臨床研究相對較新,所有發表的研究都在過去5年內。目前為止,氫氣對多種人類疾病的作用效果已經被研究,共有10多篇文章在同行評審雜志發表。然而大多數臨床研究揭示了氫氣對血清和尿液中不同的氧化應激生化指示劑和/或抗氧化能力的有益作用,只有少數研究對臨床特征和/或患者健康狀況進行了評價。大多數研究評價了給予氫氣短時間(8周或更短)后的效果,為開放式研究,樣本量也相對較小。另外,給予臨床患者的氫氣的劑量未標準化,氫氣劑量與效果大小似乎也不相關。劑量-效應關系的缺乏或許也提示不存在因果關系。更多的研究采用隨機對照試驗和現有資料的系統檢索,期待能闡明關于氫氣治療的諸多問題,包括劑量-效應曲線、對多種疾病的長期臨床效應。這將有助于臨床醫生運用這一創新治療手段來滿足各種醫學需求。


二、氫氣在運動醫學領域的運用

氫氣的抗氧化特性是其能應用于運動領域的基礎。事實上,強化運動會造成活性氧的過度產生和自由基介導的組織損傷,運用有效的抗氧化劑如氫氣或許可以降低氧化應激和活性氧相關的功能紊亂(如疲勞、微損傷、炎癥、過度訓練)。而且,高pH的富氫水對運動引起的酸中毒或許有幫助。另外,關于氫氣對運動損傷的治療作用的臨床試驗正在進行,且表現出一定的治療效果。


人體內產生的活性氧來源于呼吸攝入的氧氣。這些活性分子被認為具有雙重作用,有害的和有益的。在正常生理狀態下,活性氧在細胞信號轉導和內穩態方面發揮重要作用。另一方面,運動引起的活性氧的過度生成和抗氧化防御系統的功能下降在骨骼肌收縮功能障礙中發揮重要作用,導致肌無力和疲勞。關于氧化物質如何影響骨骼肌收縮特性的研究正在持續進行,同時研究對氧化介導的功能障礙的保護性干預措施。由于分子量小,氫氣極易擴散進入組織并清除毒性活性氧,這對深受氧化應激之苦的運動員來說是新型候選治療劑。Aoki及其同事研究了氫氣對急性運動引起的氧化應激和肌肉疲勞的作用,研究對象為10名年輕男性足球運動員。他們對運動員進行了安慰劑對照、雙盲、交叉的亞極量踏車運動(最大攝氧量的75%)、最大肌肉活動度試驗和血樣采集。運動前24小時使運動員攝入1500ml富氫水或安慰劑。作者通過檢測8種生理指標來評價急性運動后氧化應激引起的肌肉疲勞。與安慰劑相比,富氫水顯著降低運動后血液乳酸水平。在膝關節伸直實驗中,安慰劑組轉矩峰值顯著下降,表明肌肉疲勞,而富氫水組轉矩峰值在初期并未降低。運動后血液氧化損傷指標無明顯改變,如活性氧代謝產物、生物抗氧化能力或肌酸激酶。安慰劑組和富氫水組研究對象表面肌電圖平均功率頻率和中位功率頻率均無統計差異,表明兩組在外周疲勞進展方面無差異。作者得出這樣的結論,富氫水可以防止重度運動副作用。作者并未闡明富氫水的作用機制,因為氫氣對運動后活性氧代謝產物和生物抗氧化能力均無影響。我們實驗室也做了類似的研究,通過雙盲、隨機、交叉研究設計觀察急性(7天)攝入富氫水1L/天對高校運動員的抗氧化水平和運動表現是否有改善作用,分別采用訓練前(30分鐘)、訓練過程中(每15分鐘)、訓練后(直到45分鐘)攝入富氫水。在極限運動中,富氫水有助于最大運動自覺強度和極限運動速度(8.1英里/小時)時的血液乳酸水平。富氫水處理對運動員體重、身體組成和最大耗氧量無明顯影響。另外,對血清總抗氧化能力和空腹血糖也無明顯影響。我們由此得出結論,富氫水可以降低極限運動中的軀體應激,但作用機制不明。可能由于受試者數量少、攝入富氫水時間短或富氫水劑量小等原因,未觀察到氧化指標的統計學差異。然而,上述研究結果或許提示氫氣作用的另一機制,除抗氧化外,還可以改善運動員身體環境。


富氫水是體力活動的堿化劑。

雖然在常人比較少見,但是運動引起的代謝性酸中毒是體力活動者常見的代謝紊亂。主要表現為組織、血液的低pH值,并伴隨乳酸堆積,以及神經肌肉和心、肺反應。運動引起的代謝性酸中毒與通常所說的代謝性酸中毒不同,它主要發生在劇烈運動時,此時細胞被迫依賴非線粒體ATP來運作,這導致質子的釋放及血清pH值下降,從而削弱運動表現。對于患有酸血癥的體力活動者,首要目標是運用堿化劑提高系統pH值。當氫氣可以通過金屬鎂與水反應制備,溶解有氫氣的飲品表現出高pH值、低含氧量和相當高的含氫量。堿化的富氫水可以作為酸度降低劑幫助人們來對抗運動的酸效應。有研究觀察了富氫水對運動員身體環境的影響,結果發現氫氣干預對血液緩沖指示劑有作用。一項開放臨床研究觀察了每天攝入富氫水2升,連續7天,對19位年輕健康男士動脈血pH值基線和酸中毒發生率的影響。富氫水的含氫量約為1.1 mmol/L,氧化還原電位約為400mV,pH值為9.3。受試者從試驗開始,堅持做運動,直至試驗結束,采集受試者血樣,動脈血分別在禁食過夜后和運動后采集。我們發現攝入富氫水使空腹和運動后血液pH值均升高,且無副作用。先前的動物研究也表明富氫水作為堿化劑是有益的。一項隨機、雙盲、安慰劑對照試驗也得出相似的結果,使52位健康男性體力活動志愿者每天攝入2升富氫水,連續14天。于試驗開始和試驗結束后分別檢測血液pH值、二氧化碳分壓和碳酸氫鹽的基線水平和運動后水平。結果發現,富氫水可將空腹動脈血pH值提高0.04,連續飲用14天后將運動后動脈血pH值提高0.07,連續攝入富氫水后較攝入前相比,空腹碳酸氫鹽水平顯著升高。富氫水之所以是堿化劑,可能是由于富含陰離子及其強還原性。這些發現使富氫水作為堿化劑運用于體力活動和非體力活動人群成為可能。然而,在推薦使用富氫水時還是要謹慎行事,因為其對健康的長期影響尚未可知。過度攝入富氫水的毒副作用也未可知,這也要求我們務必要謹慎。


三、分子氫對運動損傷的作用:一個新概念

在現代運動中,快速、有效地處理運動相關損傷是由損傷快速恢復并重新投入日常訓練和比賽的關鍵因素。軟組織損傷部位組織缺氧和急性活性氧的產生使細胞損傷更為嚴重。與急性損傷機制導致的原發損傷相比,后續組織損傷往往發生在原發損傷周圍區域。由于氫氣治療對多種活性氧相關人類損傷和疾病有效,我們有理由相信氫氣對運動相關損傷也有幫助。尤其是,分子氫可以降低類風濕性關節炎患者、肌肉病患者氧化應激和炎癥水平,改善急性腦梗患者缺血-再灌注損傷指數。目前有一項關于氫氣對運動損傷的臨床研究,該研究觀察口服或局部攝給予富氫水2周對運動性軟組織損傷的治療作用。此研究目前為二期臨床研究,初步試驗結果支持上述假設,即在傳統治療方法基礎上加上氫氣輔助治療對運動員軟組織損傷有效。該治療方案將引領未來更多關于富氫水在運動醫學領域應用的臨床研究。


四、使用氫氣的方法

在過去20年間,人們發明了多種向人體輸送氫氣的方法,各有優缺點。實際上,氫氣在人體的首次應用即在運動醫學領域,將氫、氦、氧混合氣體用于最深記錄(701米)的潛水活動。氫氣可以通過局部、不經胃腸道和經腸道的方式給予。


局部和不經胃腸道的方式給予氫氣

眾所周知,局部給予氫氣即通過高壓艙、呼吸機、面罩或鼻套管吸入氫氣。氫氣雖然易燃,但濃度在4%以下是沒有爆炸危險的。然而還是要注意安全,在使用過程中要嚴密監視氫氣的濃度。氫氣在人體的首次運用是在6位商業潛水員身上,觀察了下潛500米過程中氫氣對其神經和身心反應的影響。潛水員吸入含氫量49%的氫、氧混合氣體或含氦量49%的氦、氧混合氣體30天。與吸入氦、氧混合氣相比,氫氣可以緩解減壓病和氮麻醉的癥狀,如高壓震顫、手的靈巧度降低、運算能力下降、視覺選擇能力下降。作者得出結論,氫氣對職業潛水十分有用,因為它可以提高潛水員舒適度、改善潛水員生活和作業條件。然而,實驗表明,在深度500米時會有氫麻醉現象。除將氫氣混合氣體用于深海潛水外,再無其他相似的臨床研究。所以,目前沒有采用吸入方式進行氫氣干預的方法。其他局部給予氫氣(含氫滴眼液)的途徑也只在動物研究水平,還沒有人體局部使用氫氣的報道。太田提出在日本通過用溶有氫氣的溫水沐浴的方法來使身體攝入氫氣。一項關于氫氣對運動損傷的研究觀察了直接將富氫水涂于軟組織損傷部位皮膚的效果。氫氣的局部運用是基于氫氣易透過皮膚,并經血液循環到達全身組織或器官。然而這一路徑并未經科學檢驗或證實。還有就是氫氣易從處理介質(如洗澡水)中溢出,這導致給予氫氣的濃度很難控制。另一個給予氫氣的途徑是非胃腸道給予,這一方法首先經由給動物注射氫氣生理鹽水得到檢驗。通過注射含氫介質給予氫氣使氫氣的濃度更精確。只有一項人體研究經由非胃腸道途徑給予氫氣是在血液透析患者,利用電解水技術制備氫氣,使其溶于反滲水,再將反滲水與透析液混合,從而制得含氫透析液。這一生物活性透析系統為尿毒癥提供了新的治療策略,即經由非胃腸道途徑給予氫氣。另一方面,通過靜脈注射給予氫氣不適用于運動醫學領域,因為任何靜脈注射均可被視為興奮劑,這是世界反興奮劑組織明令禁止的。


鑒于呼吸氫氣和注射飽和氫氣生理鹽水在日常生活中不切實際,發展出了更為便利的氫氣攝取方法,富氫水是最為流行的經腸道給予氫氣的方法。在2004年,Sato及其同事最先將富氫水用于缺血再灌注損傷小鼠。首次將富氫水用于人體研究是在2008年,Kajiyama等人使氫氣在高壓下溶于水,用于2型糖尿病或糖耐量降低患者。在提供血液活性氫方面,富氫水與吸入氫氣的效率相當。富氫水可以通過幾種方法獲得:1)高壓下將氫氣溶于水;2)通過鎂與水的電化學反應;3)通過電解水。室溫下,氫氣在水中的溶解度可達0.8 mmol/L,氫氣可以快速透過玻璃和塑料管壁。富氫水倒入杯中3分鐘內即有5%的氫氣流失,而鋁制容器則可使氫氣保存相當長一段時間。通過富氫水攝入氫氣的最主要的優點是便攜、易攝取、安全,盡管含氫量低但足以發揮作用。有些公司已經推出了含氫運動飲料,我們要注意到其氫氣含量是有差異的。大部分產品的氫氣濃度標準化在0.55-0.65 mmol/L,而實驗研究所用含氫溶液的濃度通常在1.0 mmol/L。另一種新的口服攝入氫氣的方法是最近的、擁有專利技術的氫氣釋放含片。盡管這一含片的效率尚未被檢驗,但這一便攜式氫氣給予方法在未來亦或大有可為。其他不太流行的腸道給予氫氣的方法包括口服珊瑚鈣溶液、α-糖苷酶抑制劑、膳食姜黃、甘露醇和乳果糖,它可以促進腸道菌群產生內源性氫氣。然而,作者并未意識到內源性氫氣對人體健康的影響。


 五、氫氣的副作用

為探索人體使用氫氣的安全性,一些研究通過檢測富氫水對臨床化學參數的影響來評價其可能的副作用,或借助主觀陳述來評價氫氣干預的副作用。絕大多數研究表明人體使用富氫水沒有副作用,只在代謝綜合征患者每天攝入2升富氫水的試驗中發現對肝臟酶類和生化指標有輕微影響。研究結果表明血清天冬氨酸轉氨酶、丙氨酸轉氨酶和肌氨酸酐水平有些微降低,而血清丙氨酸轉氨酶和總膽紅素水平有些微升高。另外,本研究中五分之一的受試者表現出副作用,如稀便、大便頻率增加、胃灼熱、頭疼。Ito等人研究表明,炎性線粒體肌病患者每天攝入富氫水1升,連續12周,受試者均表現出排尿頻率增加,一人抱怨偶爾有漂浮感。這些可能與氫氣有關的副作用程度均較輕。腹部的副作用可能是由于氫氣對腸蠕動的作用。盡管如此,人們仍然認為氫氣對于人體是安全的。


先前有研究表明,輕、中度體力活動及伴隨產生的活性氧可以誘導良性適應,從而提高對氧化損傷的耐受能力。如此看來,運動引起的活性氧或許可以提高抗氧化能力,限制骨骼肌線粒體內自由基的形成,最終使活性氧水平降低、抗氧化能力增強、損傷修復酶升高、氧化損傷減輕。氫氣的選擇性抗氧化或許會對氧化應激相關的運動正性適應產生不良影響。然而,尚無研究驗證氫氣對氧化應激引起的運動適應性的阻斷作用。將來的研究或許可以探討氫氣對體力活動受試者的刺激-調節作用,包括抗氧化防御活化機制。


六、幾個重要問題

氫氣作為新的治療劑有很多優點,然而在氫氣成為可接受的臨床藥物前有些問題需要回答。


首先,氫氣的細胞保護效應的確切機制不明確,因為氫氣作用最直接的靶分子還未知。氫氣的作用部分是由于自由基清除活性,口服攝入少量氫氣,加上其體內停留時間短,或許并不足以能清除不斷產生的大量的羥自由基,尤其是在在強化運動或炎癥時。基因表達、蛋白磷酸化和/或緩沖效應的信號轉導是氫氣的直接作用還是間接作用也未可知。


第二,腸道細菌貌似每天可產生約150 ml內源性氫氣,但其生物利用度和代謝動力學還未完全弄清楚。而且,腸道菌群來源的氫氣與外源性氫氣之間的相互作用如何也未知。假如少量的內源性氫氣可以影響細胞信號轉導和抗氧化防御,還需要解決關鍵時刻需要(重度活動、缺血-再灌注損傷)補充外源性氫氣的問題。


第三,盡管攝入富氫水后血液氫氣濃度8umol/L能觀察到氫氣的有效作用,但尚無氫氣應用的任何劑量-效應關系。到目前為止,關于氫氣的臨床研究還不多,且受試者數量均有限。氫氣不能大規模應用于臨床,除非有設計合理、隨機對照分析的臨床試驗來評價長期應用氫氣的效果和副作用,最好是來自于多中心、多個試驗團隊。另外,應該為氫氣的局部、不經胃腸道的臨床應用開發新的、安全、便攜的使用方法。尤其是,鑒于其他生理性氣體作為吸入性表現增強劑在體力活動者中各有一席之地,也應該設計開發針對運動員的高壓氫氣吸入方案,并評價其對運動表現的效果。


結論

自2007年太田成男在《自然醫學》雜志上報道氫氣的選擇性抗氧化作用之后,氫氣作為醫學干預手段開始引起更多的科學關注。從那以后,氫氣的作用在動物模型和人類疾病中得到廣泛研究。先前的研究表明氫氣具有抗氧化、抗凋亡、抗炎和對細胞有益的細胞保護作用。大概有十二項臨床研究表明氫氣具有明顯的治療作用,對于在運動醫學領域的應用主要是將氫氣作為新的功能性堿化劑。通過溶有氫氣的水給予氫氣貌似可以提高肌肉表現、減輕疲勞、改善運動引起的運動員酸中毒,但這可能不是由于氫氣的抗氧化特性。臨床研究結果包括運動損傷研究確認氫氣可以用作抗炎和恢復輔助劑。然而,氫氣作用的確切機制、開發更多實際可用的治療方案、及確認氫氣的治療潛力均需要更多的實驗研究。


成人网 - 全国最大色情成人网站