氢气对健康人运动氧化应激的改善作用

氢气对健康人运动氧化应激的改善作用

目标：运动诱导的氧化应激影响多个神经生理过程，降低了运动表现。氢气（H2）可以有选择性地减少过量自由基，但研究发现它对运动诱导的氧化应激具有“双重效应”，即可能增加或减少氧化应激。因此，我们进行了一项系统回顾和荟萃分析，以定量评估H2对健康成年人运动诱导氧化应激的影响。

方法：我们对五个数据库中的出版物进行了系统回顾。以下关键词用于搜索策略：['氢'[Mesh] 或 '氢分子' 或 '富含氢的水' 或 '富氢水' 或 '富氢盐水'] 和 ['氧化应激'[Mesh] 或 '抗氧化应激' 或 '氧化损伤' 或 '氧化伤害' 或 '氧化裂解'] 和 ['随机对照试验'[Mesh] 或 '随机化' 或 'RCT']。我们纳入了报告氢气对健康成年人运动后诱导氧化应激及潜在抗氧化能力影响的试验。此外，亚组分析还探讨了干预设计的不同元素如何影响这些结果。

结果：我们的分析中包括了6项研究，涵盖7次实验，共有76名参与者。在这些研究中，使用了富氢水、氢气浴和富氢气体这三种形式的氢气给药方式。氢气的应用时间不同，包括仅在运动前、运动中、运动后、运动前后以及连续多天重复使用。实施了单剂量、1天内多次剂量和/或连续多天的多次剂量。观察到与安慰剂相比，氢气对氧化应激（二醋酸纤维素反应性氧代谢产物，d-ROMs）的影响不显著（标准化平均差SMD = -0.01，95%置信区间CI -0.42至0.39，p = 0.94）。然而，与安慰剂相比，氢气在提高抗氧化潜力（生物抗氧化潜能，BAP）方面表现出更大的改善（SMD = 0.29，95% CI 0.04至0.54，p = 0.03）。亚组分析显示，与持续运动相比，氢气补充在间歇运动的抗氧化潜力上显示出更大的改善（SMD = 0.52，95% CI 0.16至0.87，p = 0.02）。

结论：氢气补充可以帮助增强健康成年人的抗氧化潜力，特别是在间歇运动中，但不能直接减少运动诱导的氧化应激水平。需要未来设计更严谨的研究来检验和确认这些发现。

 

1 前言

体育锻炼通过激活自由基（如活性氧物种ROS）的产生来影响氧化还原状态，然后身体的抗氧化防御系统上调内源性抗氧化系统以维持氧化还原状态。氧化应激的特点是细胞环境氧化还原状态失衡，这意味着ROS产生的速率超过了抗氧化防御的速率。然而，不同强度的体育活动可能会使个体经历不同程度的氧化应激。例如，长时间的中等强度运动可以帮助减少氧化应激，相反，高强度运动可能在短期内诱发ROS激增并减少抗氧化酶的产生。过量的ROS产生改变多个神经生理过程，导致肌肉疲劳、损伤和炎症。因此，在高强度运动中补充外源性抗氧化剂可能有助于消除ROS。

不同的传统抗氧化剂补充（如维生素C、维生素E、白藜芦醇）已被用于为运动员和其他人群减少ROS。然而，已经显示补充这些类型的抗氧化剂可能会引起一些副作用，如减少肌肉收缩力和运动适应性，这可能是因为这些抗氧化剂可能加剧氧化还原失调并诱导过度清除ROS，而适量的ROS实际上对于维持生理功能、激活信号通路和启动多个生物过程是有帮助的。鉴于传统抗氧化剂的局限性，迫切需要一种能够有效对抗氧化应激而不干扰其他重要功能的新型抗氧化剂。

氢分子（H2）是一种潜在的抗氧化剂，用于减轻运动诱导的氧化应激。氢气可以有选择性地减少·OH和·ONOO，而不与其他重要的信号氧化剂（如H2O2）发生反应。值得注意的是，关于氢在氧化应激中的效果的先前荟萃分析主要集中在患病人群（如牙周病、2型糖尿病、高胆固醇血症）。最近，更多的研究工作集中在探索氢气对健康队列中氧化应激的影响。然而，关于氢气补充对氧化应激效果的研究显示出双重效应。例如，一项研究发现，连续3天饮用富氢水（HRW）会导致生物抗氧化潜力（BAP）和二醋酸纤维素反应性氧代谢产物（d-ROMs）减少；而在另一项研究中，观察到连续一周饮用HRW后d-ROMs浓度增加。此外，还观察到连续2周饮用HRW并未对参与者的氧化应激和抗氧化反应产生任何显著变化。这些相互矛盾的结果可能是由于研究设计的差异造成的，如运动类型、氢气的给药方式和参与者特征（如训练水平）。因此，迫切需要更明确地描述氢气对人体运动诱导的氧化应激和抗氧化水平的效果。此外，还需要进一步探索氢气是通过消除氧化剂还是增强抗氧化能力来促进氧化还原状态的建立。

本研究旨在通过对同行评审出版物的系统回顾和荟萃分析，定量评估氢气对健康成年人运动诱导的氧化应激的影响。研究结果将为减少与运动相关的氧化应激提供新颖而重要的洞察，并将指导未来在这一领域研究的精心设计。

本研究按照系统综述和荟萃分析的优选报告项目（PRISMA）指南进行。该研究在PROSPERO上注册（CRD42022364123）。

 

2. 方法

2.1 文献搜索

两位作者，RB和ML，独立地在PubMed、Web of Science、Medline、SportDiscus和PsycINFO数据库中进行了搜索，涵盖了从它们开始记录直到2024年2月10日的所有记录。以下医学主题词（MeSH）术语和关键词用于搜索策略：「“hydrogen”[Mesh] 或 “hydrogen rich water” 或 “hydrogen-rich water” 或 “hydrogen rich saline」和 [“Oxidative Stress”[Mesh] 或 “Antioxidative Stress” 或 “Oxidative Damage” 或 “Oxidative Injury” 或 “Oxidative Cleavage」和 [“randomized controlled trial”[Mesh] 或 “randomized” 或 “RCT」”。综合搜索策略显示在补充表S1中。还包括了对所选研究和评论的参考文献列表的手工搜索。

根据PICOS原则，研究的选择基于以下纳入标准：（1）参与者：参与者是健康成年人，平均年龄18岁或以上，没有氢气补充的历史，也没有使用增强表现的饮食补充剂或药物；（2）干预措施：涉及参与者摄入氢分子，方法包括吸入富含氢气的气体（HRG）、管饲富含氢气的溶液、静脉注射富含氢气的盐水、氢气浴、消费产氢片剂或饮用富氢水（HRW）；（3）比较：存在接受安慰剂的对照组；（4）结果：结果测量包括至少一个与运动相关的氧化应激指标（例如，d-ROMs）或抗氧化潜力（例如，BAP）；（5）研究设计：研究采用随机交叉设计或随机对照试验。

文章因以下原因被排除：（1）研究是动物试验；（2）无法获得结果数据；（3）出版物是评论文章或会议文章；（4）出版物是已考虑过的另一篇重复文章。

2.2 数据提取、结果和偏倚风险评估

两位独立的评审者（ML和RB）从每项纳入研究中提取相关数据（26）。他们汇编了来自出版物的细节，如研究的作者和出版年份、样本大小、参与者人口统计信息（年龄、身高、体重、性别、表现水平）、氢气给药方法、运动干预以及特定的结果测量。在任何结果测量上有分歧的情况下，这两位评审者会咨询另外两位作者，KZ和DB，并继续讨论直到他们达成统一决定。

主要结果是BAP（μM）和d-ROMs（UCARR）。如果这两个指标的后测试值不可用，则使用提供的公式计算，其中相关系数（Corr）设为0.5（26, 27）。

 

如果缺少任何相关数据，我们尝试通过电子邮件联系该研究的相应作者或其他作者以请求它（26）。

两位调查员（RB和ML）使用Cochrane协作组的工具（28）独立评估了纳入研究的风险偏差，该工具包含以下标准：（1）选择偏差；（2）执行偏差；（3）检测偏差；（4）损耗偏差；（5）报告偏差；以及（6）其他来源的偏差。根据风险偏差，研究被分类如下：如果一个或多个项目被评为高风险偏差，则归类为高风险；如果所有项目都被评估并发现为低风险偏差，则认为研究为低风险。不符合任一标准的研究被认为具有中等风险偏差。

2.3 数据综合和证据等级

数据综合和分析是使用Revman 5.3软件（Cochrane Collaboration, Oxford, United Kingdom）和Stata版本16.0（Stata Statistical Software, release 16; Stata Corp., College Station, TX, United States）进行的。由于每项研究的样本量小，Hedges’g是通过从干预组的后干预结果中减去对照组的平均差异来确定的。效应量被分类为微小（<0.2）、小（0.2～0.5）、中等（0.5～0.8）或大（>0.8）（29）。我们通过使用I2统计量测量试验效果之间的不一致性来评估异质性。这种异质性水平是根据Cochrane协作组的指南进行分类的：如果小于25%则为微不足道，25到50%为低，50到75%之间为中等，如果超过75%则为高（30）。由于每项研究的样本量小且纳入研究的数量少，连续数据是使用DerSimonian-Laird随机效应模型进行的，该模型具有Hartung-Knapp-Sidik-Jonkman方差校正（31, 32）。出版偏差是通过漏斗图和Egger's test来评估的。为了识别潜在的异质性来源，基于训练水平、氢气补充的持续时间和运动类型等变量进行了亚组分析。当发现显著不对称时，使用Trim and Fill方法对结果进行敏感性分析（33）。所有统计显著性设定为p < 0.05。

此外，我们使用推荐评估、发展和评价（GRADE）方法评估了结果的质量（例如，非常低、低、中等或高）。这种方法考虑了研究限制、不精确性、不一致性、间接性和潜在的出版偏差来评估证据质量（34, 35）。研究质量因高风险偏差（内部有效性差）、数据不一致（显著异质性）、与感兴趣的干预措施和结果的间接性、结果的不精确性（置信区间宽）以及出版偏差的可能性而降级（36）。

 

3 研究结果

3.1 研究选择

图1展示了总结研究识别和选择过程的流程图。我们在各种数据库中进行的系统搜索共产生了1,181条记录，具体分布如下：PubMed 597条，Web of Science 173条，SPORTDiscus 199条，MEDLINE 196条，PsycINFO 14条，以及手动搜索2条。在排除了443条重复出版物后，我们筛选了738篇文章。基于标题和摘要审查，进一步排除了719篇文章，留下19篇出版物。在详细评估这19篇文章的全文后，排除了13篇，最终有6篇出版物被纳入这项系统综述和荟萃分析。

图1研究识别和选择过程的流程图

3.2 参与者特征

干预组的样本量从8到20不等，总共有76名。一项研究招募了男性和女性参与者（25），其他研究只招募了男性参与者（23-25, 37-39）。参与者的平均年龄在18.8到25岁之间。在训练状态方面，一项研究关注了休闲训练的足球运动员（24）；五项研究关注了未经训练的参与者（23, 25, 37-39）。

 

3.3 干预特征

氢气给药的设计，包括氢气的类型、应用氢气的时间以及其剂量在不同研究中各不相同。使用了三种氢气给药方式：三项研究使用了富氢水饮用（23-25），一项研究使用了氢气浴（39），两项研究使用了吸入富氢气体（37, 38）。实施/摄入氢气的时间为：之前（n = 2）（24, 25），期间（n = 1）（38），或仅在运动后（n = 2）（37, 39），运动前后都进行（n = 1）（23），以及连续多天每天重复（n = 1）（25）。对于干预的剂量，四项研究使用了单次剂量，一项研究在一天内使用了多次剂量，两项研究在3天内使用了多次剂量。单次剂量包括500毫升富氢水（n = 1）（25），30分钟（n = 1）（38）或60分钟（n = 1）（37）的富氢气体，以及20分钟的氢气浴（n = 1）（39）。一项研究在一天内应用了三次500毫升的富氢气体（n = 1）（24）。多次剂量包括连续3天摄入500毫升富氢水（n = 1）（23）或超过2周（n = 1）（25）。有关干预特征的详细信息呈现在表1中。

这些研究结合了两种类型的运动来诱发氧化应激，分别是持续的和间歇性的。具体来说，一项研究采用了持续递增负荷的运动测试（25），四项研究使用了持续固定负荷的运动测试（24, 37-39），还有一项研究进行了间歇性冲刺运动（23）。

 

3.4 结果测量

六项研究（七项实验）使用d-ROMs来评估氧化应激水平（23-25, 37-39）和BAP（23-25, 37-39）来评估参与者的抗氧化潜力（表1）。四项实验在运动后立即进行评估（24, 25, 38）；一项在运动后16小时进行（23）；一项在运动后吸入富氢气体60分钟后进行（37）；以及一项在运动后进行20分钟氢气浴后进行（39）。

对于d-ROMs，一项研究表明氢分子补充与安慰剂相比显著降低了d-ROMs（25），其他六项研究未观察到氢分子补充与安慰剂之间的显著差异（23-25, 37-39）。

对于BAP，两项研究表明氢分子补充与安慰剂相比显著改善了BAP（25, 39），其他五项研究未观察到氢分子补充组与安慰剂组之间的显著差异（23-25, 37, 38）。

两项研究使用BAP/d-ROMs（23, 37）来评估血清中的总抗氧化潜力。一项研究表明氢分子补充与安慰剂相比显著降低了BAP/d-ROMs（23），另一项未观察到显著差异。

3.5 偏倚风险

图2显示了六项纳入研究的七项实验的质量评估结果。四项研究采用了随机交叉设计，其余的采用了随机、双盲、安慰剂对照设计。这些实验被评估潜在的偏倚风险，并被归类为低、中或高风险。具体来说，一项研究（17号）被认为具有高风险，四项研究（16、17、28、39号）被分类为中等风险，其余的则被认为具有低风险。

 

图2.纳入研究的偏倚风险。

 

3.6 荟萃分析

我们分析了氢气对氧化应激（d-ROMs）的影响以及其对抗氧潜力容量（BAP）的影响。因为两项包含BAP/d-ROMs的研究（23、37号）在不同时间点测量了BAP/d-ROMs，我们没有对这个结果进行分析。

考虑到观察到的异质性，我们对d-ROMs和BAP进行了亚组分析。这些分析比较了不同表现水平（未经训练与训练有素）、氢气实施的不同周期（单次剂量或单日内多次剂量，以及超过1天的多次剂量），以及运动类型（连续与间歇）之间的效果差异。

3.6.1 氢气对氧化应激的影响

氧化应激（d-ROMs）的综合效应量（ES）不显著（SMD = -0.01, 95% CI -0.42至0.39, p = 0.94, 图3），并且异质性低（I2 = 0%, p = 0.44）。使用漏斗图（图4A）和Egger's检验（t = 1.62, p = 0.11）评估发表偏倚，未发现显著偏倚。同样地，亚组分析也没有显示出显著的差异（表2）。

图3 氢气对氧化应激的影响。

图4.漏斗图：（A） d-ROM;（B） BAP。

 

3.6.2 氢气对抗氧化潜力容量的影响

抗氧化潜力容量（BAP）的综合效应量（ES）是显著的（SMD = 0.29, 95% CI 0.04至0.54, p = 0.03, 图5），并且没有异质性（I2 = 0%, p = 0.90）。漏斗图（图4B）和Egger's检验（t = 0.92, p = 0.36）表明没有发表偏倚。亚组分析显示，氢分子补充在间歇性运动的抗氧潜力容量方面表现出更大的改善（SMD = 0.52, 95% CI 0.16至0.87, p = 0.02）（表2）。

 

图5 氢气的抗氧化潜力。

3.7 GRADE评估

结果的证据质量被评估为中等。有关GRADE框架的详细评价，请参阅补充表S2。

 

4 讨论

根据我们所知，这篇系统回顾和荟萃分析是首次探讨氢气(H2)补充对健康成年人运动引起的氧化应激的影响。研究结果表明，氢气补充作为一种增强抗氧化能力的有效手段具有潜力，尽管它似乎并不直接减轻氧化应激水平。此外，亚组分析显示，运动类型影响了氢气在增强抗氧化潜力方面的功效。收集到的证据总体质量为中等。通过定量分析，我们的研究为氢气补充剂减轻运动引起的氧化应激提供了宝贵的见解。

 

4.1 研究差距

基于仅来自动物研究的结果，先前的研究表明氢气对缓解运动引起的氧化应激有影响(2)。然而，氢气在人体中的效果仍不清楚。在最近的一项荟萃分析中，Zhou等人观察到不同训练水平和运动类型的人在通过氢气缓解运动引起的疲劳方面存在差异。综合来看，氢气的这些好处可能与其抗氧化能力有关(40)，但这并未被明确检验。近期的研究努力已经投入到探索氢气对人类氧化应激的影响(23, 37)。然而，报告了不同甚至矛盾的观察结果(24, 37)。这种不一致性可能源于研究方案设计的差异，以及氢气对氧化应激潜在的“双重效应”。因此，为了弥合该领域当前的研究差距，我们进行了这项工作，以全面描述氢气对人类氧化应激的影响，并且更重要的是，探索实施氢气的方案参数对此类影响的作用。

这里没有观察到氢气补充剂显著降低健康成年人运动引起的氧化应激水平。一个可能的原因是氢气具有多方面的作用，不仅仅是清除活性氧(ROS)。研究表明，氢气既能中和ROS，也能增加氧化应激水平以维持平衡的氧化状态（即双重效应）（16）。这种双重效应可能会对运动表现产生双向影响。具体来说，ROS的减少可以帮助缓解疲劳，但可能会影响对运动负荷的适应（41）；而ROS的增加可能会促进对运动的适应，但可能会降低运动表现（17, 42）。同样，研究也显示了氢气对与疾病相关的ROS的不同效果（43, 44）。例如，Honirayama等人展示了吸入HRG会增加帕金森病患者尿液中的8-羟基-2′脱氧鸟苷（8-OHdG）水平，这是DNA氧化的标志物（45）；而Yoritaka等人观察到吸入大剂量HRG后8-OHdG没有显著增加（46）。因此，应该谨慎对待氢气对ROS的影响。最近的研究提供了初步证据表明，这种双重效应可能与氢气的剂量有关。例如，Murakami等人观察到与3小时的氢气预处理相比，较低剂量的氢气（即1小时的预处理）可以诱导超氧化物的产生（47），从而引发更高水平的ROS；而Xue等人建议，含有较高剂量氢气的HRW（即0.82 mg/L）比低剂量（即0.22 mg/L）能更显著地抑制髓过氧化物酶（MPO）的活性（48）。因此，未来的研究迫切需要明确表征氢气补充方案与其对ROS影响之间的关系，这将最终指导使用氢气改变人体抗氧化能力干预措施的适当设计。

观察到氢气补充可以显著增强抗氧化能力，这一点通过吸入氢气后BAP水平的提高得到体现。这种增强可能是由于在氧化应激条件下Nrf2的激活，导致抗氧化酶如超氧化物歧化酶和过氧化氢酶水平的上升。先前的研究表明，氢气减少了白癜风样本中细胞内ROS的积累，同时伴随着抗氧化酶活性的增强（49）。亚组分析揭示，氢气在增强BAP水平方面，对于高强度间歇训练(HIIT)更为有效。与低强度持续运动相比，HIIT已被证实会产生更多的自由基，从而引发更高的氧化应激（50）。氢气对BAP水平的影响可能与产生的ROS量有关，且氢气对抗氧化酶的增强作用受氧化应激程度的影响。因此，HIIT中增加的氧化应激量可能会增强氢气的增强效果（49），这表明使用氢气从HIIT中恢复具有巨大潜力。

4.2 局限性

重要的是要承认本研究的几个限制。纳入研究的数量仍然相对较少，这限制了证据的力度和子组分析的数量。由于相关研究数量有限，我们的研究没有对几种结果（例如，BAP/d-ROMs）进行子组分析。此外，我们的研究没有进行氢气摄入模式（例如，溶解在盐水中的氢气）之间的子组分析，这限制了关于氢气摄入方式对其抗氧化效果影响的讨论。此外，一些纳入的研究不是双盲的，可能导致观察结果的偏差。最后，在纳入的研究中，氢气摄入的最长时间是14天。这阻止了我们检验氢气对氧化应激的长期效果。为了巩固这项研究的发现，并揭示氢气对运动诱导的氧化应激的长期效果，未来的研究应采用更严格的设计和更大的样本量。此外，不一致的采样时间点可能会导致氧化应激水平的变化，因此应该谨慎得出分析结果的结论。

 

5 结论

氢气补充可以帮助增强健康成年人的潜在抗氧化能力，但不是通过直接降低运动诱导的氧化应激水平，特别是在间歇性运动中。

 

Zhou K, Liu M, Wang Y, Liu H, Manor B, Bao D, Zhang L, Zhou J. Effects of molecular hydrogen supplementation on fatigue and aerobic capacity in healthy adults: A systematic review and meta-analysis. Front Nutr. 2023 Feb 2;10:1094767. doi: 10.3389/fnut.2023.1094767. PMID: 36819697; PMCID: PMC9934906.