氢气吸入对健康女性静息代谢的调节作用：一项RCT对照交叉研究的结果
摘要：最初，氢气被认为是一种生理惰性且无功能的气体。然而，实验和临床研究表明，氢气具有抗炎、抗凋亡以及强大的选择性抗氧化作用。本研究旨在采用随机、双盲、安慰剂对照交叉设计，评估60分钟氢气吸入对呼吸气体分析参数的影响。该研究于2022年9月至2023年3月在奥洛穆茨帕拉茨基大学体育学院进行。20名年龄为22.1 ± 1.6岁、身体活跃的女性参与者参与了本研究，她们在静息状态下通过鼻导管（300毫升/分钟）吸入氢气或环境空气60分钟。使用间接测热法测量代谢反应。逐次呼吸数据按四个15分钟间隔进行平均。与安慰剂（环境空气）相比，氢气吸入在所有间隔内均显著降低了呼吸交换比和通气量。此外，从30分钟起，呼吸交换比的变化与体脂百分比呈负相关。总之，60分钟的静息氢气吸入显著增加了静息脂肪氧化，呼吸交换比降低就是证明，在体脂百分比更高的个体中尤其明显。
本文2025年发表于Medical Gas Research杂志，作者Grepl, Pavel等分别来自捷克帕拉茨基大学体育学院、澳大利亚堪培拉大学健康学院和南非夸祖鲁 - 纳塔尔大学健康科学学院三家研究机构。
Grepl P, Botek M, Krejčí J, McKune A. Molecular hydrogen inhalation modulates resting metabolism in healthy females: findings from a randomized, double-blind, placebo-controlled crossover study. Med Gas Res. 2025 Feb 8.
引言
实验和临床研究已表明氢气具有抗炎、抗氧化和信号传导特性[1 - 3]。氢气可通过饮用富氢水[4]、氢浴[5]或吸入[6]等方式进入人体。通过鼻导管吸入氢气，即使流速较低（250毫升/分钟），也是一种将氢气输送到血液中的有效方法[7]。一旦进入循环系统，氢气通过平流 - 扩散输送到全身并动态代谢[7]。一项实验研究表明，吸入浓度为3 - 4%的氢气30分钟，可在20分钟内使动脉和静脉血中的氢气水平达到约10 - 20微摩尔的稳定状态[8]。研究显示，氢气的使用是安全的，在人体[9]和动物[10]研究中均未报告有不良影响。大量研究证明了使用氢气对健康有益[11, 12]。使用氢气还可改变代谢，改善2型糖尿病或糖耐量受损患者的脂质和碳水化合物代谢[13]，在体外实验[14, 15]、动物模型[16, 17]以及人体[18 - 20]中均能增加脂质代谢。急性给予氢气可导致运动中和运动后血乳酸水平降低[21 - 24]。氢气给药导致的血乳酸降低具有潜在的有益影响，因为在代谢综合征患者运动过程中，血乳酸积累被认为是由于线粒体氧化功能受损而导致代谢灵活性降低的一个标志[25]。氢气对代谢产生积极影响，这与体外实验证据相符，即通过增强线粒体Q循环[26]、线粒体耗氧量（V·O₂）和三磷酸腺苷（ATP）生成[27]，显著提高线粒体呼吸效率。
使用间接测热法研究静息代谢率已得到广泛认可[28]。通过测量V·O₂和二氧化碳生成量（V·CO₂），来计算呼吸交换比（RER）、脂肪氧化率（FATox）和碳水化合物氧化率[25]。具体而言，RER值范围为0.71至1.0，用于间接确定碳水化合物和脂质对总能量消耗的相对贡献。重要的是，RER从0.85降至0.80表明能量利用从碳水化合物向脂质转变了16% [29]。最近研究表明，测量RER变异性也很重要，因为它可作为代谢灵活性的一个指标[30]。在年轻、非肥胖人群中，对日常常规任务（如坐姿、站姿以及坐 - 站 - 坐转换）的RER变异性更高，与较低的总体中心性肥胖、去脂体重呈正相关，与体脂量呈负相关[31]。此外，San - Millán和Brooks [25]将代谢灵活性差与线粒体呼吸限制联系起来，表现为脂肪和碳水化合物氧化率低以及乳酸清除能力差。Shook等人[32]进一步表明，在12个月内，静息RER较高（0.841 ± 0.032）的年轻成年人比静息RER低或中等（0.766 ± 0.025）的人脂肪量增加得更多。
Murakami等人[27]表明，氢气可在1小时内改善线粒体呼吸能力，这意味着全身氧化代谢的指标可能会发生改变。到目前为止，尚未有研究探讨氢气对女性代谢灵活性的影响。因此，基于这一理论基础，我们进行了这项随机对照交叉研究，并假设60分钟的静息氢气吸入会影响代谢反应。主要目的是比较健康女性在静息状态下吸入氢气与安慰剂（环境空气）时的RER值。次要目的是分析氢气与安慰剂之间RER变化的潜在调节因素。
参与者与方法
参与者
本研究于2022年9月至2023年3月在奥洛穆茨帕拉茨基大学体育学院进行，招募了24名女性体育专业学生。纳入标准为年龄18 - 26岁、有体育活动（每周至少三次，每次20分钟的中等至剧烈强度运动[33]）且为体育学院的女学生。排除标准为在第一次实验前1个月使用可能影响代谢的药物和膳食补充剂[34, 35]、实验测量时处于月经期以及任何已知（自我报告）的心血管、肺部或代谢疾病。3名参与者因记录通气量（VE）或心率的技术故障而被排除。1名参与者在洗脱期因病退出。20名参与者成功完成了研究（表1）。她们遵循指示，从实验第一次 sessions 前一周开始，直至第二次 sessions 结束，包括洗脱期，避免使用膳食补充剂（包括运动饮料和含咖啡因的饮料），并保持相同的个人规定训练负荷。此外，在测试前24小时，她们不应进行任何剧烈的体育活动[36]，也不应饮用任何酒精饮料。本研究依据《赫尔辛基宣言》进行，并于2021年12月27日获得奥洛穆茨帕拉茨基大学体育学院伦理委员会批准（参考编号107/2021）。参与本研究是自愿的，所有参与者均签署了知情同意书。本文按照《报告试验的综合标准》（CONSORT）撰写和修订（附加文件1）[37]。
表1：参与者特征（n = 20）
实验方案
本研究采用随机、双盲、安慰剂对照交叉设计。图1展示了实验流程。实验开始时，参与者熟悉研究的各个方面（如测量设备和程序）。签署知情同意书后，她们完成初步检查，包括身体成分分析。7天后开始第一次实验。使用随机化表将参与者分为两个实验组（氢气组和安慰剂组）。该表使用随机数生成器（MATLAB R2020a中的randperm函数，MathWorks，美国马萨诸塞州纳蒂克）基于区组随机化生成，区组大小为4 [38]。两组均吸入氢气（99.8%）或安慰剂（环境空气）60分钟。经过7天的洗脱期后，与先前研究类似[39, 40]，进行第二次实验，氢气和安慰剂的吸入情况进行反转。测量在上午（8:00 - 12:00）进行，每个参与者在每天的同一时间进行测量。
图1：实验设计
到达实验室后，参与者就座，将内置在胸带（DiANS PF8，Dimea Group，捷克奥洛穆茨）中的双导联心电图置于乳房与胸骨下缘之间。然后为她们佩戴供应氢气或安慰剂的鼻导管，接着在鼻导管、嘴和鼻子上放置面罩，用于呼吸分析（图2）。随后，在安静就座状态下监测心率、气体交换和VE参数60分钟。实验期间不允许使用任何电子设备、阅读或听音乐。实验室安静且光线较暗，温度为20 - 22°C，湿度为30 - 45%。
图2：插入的输送氢气或安慰剂的鼻导管，上面覆盖着呼吸分析面罩。(A) 氢气或安慰剂供应；(B) 面罩；(C) 面罩下的鼻导管。
人体测量
使用生物电阻抗分析仪（Tanita MC - 980 MA，日本东京Tanita公司）测量体重和体脂。使用SOEHNLE 7307身高计（德国拿骚Leifheit公司）测量身高，精确到1厘米。
间接测热法测量
使用Ergostik设备（德国巴特基辛根Geratherm Respiratory公司）在60分钟的氢气或安慰剂吸入过程中逐次测量呼吸气体交换和通气特征。氢气/安慰剂发生器启动后立即开始记录。每次测量前，根据制造商的说明进行体积校准（3升注射器）和气体校准。每次实验前的早餐进行标准化，并在实验的两个部分中，每个人都在同一时间进食。
将气体交换、VE和心率记录按四个15分钟间隔进行平均，即：0 - 15分钟、15 - 30分钟、30 - 45分钟和45 - 60分钟。氢气或安慰剂通过面罩下的鼻导管输送，因此，该气体流量无法被流量传感器记录。在使用安慰剂的情况下，一定量的氧气输送到鼻子，但未被Ergostik设备记录。因此，有必要对V·O₂进行计算校正。旁路氧气流量的计算方法是，安慰剂发生器的流速（300毫升/分钟）乘以空气中氧气的体积浓度（20.9%）。即，向每个V·O₂值中添加300 × 0.209 = 62.7毫升/分钟的氧气流量。在使用氢气的情况下，产生的气体几乎不含氧气（0.055%），因此无需进行此类校正。与呼出空气中的二氧化碳浓度（4 - 5%）相比，旁路二氧化碳的量很少（氢气发生器：< 0.002%，安慰剂：0.04%），因此未对V·CO₂进行校正。将300毫升/分钟的旁路流量添加到VE中是正确的做法。然而，该校正会给氢气组和安慰剂组的VE添加相同的值，无论是否进行校正，两组之间的差异都是相同的。因此，为简便起见，省略了该校正。V·O₂和V·CO₂以升/分钟为单位，相对体重进行计算，并以毫升/（千克·分钟）表示。RER计算为V·CO₂ / V·O₂的比值。
根据Kenney等人[29]的数据，计算每消耗一升氧气所释放的能量：分别对应RER值0.71、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95和1.00时，能量值为4.69、4.74、4.80、4.86、4.92、4.99和5.05千卡/升。能量消耗以千焦/分钟为单位，通过每升氧气的能量乘以V·O₂计算得出，并转换为千焦（1千卡 = 4.185千焦）。最后，通过除以体重将能量消耗表示为千焦/（千克·分钟）。为了计算来自FATox的相对能量量，使用以下对应上述RER值的数值：100%、84%、67%、49%、32%、16%和0%。对每个受试者和每个间隔进行能量消耗和FATox的计算，通过线性插值获得中间值，然后对这些值进行统计分析。
氢气给药
氢气由i300氢气发生器（捷克奥斯特拉发Molecular Hydrogen Medical Technologies公司）产生。根据操作手册，氢气通过膜电极组件/质子交换膜对纯净水进行电解产生。该发生器每分钟产生300毫升氢气。由外部商业实验室（捷克帕斯科夫LABTECH公司）通过气相色谱分析氢气发生器产生的气体成分（体积浓度）如下：99.8%氢气、0.12%氮气、0.055%氧气、< 0.002%二氧化碳。安慰剂由专业改装的发生器（捷克奥斯特拉发Molecular Hydrogen Medical Technologies公司）产生，该发生器以300毫升/分钟的流速泵送不含氢气的环境空气。使用空气质量计AQ - 9901SD（中国台北路昌电子公司）验证实验室中的空气成分如下：0.0%氢气、78%氮气、20.9%氧气和0.05%二氧化碳。参与者坐着通过鼻导管吸入60分钟。由于氢气无色、无味、无嗅，因此无法区分吸入的是氢气还是安慰剂[41]。出于安全考虑，实验期间按照制造商的说明使用氢气气体探测器（英国牛津郡Crowcon Detection Instruments公司的Gasman - FL - MPS）。
统计分析
数据以算术平均值和标准差表示。分别使用 Shapiro - Wilk 检验和 Mauchly 检验来评估数据的正态性和球对称性。对于因变量的变化，采用重复测量的双向方差分析，因素包括吸入因素（氢气和安慰剂）、时间因素（0 - 15、15 - 30、30 - 45、45 - 60分钟）以及两者的交互作用。若任何一个因素或交互作用显著，则使用 Fisher 最小显著差异事后检验进行两两比较。效应量使用 Cohen's d 进行评估，其中标准差计算为给予安慰剂时四个时间间隔标准差的合并值。根据以下阈值来解释 d 的大小[42]：微不足道（0.00 - 0.19）、小（0.20 - 0.49）、中等（0.50 - 0.79）、大（≥ 0.80）。使用 Pearson 相关系数（r）分析潜在调节变量（体脂、体重指数）与因变量变化之间的关联。根据以下阈值来解释 r 的大小[42]：微不足道（0.00 - 0.09）、小（0.10 - 0.29）、中等（0.30 - 0.49）、大（≥ 0.50）。所有检验中，P < 0.05 被认为具有统计学意义。使用带有统计工具箱的 MATLAB R2024a 进行统计分析。使用 G*Power 3.1.9.7 版本（德国杜塞尔多夫海因里希 - 海涅大学）进行敏感性功效分析。设定统计显著性水平为 α = 0.05，功效为 1 - β = 0.80。针对配对 t 检验和 Pearson 相关系数进行计算。样本量为20时，所需的效应量为 d = 0.66 和 r = 0.55。
结果
原始数据见附加文件2和3。参与者特征见表1。相关分析中使用的体重指数（P = 0.63）和体脂（P = 0.81）变量的正态分布未被拒绝（表1）。方差分析模型残差的正态性检验结果见表2。呼吸频率的正态性被拒绝（P = 0.019），因此，对该变量进行了正态概率图的可视化检查。检查后，认为偏离正态的程度是可接受的，并且由于参数统计方法对于这种偏离正态的情况具有稳健性，所以仍使用参数统计方法[43]。所有研究变量的球对称性均被拒绝（所有 P < 0.001，表2），通过 Greenhouse - Geisser 校正解决该问题。
表2：双向重复测量方差分析结果及假设检验
附加文件2：参与者原始数据
附加文件3：实验原始数据
氢气吸入对间接测热法变量的影响
与安慰剂吸入相比，氢气吸入的影响以方差分析因子表示，结果见表2。发现氢气对通气量（VE）（P = 0.002）、二氧化碳生成量（V·CO₂）（P = 0.042）、呼吸交换比（RER）（P = 0.034）和脂肪氧化率（FATox）（P = 0.034）有显著影响。对于其余研究变量，影响不显著（所有 P ≥ 0.17）。未发现显著的交互作用（所有 P ≥ 0.25）。氢气影响的详细分析见表3和图3。与安慰剂相比，吸入氢气在所有时间间隔内均降低了通气量（所有 P < 0.001，d 范围为 - 1.07 至 - 0.99），在所有时间间隔内均增加了二氧化碳生成量（所有 P ≤ 0.001，d 范围为 - 0.74 至 - 0.50），在所有时间间隔内均降低了呼吸交换比（所有 P ≤ 0.012，d 范围为 - 0.66 至 - 0.38），并且在所有时间间隔内均增加了脂肪氧化率（所有 P ≤ 0.013，d 范围为 0.38 至 0.67）。
图3：60分钟氢气吸入与安慰剂吸入相比对心率、呼吸和代谢变量的影响。实心圆和空心圆分别表示氢气吸入和安慰剂吸入。数据以平均值 ± 标准差表示。*P < 0.05，氢气与安慰剂相比（Fisher最小显著差异检验）。BF：呼吸频率；EE：能量消耗；FATox：脂肪氧化率；HR：心率；RER：呼吸交换比；V·CO₂：二氧化碳生成量；VE：通气量；V·O₂：氧气消耗量。
表3：60分钟氢气吸入与安慰剂吸入相比对心率、呼吸和代谢变量的影响
相关性分析
相关性分析显示，在0 - 15分钟和15 - 30分钟内，所研究的变量与体脂均无显著相关性（所有 P ≥ 0.19，表4）。然而，在氢气吸入30 - 45分钟（r = - 0.52，P = 0.018）和45 - 60分钟（r = - 0.51，P = 0.022，图4）时，发现体脂与氢气和安慰剂之间呼吸交换比的变化呈显著负相关。此外，在30 - 45分钟（r = 0.53，P = 0.017）和45 - 60分钟（r = 0.52，P = 0.020，图4）时，体脂与脂肪氧化率的变化呈显著正相关。与体脂相比，体重指数与呼吸交换比和脂肪氧化率变化的相关性稍弱（表5），具体为30 - 45分钟时与呼吸交换比（r = - 0.46，P = 0.044）、30 - 45分钟时与脂肪氧化率（r = 0.46，P = 0.044）以及45 - 60分钟时与脂肪氧化率（r = 0.45，P = 0.049）。45 - 60分钟时体重指数与呼吸交换比变化的相关性不显著（r = - 0.44，P = 0.052）。最后，在30 - 45分钟时，体脂与呼吸频率的变化呈显著正相关（r = 0.44，P = 0.049）。
图4：体脂与呼吸交换比（RER）或脂肪氧化（FATox）变化之间的相关性分析。虚线表示95%置信区间。Δ：氢气吸入与安慰剂吸入之间的变化；r：Pearson相关系数；P：相关系数的显著性。
表4：氢气吸入后体脂与心率、呼吸和代谢变量变化之间的相关性分析
表5：氢气吸入后体重指数与心率、呼吸和代谢变量变化之间的相关性分析
讨论
本研究首次深入探讨了静息状态下60分钟氢气吸入对健康女性通过呼吸气体分析测量的呼吸和代谢参数的影响。研究表明，与安慰剂相比，吸入氢气显著降低了呼吸交换比（RER）和通气量（VE）。此外，还发现从氢气吸入开始30至60分钟内，RER的降低与体脂百分比呈正相关。呼吸交换比通常被用作代谢功能的指标[28]。本研究结果表明，与安慰剂相比，从吸入氢气开始，氢气吸入就导致呼吸交换比显著降低。
观察到的呼吸交换比下降可能表明氢气对代谢过程产生了影响，使得机体更倾向于通过以脂质为代价的氧化代谢来产生三磷酸腺苷（ATP），而非碳水化合物。呼吸交换比的这种变化与计算得出的脂肪氧化率百分比的增加相对应，从47 ± 19% 增加到 56 ± 14%。氢气在体内代谢作用的快速起效，可能是由于其易于透过细胞膜进入各个细胞区室[1]，以及其低分子量[44]和电中性[45]。基于动脉和静脉血中氢气浓度的气相色谱分析发现，吸入3%的氢气后，血液中氢气浓度在20分钟后达到稳定状态，但在约5分钟时会出现急剧上升[8]。然而，最近一项研究表明，吸入相同浓度的氢气时，大脑（6.3分钟）、肝脏（7.8分钟）和肾脏（8.2分钟）中氢气的饱和速度最快[46]。在通过血液运输过程中，氢气扩散进入组织并被组织利用[47]。氢气在体内的药代动力学可能与我们的受试者在吸入开始后5 - 10分钟就观察到的呼吸交换比显著下降有关。我们的结果还表明，在氢气吸入开始30分钟后，氢气与安慰剂在呼吸交换比和体脂百分比（范围从13.5% 到 32.1%）的相关性上出现显著差异（氢气吸入30 - 45分钟时，r = - 0.52，P = 0.018；45 - 60分钟时，r = - 0.51，P = 0.022）。从结果可以推断，静息状态下的氢气吸入必须持续至少30分钟，才能对体脂百分比更高的女性的脂质代谢产生更大的刺激作用。
Botek 等人[40]先前描述了氢气对爬坡跑表现（4.2公里，8%坡度）和当前跑步表现有更积极的影响，他们发现氢气对运动表现的促力作用受到当前跑步表现的负面影响。与训练有素的爬坡跑者相比，身体素质较差的跑步者从短期氢气补充中获益更多。本研究发现，氢气吸入开始30分钟后，对氧化代谢的刺激达到最大。这种延迟可能与氢气在肌肉组织中的药代动力学有关，吸入3%氢气后，氢气在20分钟后达到最大饱和，这可能是因为与身体其他器官相比，肌肉质量体积更大[46]。肌肉通常被认为是能量代谢非常活跃的组织[48]。女性肌肉中含有高比例的高氧化、低糖酵解的I型纤维，以及更高的毛细血管和线粒体密度[49]，这可能增强了脂质代谢的条件。众所周知，线粒体的呼吸活动在氧化代谢水平中起着关键作用[48]。一项体外研究表明，60分钟的氢气处理轻微激活了线粒体，并伴随着微弱的氧化应激，触发了针对氧化应激的适应性抗氧化反应[27]。最近，有研究表明，给予氢气后，分离的线粒体中出现线粒体呼吸速率和ATP生成增加[26]。尽管氢气在线粒体中的生物学作用机制仍不清楚，但越来越多的证据表明，氢气诱导的线粒体反应因线粒体功能状态而异[50]，氢气被认为既是一种自由基清除剂，也是一种针对细胞氧化应激的线粒体 hormetic 剂[27]。氢气诱导的线粒体ATP生成增加和耗氧率增强，也可以用膜电位差的增加来解释，这表明氧化磷酸化被激活，而这可能由氢气修饰的钙信号对氧化磷酸化的调节所导致[27,51]。Gvozdjáková 等人[26]提出了氢气作用的另一种机制，他们认为氢气作为Q循环中电子和质子的供体，驱动了线粒体功能的增强。已有报道称，运动和运动后乳酸值降低，间接证明了急性给予氢气后线粒体活性得到改善[21,22,52,53]。乳酸作为无氧糖酵解的产物，可以在线粒体中作为优先的能量中间体进行氧化代谢[54]。在我们的研究中，氢气吸入导致通气量显著下降，这可归因于二氧化碳生成量减少，从而对延髓的刺激降低，使得分钟通气量降低。研究还表明，摄入氢气可降低运动期间的分钟通气量，这归因于更有效的呼吸和有氧代谢[22]。
通过水电解产生并通过鼻导管吸入氢气，是一种安全便捷的方法，适用于门诊医疗机构（如水疗中心），甚至家庭使用。与装有氢气混合气体的压力气瓶相比，其优点是产生的氢气可迅速被吸入消耗，因此只有极少量的氢气积聚，此外，通过开关可立即停止电解，降低爆炸风险。因此，本研究中使用的方法对于此类吸入方式在生态上是可行的。另一方面，面罩下吸入气体的旁路流量在气体交换测量中造成了系统误差，必须通过计算校正来处理。所使用校正的准确性可能受到质疑，未来的研究应使用金标准道格拉斯袋进行验证。我们的研究结果表明，氢气吸入可能为支持体重减轻和改善代谢健康提供一种新策略。然而，需要进一步研究以全面了解氢气影响人体代谢的机制。
本研究存在一些局限性。首先，参与者未在月经周期的同一阶段进行测量，只是要求她们在月经期间避免参与。其次，虽然建议参与者保持一致的水合作用、睡眠和身体活动习惯，但这些因素并未量化。最后，本研究中体重指数的上限（26.7 kg/m2）使得结果无法外推至超重和肥胖女性。未来需要对超重和肥胖女性进行研究，以验证本研究这些有趣的结果。
在我们的研究中，与安慰剂相比，60分钟的氢气吸入显著降低了呼吸交换比和通气量。呼吸交换比的降低与我们健康女性队列中的体脂百分比呈正相关。因此，氢气吸入可能是改善代谢健康的一种有前景的策略，特别是对于体脂百分比更高的女性。
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