运动科学中氢研究的近期进展：调节昼夜节律、免疫功能和运动恢复

目标

氢气（H2，氢气）因其潜在的治疗属性在科学界引起了显著关注。本文旨在批判性评估H2增强运动员免疫功能、调节昼夜节律以及促进运动引起的疲劳恢复的能力。

新闻

除了传统的抗氧化和抗炎能力外，氢气可能通过包括昼夜节律调控和细胞稳态调节在内的其他途径来提升运动员的表现和恢复。

前景与项目

通过综合现有文献，我们评估了H2增强运动员免疫功能、调节昼夜节律以及促进运动引起的疲劳恢复的能力。我们的综述为H2作为优化运动表现的新颖干预措施的潜在作用提供了科学依据。

结论

尽管这一领域的研究有限，氢气显示出改善运动表现和帮助恢复的潜力。需要进一步调查以确定H2在调节昼夜节律和促进优质睡眠方面的有效性，并且需要设计良好的试验来确立其效能。此外，还需要进一步研究以了解H2对基因调控和激素平衡的潜在影响，并将H2的理论潜力转化为实际应用。

摘要

目标

氢气（H2，氢气）因其潜在的治疗属性吸引了科学界的注意。本文旨在批判性评估H2提升运动员免疫功能、调节昼夜节律以及促进运动引起的疲劳恢复的能力。除了传统的抗氧化和抗炎能力外，氢气可能通过多种其他途径提升运动员的表现和恢复，特别是昼夜节律调控和细胞稳态调节。

前景

通过综合现有文献，我们评估了H2增强运动员免疫功能、调节昼夜节律以及促进运动引起的疲劳恢复的能力。我们的综述为H2作为优化运动表现的新颖干预措施的潜在作用提供了科学依据。

结论

尽管这一领域的研究有限，氢气显示出改善运动表现和帮助恢复的潜力。需要进一步调查以确定H2在调节昼夜节律和促进优质睡眠方面的有效性，并且需要设计良好的试验来确立其效能。此外，还需要进一步研究以了解H2对基因调控和激素平衡的潜在影响，并将H2的理论潜力转化为实际应用。

1. 引言

体育营养领域在研究和实践上都迅速发展，越来越多人认识到营养在运动最大化表现中的重要性。在过去五十年里，人们投入了大量注意力探索运动表现的优化方法，例如通过赛前、赛中和赛后营养，获得运动表现最大化并促进赛后肌肉恢复。此外，研究人员还调查了可以增强运动表现和对抗疲劳的促力剂的潜在好处，这些促力剂通过调节疲劳的中心或外围方面发挥作用。

近年来，除了传统的运动促进剂外，对气态分子及其在生物系统中重要性的理解显著扩展，使得这些气体成为运动科学中的新颖且可能的解决方案。例如，一氧化氮（NO）是涉及血管调节的关键信号分子，研究表明它可以增加氧气消耗和运动能力。另一方面，虽然一氧化碳（CO）已知对急性运动表现有不利影响，但研究发现间歇性的低剂量CO暴露可以在骨骼肌中产生各种适应性反应，这可能对长期的运动表现产生积极影响。

在众多气体分子中，氢气（H2，氢气）因其巨大安全性和潜在益处而特别受到关注。从18世纪最早的氢气实验，到1975年贝勒大学和德克萨斯A&M大学的一组研究人员在《科学》发表的开创性论文，再到如今已有超过1000篇经过同行评审的动物实验和人体临床生物医药论文，H2医学走过了漫长的探索道路。很久以来曾经被认为是一种生物惰性气体的H2，现在已被证实在治疗多种疾病和条件方面具有有效性。除了医学领域，H2在运动医学中也显示出促进恢复和康复的巨大前景。另一方面，关于氢气在运动中的使用特别是与运动表现相关的研究有限，这使得它成为一个有希望的未来研究领域。

例如，先前发表的综述调查了氢分子作为运动科学中一种新型补充剂的使用，主要关注假设的氢气抗氧化效应和不同的摄入方法。最近的一项荟萃分析研究展示了H2作为减少疲劳剂的潜力，特别是在未经训练的运动员中。然而，该研究的作者没有观察到H2对耐力表现的影响，如通过最大氧气消耗量（VO2max）测量。尽管如此，鉴于H2在微调代谢方面的提议作用，文献中存在一个显著的空白，通常忽视了氢气的某些潜在效应。几项研究表明，H2可以调节睡眠剥夺受试者的神经和执行功能，强调其作为调节昼夜节律的时相生物剂的潜力。由于职业运动员经常需要长距离跨时区旅行，昼夜节律的变化会对表现产生深远影响，这使其成为一个重要的调查领域。此外，先前的研究还表明，H2能减少剧烈运动后延迟性肌肉酸痛的生物标志物，表明其在运动科学中作为恢复剂的潜力。

本篇综述文章批判性地检查了H2对运动表现的可能促力效应。具体来说，它旨在阐明H2可能通过何种分子机制改善运动员的健康和免疫力，以及其作为昼夜节律调节剂和恢复剂的潜力。通过综合和分析现有文献，本综述旨在提供对H2在运动科学中角色的全面理解，并强调其作为优化运动表现的新型干预措施的潜力。

2. 氢气作为昼夜节律的调节剂

无论旅行方式如何，个体经常在长途旅行后经历旅行疲劳，这种疲劳可能会随时间逐渐恶化。时差反应是一种特定形式的旅行相关疲劳，源于个体内在昼夜节律与位于不同时区的目的地外部环境之间的去同步化，通常涉及穿越三个或更多时区。人类昼夜节律系统对新时区的生理调整是一个复杂的过程，需要一段适应期，导致持续出现几种使人衰弱的症状，如睡眠障碍、日间疲劳、胃肠紊乱和身体及认知性能下降。

运动员越来越需要国内和国际旅行，经常导致旅行疲劳和时差反应。由于时差反应会影响情绪、认知和表现，已经采取了某些行动来减少这些现象的发生。最近在运动医学领域的研究确定了几种可以帮助缓解时差反应症状的药物干预措施，如褪黑激素和镇静剂。然而，这些干预措施应该谨慎和小心使用，因为长期使用这些药物可能导致不良效应。考虑到这些因素，明确有必要探索新的策略来更好地应对时差反应和旅行疲劳的挑战，以优化受影响个体的健康、福祉和表现。

氢气可以通过几种潜在机制影响昼夜节律。外源性H2的给药可能增强抗氧化防御。通过减少氧化应激，H2可能调节各种神经递质的作用，这些神经递质调节睡眠-觉醒周期，包括血清素、γ-氨基丁酸（GABA）、食欲素、黑色素聚集激素、胆碱能、甘丙肽、去甲肾上腺素和组胺。例如，H2可能通过调节大脑中GABA受体的氧化应激和炎症来影响GABA受体的功能。GABA是一种关键的抑制性神经递质，有助于调节神经元兴奋性。H2的存在可能通过增加GABA受体的表达或增强GABA对其受体的亲和力来增强GABA能传递。鉴于氢气对GABA能传递和调节氧化应激的潜在积极影响，合理推测它也可能对睡眠产生有益影响。

氢气调节睡眠的另一个机制是通过肠-脑轴。肠道微生物组，一个复杂的微生物网络，对人类的健康和福祉至关重要。肠道健康与睡眠之间的关系是相互的，彼此都有深远的影响。例如，肠道微生物群-胆汁酸轴将慢性失眠与心血管代谢疾病联系起来，而肠道菌群失调与帕金森病有关。肠道微生物群内源性H2产量减少被认为是疾病发生的一个促成因素。氢气可能影响产氢和耗氢细菌的活动，这些细菌是常见的肠道微生物群成员。最近的研究强调了肠道微生物群、肠-脑通讯和睡眠调节之间的复杂联系。这个轴被认为受到微生物代谢物、神经递质血清素和迷走神经功能的影响。此外，有证据表明，通过饮食改变肠道微生物群、外源性氢气补充以及刺激内源性氢气产生可以改善睡眠质量。

最后，来自非肠道来源的氢气也可能参与调节昼夜节律。氢气的全身效应潜力归因于在大脑中识别出新的内源性氢气产生位点。黑色素是一种深棕色到黑色的天然色素，体外研究表明黑色素可以分解水分子并生成氢气。此外，黑色素产生的氢气还可能通过改变促炎细胞因子、激素和神经递质的表达来显示生物效应，这可能会影响大脑中抗氧化防御的上调和对睡眠依赖性神经递质的影响。氢气对昼夜节律影响的假设机制如图1所示。

图1. 氢气对昼夜节律的影响。氢气可以通过减少炎症和活性氧物种（ROS）来影响免疫系统。可能的机制包括通过核因子κB轻链增强子激活的B细胞（Nf-kB）和红细胞2相关因子2（Nrf2）调控基因表达，以及通过增强大脑代谢。

考虑到将H2纳入日常饮食被认为会影响各种代谢途径，因此H2可能会对昼夜节律产生影响。然而，需要进一步的研究来探索和确认H2对运动员的影响，特别是那些经常旅行并暴露于不同时间区的运动员。这些研究可以优化H2作为提高运动表现和减轻时差反应及其他昼夜节律干扰的潜在干预措施的使用。

3. 氢气与免疫功能的联系

定期体育活动对健康的益处是众所周知的。然而，高水平的运动训练和比赛是一把双刃剑，既影响表现的提升，也带来健康风险。具体来说，精英运动员通常承受过多的身体和心理压力，这会导致不利的生理适应，最终增加受伤、疾病以及代谢和免疫紊乱的发生。

尽管有证据表明肠道菌群产生的H2与人类免疫功能之间存在联系，但氢气的潜在免疫调节作用却被忽视了。多项研究表明，氢气能够减弱炎症反应，减少巨噬细胞的一氧化氮生成，以及减少淋巴细胞的活性氧物种（ROS）生成。此外，氢气水已被证明可以防止辐射暴露引起的白细胞减少。这些H2的功能受H2循环的影响，该循环由产生和消耗H2的细菌种群之间的平衡所控制。多种因素可以影响内源性氢气的产生，包括饮食习惯。富含纤维和发酵食品的饮食已被证明可以增加肠道中氢气的产生，因为这些食物促进健康的肠道微生物群，而这对H2的产生至关重要。然而，也有研究表明，外源性H2摄入比内源生产具有更显著的生物学效应，如多个人群和条件下的证据所示。这可能是由于“氢气峰值”，其中外源性氢气提高了生理水平并影响了多个代谢途径。推荐H2作为额外的补充剂以增强运动员的健康，可能在运动科学中开辟一个有趣且未探索的领域。

据作者所知，只有一项研究直接测量了H2水平与人类免疫功能之间的关系。研究发现，60岁以下男性受试者在受到刺激的中性粒细胞产生的ROS数量与呼气中的H2浓度之间存在正相关。这意味着血液中中性粒细胞生成的ROS浓度较高的个体倾向于呼出更多的H2，而循环中中性粒细胞生成的ROS较少的个体则倾向于呼出较少的H2浓度。然而，这些联系是在较年长的非运动员人群中测量的，需要进一步研究来确认这些联系在运动员中的存在。

中性粒细胞被广泛认为是急性炎症的重要参与者。它们通常是第一个被招募到炎症部位的白细胞，并且能够通过多种机制消除病原体。实验和临床研究表明，感染后中性粒细胞定位到炎症部位对于成功清除感染至关重要。

尽管精英运动员很少表现出临床免疫缺陷，但经验证据表明，长期和剧烈的运动可以抑制多个免疫标志物。这些标志物包括中性粒细胞功能，以及血清和唾液免疫球蛋白浓度和外周血自然杀伤细胞数量的减少，可能还会影响细胞毒性活性。例如，对36名日本精英马拉松跑者的研究表明，竞赛水平的马拉松跑步显著降低了中性粒细胞功能。氢气对免疫影响的可能机制如图2所示。

图2. 氢气对免疫的影响。氢气可以通过减少炎症和活性氧物种（ROS）来影响免疫系统。可能的机制包括通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1-α（PGC-1α）、超氧化物歧化酶（SOD）、核因子κB轻链增强子激活的B细胞（Nf-kB）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）调控基因表达。

氢气的生物学益处已得到广泛记录，主要在炎症的背景下。研究表明，H2可能通过减少促炎性细胞因子和趋化因子的合成，同时阻碍炎症通路的激活，从而发挥抗炎作用。这种对炎症的调节随后可能影响中性粒细胞的水平，从而有益于运动员的免疫系统和整体健康。

4. 氢气作为咖啡因替代品的潜力

急性咖啡因摄入在各种运动和锻炼场景中的促力效果得到了广泛研究的支持，国际奥委会基于强有力的科学证据将咖啡因归类为一种提高运动表现的物质。当口服摄入时，咖啡因迅速吸收，并由于其亲脂性，可以穿过所有生物膜，包括血脑屏障。此外，咖啡因能够抑制腺苷A1和A2A受体，从而减少这种神经递质在运动中的疲劳效应。这种对腺苷受体的阻断间接影响了去甲肾上腺素、多巴胺、乙酰胆碱、5-羟色胺和其他化学物质的释放，最终导致疼痛、感知努力和延迟疲劳的减少。然而，研究还表明，咖啡因摄入可能会损害职业橄榄球联盟运动员的比赛后睡眠。此外，定期摄入咖啡因可能导致习惯性和预期的促力效果减弱，削弱了咖啡因在关键训练和比赛期间的表现提升效果。因此，体育科学家和运动员对探索潜在的咖啡因替代品感兴趣。

最新的研究虽然不多，但暗示H2在某些方面可能具有与咖啡因类似的有益效果。Zanini等人的开创性研究表明，单剂量氢气对于改善年轻健康的睡眠剥夺男性和女性的脑功能同样有效。在这项研究中，单剂量的超饱和富氢水（HRW）（8 ppm）在15分钟的随访中对定向ANT评分产生了积极影响，富氢水被发现对于摄入、定向、执行控制和反应时间在我们的睡眠剥夺志愿者队列中是安全且不低于咖啡因的。这些结果支持了之前的发现，即每天摄入600 mL HRW（0.8–1.2 ppm氢）四周后，氢能改善志愿者在改良高级追踪测试中的反应时间。此外，单独摄入氢或与咖啡因结合减少了完成追踪测试所需的时间以及符号数字模式测试中的错误数量。HRW和咖啡因都显著增加了几个大脑区域（前额叶白质和灰质）中的胆碱-肌酸比，而HRW单独和HRW+咖啡因干预还影响了旁中央脑的脑代谢。由HRW驱动的注意力增强似乎伴随着脑代谢的变化。

研究表明氢气可以改善与情绪、焦虑和自主神经功能相关的中枢神经系统功能。这种效应可能是由于氢能够迅速扩散穿过细胞膜，直接与触发睡眠剥夺个体氧化应激和大脑功能障碍的细胞毒性活性氧物种（ROS）反应。此外，气态氢可能通过胃饥饿素和非胃饥饿素相关途径增加线粒体生物能量，这可能解决睡眠受限受试者的大脑能量代谢受损和认知表现不佳的问题，从而改善脑功能。尽管仅在少数试验中得到了证明，但这种联系为未来研究H2的潜在刺激效果提供了坚实的基础，特别是在需要高度集中注意力的活动。由于运动表现涉及不同类型的压力，有可能在比赛前给运动员添加H2可以提高他们的运动表现，不仅在生理上，也在心理和认知领域。需要未来的研究来确认这些联系。（注意：氢气影响的这个饥饿素，也能带来脂肪肝和代谢紊乱！）

5. 新型运动恢复剂

H2分子在哺乳动物细胞内显示出独特的分布模式，根据其分布特性扩散到细胞质、线粒体和细胞核中。尽管它在哺乳动物细胞中是惰性的且没有代谢活动，许多报告记录了其在一百多篇科学出版物中的临床疗效和安全性。H2研究的主要关注点围绕其抗氧化和抗炎特性展开。此外，氢气通过各种机制对生物系统产生影响，如调控基因表达、信号传导细胞通路、改善线粒体生物能量和促进整体健康。近年来，氢气在运动医学中的应用取得了显著进展。例如，一项涉及18名职业男性运动员的研究发现，通过将受伤关节浸入饱和氢气的水中进行的H2疗法，显著改善了损伤程度。这种水疗与RICE（休息、冰敷、压迫和抬高）协议一样有效，减少了脚踝肿胀，改善了活动范围，并增强了单腿平衡。此外，通过富氢水（HRW）浸泡或口腔摄入H2进行的治疗也观察到类似的积极结果。

在一个开创性的安慰剂对照试验中，一个日本研究小组检查了20分钟氢浸泡对活跃年轻男性在30分钟下坡跑后的氧化应激和延迟性肌肉酸痛（DOMS）生物标志物的影响。尽管作者发现重复氢浴对氧化应激和肌肉损伤指标没有影响，但他们观察到视觉模拟量表（VAS）评分在运动后1天和2天的延迟性肌肉酸痛（DOMS）降低。同一组的另一项试验发现，HRW沐浴（每天20分钟，持续7天）对活跃男性进行偏心运动后的炎症标志物包括中性粒细胞动力学和功能没有影响。这些先前的研究指出，HRW沐浴不影响氧化应激生物标志物和细胞因子反应，表明另一种可能的机制可能驱动HRW对肌肉酸痛的有益效果。有可能氢影响基因表达，但这种效应似乎发生得很慢，而HRW沐浴具有相对较快的生物学效应。假设性地，HRW沐浴可能通过急性调节中央核相关机制来保护肌纤维膜的完整性（或减少其渗透性），防止酶泄漏，从而稳定肌肉细胞的活力。图3展示了氢气的拟议机制以及H2对DOMS的目标组织和效果。

图3. 氢气对延迟性肌肉酸痛（DOMS）的影响。氢气可以通过多种途径影响DOMS，包括过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1-α（PGC-1α）、超氧化物歧化酶（SOD）、核因子κ轻链增强子活化B细胞（Nf-kB）、成纤维细胞生长因子21（FGF-21）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、红细胞核因子2相关因子2（Nrf2）。

与之前的研究结果相反，Todorovic及其同事的一项研究采用了双盲交叉设计，对六名健康活跃的男性进行了偏心运动协议诱导DOMS，分别进行超饱和HRW或对照全身浴。在运动结束后立即，参与者将自己浸入装有超饱和HRW（每升8毫克H2）或对照水（无氢气）的200升浴缸中，直到颈部，持续30分钟。单次HRW沐浴在24小时随访时防止了由运动引起的循环生物标志物的上升，保持所有生物标志物的水平与基线值相似（P > 0.05）。相比之下，对照沐浴后24小时血清CK、醛缩酶和天冬氨酸转氨酶水平与基线水平相比显著升高。HRW沐浴还显著降低了干预后立即和24小时随访时的肌肉酸痛VAS评分。这些结果可以归因于氢的抗氧化和抗炎特性。然而，考虑到之前的研究没有显示出氢对生化标志物的影响，短期接触局部氢气可能影响基因表达，从而影响炎症标志物，其浓度通常在运动后24-48小时内达到峰值。

此外，一个捷克研究小组最近对八名精英蝶泳运动员的研究表明，四天的HRW补充是一种有前景的水合策略，可以促进在同一天进行的两次艰苦训练后的肌肉恢复。此外，HRW摄入减少炎症生物标志物和促进恢复的效果通过改善CMJ高度得以体现，这在一天中有多个比赛的体育项目中可能具有重要意义。同一研究团队进行的一项实验显示，急性HRW摄入在摄入后25至35分钟内增加了交感神经活动。这项涉及十四名健康女性的研究中，监测了她们在静坐位置下饮用1260毫升HRW或安慰剂后的心率变异性（HRV）。心率的增加归因于交感神经活动的变化。值得注意的是，这一时间与Shimouchi及其同事报告中呼吸中的氢气峰值相吻合。需要进一步研究以理解和确认这些发现。

此外，最新研究评估了二氢吸入对运动表现及其潜在机制的影响。代谢组分析揭示，高强度运动前60分钟吸入富氢气体提高了乙酰肉碱、丙酰左旋肉碱、次黄嘌呤和黄嘌呤的水平。它还增强了泛酸和辅酶A的生物合成途径、甘油磷脂代谢以及脂肪消化和吸收，同时降低了胰岛素水平，表明在运动期间改善了脂肪氧化。在短跑间歇运动前吸入富氢气体提高了无氧短跑表现并减少了疲劳，表明这可能是一种可行的非药物方法来增强运动表现。

6. 结论

氢在体育中的应用是一个新兴研究领域，具有进一步探索的巨大潜力。氢已显示出作为增强运动表现和促进恢复的潜在工具的前景。然而，这一领域的实证研究仍然相对较少。此外，使用氢调节昼夜节律和睡眠尚未得到彻底调查。氢对基因调控和激素平衡潜在影响的生物学机制已经产生了合理的假设，值得进一步探讨。为了确定氢对昼夜节律的功效并量化其影响，需要进行设计良好的随机对照试验。尽管氢气的时代已经开始，但需要共同努力将氢的理论潜力转化为实际应用。