饮用富水运动后肌肉疲劳、纠正运动引起的代谢性酸中毒的研究

用吸氢机吸入氢气是比较快速的补充氢气的方法,但是饮用富氢水也是有着特别的效果。

2007年英国拉夫堡大学发现,定期适度运动会减少全身性炎症,但长期高强度运动训练则会增加炎症(26)运动带给身体的效应是负的还是正的,取决于运动频率、强度、持续时间和恢复时间。例如,运动员将自己推向极限水平的长期密集训练、或者是未经训练的人完成马拉松或其他对身体要求较高的活动(例如周末篮球),可能会造成运动疲劳和损伤。这些长期或不稳定的剧烈活动可直接损害肌肉组织,导致细胞死亡和线粒体功能或数量减少和/或其他病理变化。然而,与久坐不动的人的生物标志物相比,定期的适当运动会引起这些生物标志物的有益变化(即增加或减少),从而使身体保持和改善最佳稳态水平(297)。活性氧自由基在体育运动中发挥双刃剑作用:既可以诱发运动的训练适应,又会介导运动过度引起的损伤[298]运动大大增加了人体对氧气的需求,因此也增加了随后的自由基产生,0.2%~2%的吸入氧气被转化为各种自由基。自由基产生的瞬时峰值激活了大量的转录因子并调节各种信号转导途径,使运动具有引起兴奋的作用[299]。多个研究表明传统的抗氧化剂补充剂无益于严重的运动损伤(300]。长期过量地摄入外源抗氧化剂会抑制氧化还原敏感的信号传导途径,并干扰运动训练的生理性适应,例如细胞中线粒体数量的增多、心脏和骨骼肌功能增强,以及胰岛素敏感性的改善[301]。

有趣的是,氢分子并不总是能减少氧化标记,而只是降低过量的水平。氢分子不会清除所有的自由基,而只会减少过量的自由基,以帮助维持最佳的氧化还原稳态。这一事实使氢气成为一种安全有效的医疗气体,可用于临床管理,保留其益处并减少偶尔或长期剧烈运动给机体带来的危害。氢分子的使用方法多种多样,包括吸入气体、饮用富氢溶液、静脉注射富氢盐水、富氢透析液血液透析、富氢水泡浴、增加肠道细菌产氢、局部氢水喷洒、口服产氢片剂。无论给予方式如何,氢分子由于其独特的理化性使得细胞生物利用度极高[302]。在常规的环境温度和压力下,在氢水中氢气饱和浓度为1.6毫克/升,饮用1升氢水的抗氧化能力胜过服用100毫克的维生素C。尽管吸人氢气量可能比饮用富氢水所含的氢气量高很多倍,但饮用富氢水的效果通常与吸入相同,甚至比吸人更有效[284,303]这可能与氢分子在消化道更容易被完全吸收以及作为信号调节剂的活性有关(304)此外还可以通过高压提高氢在水中的溶解度和吸入氢气的吸收率。

■饮用富水缓解运动后肌肉疲劳

运动损伤常表现为肌肉疲劳,是由许多不同的原因引起的,包括肌肉纤维内代谢产物的积累、肌肉运动指令的产生不足等,通常认为乳酸积累是造成肌肉疲劳和酸痛的重要原因[305]。此外,有氧、无氧或混合运动会使肌肉内自由基产生增加,从而导致炎症和细胞损伤,损伤机制包括线粒体内的电子泄漏、儿茶酚胺的自动氧化、NADPH活性或局部缺血再灌注损伤等[306]。

图13运动期间血液乳酸水平的顺序变化(307]

注:*代表与运动前相比,快速骑车和最大速蹬车30分钟后数值显著升高,#代表组间相比存在差异显著。

2012年,日本筑波大学通过测量运动后的肌肉疲劳和血液乳酸水平,评估了富氢水对健康受试者的功效[307]。受试者为10名男性足球运动员,平均年龄为21岁,均没有吸烟或正在服用任何补充剂/药物。所有人在测试前一天晚上睡觉前和测试当天起床后共饮用1.升富氢水(水中氢气浓度为0.92~1.02毫克/升),不吃早餐直接进行2个小时的运动测试;1周后将富氢水换成普通水,再重复一次。每次测试时运动员需要先后进行强体力运动(快速骑车)和极限运动(在增加阻力的情况下100次最大速蹬车)各30分钟,然后在不同时间点抽血检测乳酸盐表达水平,数值越高代表身体疲惫程度越高。观察结果发现,在运动后45分钟和60分钟时,两组测试中受试者的血液中乳酸水平均显著提高,但补充富氢水时受试者的血液中乳酸水平相比低得多(图13)。表面肌电图已广泛用于评估肌肉静态收缩能力,代表周围肌肉疲劳的发展;受试者股直肌的平均功率频率和中值功率频率随着运动时间的推移均显著降低(代表肌肉力量随疲劳而降低),两次检测(分别提前饮用富氢水和普通水)没有统计学差异,这提示肌肉力量不受富氢水的影响。这项研究提示饮用富氢水可降低血液中乳酸水平,有助于运动员减轻运动后的肌肉疲劳和酸痛,将饮用普通水更换成富氢水简便易行,可使运动员在赛场上获得更佳表现。

运动前饮用富氢水补液对长时间间歇性短跑[308]和等速膝关节屈曲[307]期间的肌肉抵抗运动诱发的疲劳具有积极作用。2018年韩国延世大学发现在动物模型中使用富氢水有助于显著提高耐力性能[309]。从新陈代谢的角度来看,饮用富氢水会在跑步和/或运动后立即降低血乳酸水平。周围肌肉的疲劳和酸痛以及运动能力的下降被认为是由周围和/或中枢机制引起的。这些包括氧自由基和氮自由基的积累以及代谢引起的酸中毒,均是由乳酸分解引起的,需要立即缓冲并伴随高碳酸血症刺激通气[310]。2019年日本医科大学研究发现富氢水会改变人体的代谢水平,进而改变最大运动强度下的心血管反应,因此对干预运动的生理和知觉反应有一定意义[311]。

2019年澳大利亚堪培拉大学开展了一项研究,先让受试者在进行逐步增量运动测试之前饮用富氢水(pH为.4,氢气浓度为5毫克/升),然后观察饮用富氢水是否在每个增量阶段的最后一分钟对生理和/或知觉措施有任何影响[312]。该研究招募了12名健康的、不吸烟的体育专业学生,他们均没有使用任何药物或膳食补充剂。首先测量受试者体力运动极限时的最大摄氧量(与人的体能呈正相关),根据检测结果将受试者平均划分为试验组和对照组,每组各6人;两组受试者在运动前30分钟和1分钟分别饮用300毫升富氢水或普通水(第一种水),然后让他们在自行车测力计上开始逐步进行4种强度的阶梯增量锻炼,完成第二次测量;1周后,轮换饮用水的种类(第二种水)实施相同的锻炼方案(图14),完成第三次测量。在每个阶梯强度的自行车运动中,监测血液中乳酸浓度、1分钟通气量、氧气通气当量和劳累程度、心率、VO2max(最大摄氧量) 和呼吸商等指标。

研究方案概述

图14 研究方案概述  [312]

两种锻炼方案之间受试者的体重变化不明显,因此试验组和对照组的受试者的运动强度是相同的。观察发现在4种强度锻炼的最大运动强度下,与饮用普通水相比,在运动8分钟后饮用富氢水的受试者血液中乳酸浓度显著降低(约16%),1分钟通气量、氧气通气当量和劳累程度均降低,说明最大运动强度下可能是富氢水的最佳使用时机。其他变量(心率、VO2max和呼吸商)未发现显著差异。在次最大运动强度下,富氢水只显著降低血清乳酸含量。在小运动强度下组间的评价指标都没有显著差异。此结果可能通过氢分子对三磷酸腺苷的再合成的影响来解释。在增加运动强度期间,通过糖类 (分别为葡萄糖和糖原)与最终代谢产物乳酸的厌氧分解开始重新合成三磷酸腺苷,从而导致肌肉内乳酸积累和pH值降低。肌肉酸中毒水平的提高被认为是导致周围肌肉疲劳发展的重要因素,因为酸中毒与抑制三磷酸腺苷

重新合成和肌肉收缩有关。乳酸的产生可能是厌氧产生三磷酸腺苷的生化指标[313],但是,乳酸本身并不会引起肌肉疲劳[314],且已被证明是三磷酸腺苷重新合成的首选能量来源[315]。在当前乳酸结果的背景下,目前尚不清楚富氢水是否降低了厌氧三磷酸腺苷的产生(反映为乳酸含量降低)和/或线粒体有氧相关的乳酸氧化[316]。因此氢分子可能对线粒体呼吸或线粒体功能表现具有刺激作用,从而导致三磷酸腺苷产生或乳酸氧化。总的来说,饮用富氢水会降低运动员血液中的乳酸浓度,减轻肌肉疲劳,尤其是在运动强度较高的情况下。

■饮用富水纠正运动引起的代谢性酸中毒

运动引起的代谢性酸中毒是常见的代谢紊乱,特点是在人体组织和血液中的pH值低,同时伴随着乳酸的积累以及各种神经肌肉和心肺反应[317]。当细胞被迫依赖非线粒体三磷酸腺苷供应能量转换时,会导致血清pH值和二氧化碳分压降低,从而可能对运动表现产生负面影响[314]。患有酸血症的体育锻炼者的最初目标是使用诸如碳酸氢盐之类的碱化剂来提高系统pH值,主要用于运动员的短时、高强度体育比赛,但是碳酸氢钠给药的不良反应(如胃肠道不适、代谢性碱中毒、钠超载引起的水肿)和剂量难以控制,限制了运动员使用[318]。2009年,埃及曼苏拉大学研究了电离碱性水对实验性代谢性酸中毒的狗和大鼠的影响,结果提示碱性水对血清二氧化碳分压和碳酸氢盐都有显著改善作用[319]。

2014年,塞尔维亚贝尔格莱德的运动与体育科学中心报道了一项饮用富氢水改善年轻运动员的血液pH值的研究结果[320]。2010年9一10月,运动与体育科学中心招募了52名现役男性运动员,年龄为20~30岁,并将其平均分配到氢水组和对照组(饮用普通水)。富氢水的制备方法为将20毫克镁粉溶解在0.5升饮用水中,每天饮用2升富氢水,持续14天。在研究进行期间、运动员未反映任何新增不适症状或体征,其肝功能和血液学指标也没有显著变化。干预前、后运动员动脉血碱度分布的百分比变化如图15所示:无论空腹还是运动(加速跑30秒)后,氢水组运动员血液中的pH值、二氧化碳分压以及碳酸氢盐水平都显著提升(与富氢水干预2周前相比),而对照组基本没有变化。氢水组运动员血浆碱性的增加(pH值升高)可能是摄入的富氢水呈碱性所致,而空腹二氧化碳分压增高可以对碱性血液进行补偿。因此可以认为饮用富氢水后的这两个效应相互配合,使酸碱调节更加有效。尽管人们对急性代谢性酸中毒的正确治疗方案有一些争议,但该研究提示富氢水可以作为一种潜在的抗酸治疗方案。

饮用氢水和普通水的运动员血液酸碱指标变化情况

图15 饮用氢水和普通水的运动员血液酸碱指标变化情况[302]

*表示两组之间的显著差异。

来源:《氢分子疗法:新兴医学技术的临床探》

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