航天微重力环境下的骨质丢失与肌肉萎缩的生理学机理

航天微重力环境下的骨质丢失与肌肉萎缩的生理学机理与对抗措施的研究进展摘要：宇航员长期失重飞行会造成骨质丢失、肌肉萎缩等症状，且回到地面重力 环境中难以逆转，因此会对宇航员造成一定的损伤，随飞行时间不同，损伤程度 也不同。目前对于航天微重力环境下的骨质丢失与肌肉萎缩的生理学现象与机理 研究及其对抗措施已经成为航天生物医学工程的一项研究热点。 关键词：微重力，骨质丢失，肌肉萎缩，对抗措施1. 引言宇航员长期失重飞行对其生理功能有很大影响。微重力环境对宇航员的健 康、安全和工作能力会产生重要影响，中长期航天飞行可导致宇航员出现多种生 理、病理现象，主要表现为骨质丢失、肌肉萎缩、心血管功能障碍、免疫功能下 降、内分泌机能紊乱、工作能力下降等。失重所导致的骨丢失随飞行时间的延长而持续进行，而且这种骨质疏松一旦 形成，回到地面重力环境下也难以逆转。长期失重还可引起对抗重力的肌肉出现 废用性萎缩。目前对于航天微重力环境下的骨质丢失与肌肉萎缩的生理学现象与机理研 究，主要包括宇航员飞行前后人体实验、飞行中的人体实验（例如航天飞机、空 间站、零重力飞机等）、失重环境模拟实验（例如人体水床实验、头低位卧床、 大鼠尾吊等），细胞水平上的旋转细胞培养（王驰等，2008）等实验方法，研究 手段则涉及解剖生理学、生物力学、细胞生物学、分子生物学等学科。有效防护措施是保证航天员健康、延长飞行时间的关键。早起的预防措施中， 包括宇航员简单的体育锻炼，如拉力器、跑步机运动等。但这些措施并未能够完 全防止骨质丢失和肌肉萎缩。因此对有效防护措施的研究对于宇航员长期微重力 飞行十分重要，目前有了一些新的研究进展。2. 航天微重力环境下骨质丢失生理学机理在空间中，骨骼不再需要对抗重力的作用，其所产生的机械应变减少，应变 力的缺失导致的成骨细胞增值减慢和活性降低。由于细胞成骨功能降低，而同时 破骨活性升高，直接导致了骨形成的减少。这是空间骨丢失产生的主要原因。同 样，在地球上当骨骼系统处于脱负荷状态时，例如长期卧床也会产生骨质的丢失。微重力条件下成骨细胞分化功能低下的机理尚不完全清楚，可大致归纳如 下：(1)微重力条件下骨髓腔内脂肪含量增加，使骨髓基质细胞数量减少，导致 骨形成前体细胞数量减少；(2)正常情况下骨髓基质细胞可以自分泌和旁分泌的 形式分泌一些促进成骨细胞祖细胞分化的细胞因子，如基本成纤维细胞生长因子 等。但由于失重条件下骨髓基质细胞数量减少，这些因子分泌量不足，使成骨细 胞分化功能降低；(3)微重力条件下骨组织对类胰岛素因子(IGF-1)敏感性降低。 IGF-1能够刺激成骨细胞分化，微重力条件下大鼠胫骨中IGF-1mRNA和IGF-1 含量增加，同时给微重力大鼠注射IGF-1不能改善其骨形成降低的作用，但能加 倍增加对照大鼠骨量，表明微重力条件下骨组织对 IGF-1 敏感性降低； (4)骨组 织能量代谢降低。器官培养的结果表明微重力大鼠承重骨葡萄糖消耗量降低， ATP 含量减少，提示能量代谢低下(李莹辉等， 2006)。3. 航天微重力环境下肌肉萎缩生理学机理微重力作用下骨骼肌的功能和结构会发生适应性变化，肌肉萎缩的可能原因 为蛋白质合成的减少，由于承重肌不必再抵抗重力作用，因此破坏了肌代谢平衡， 微重力还可能引起肌肉的疲劳性，并缩短了在骨骼肌脂肪氧化的能力(Fitts等, 2000)。目前，一些研究致力于肌肉萎缩及其功能丧失的细胞和分子机制，并以 此为依据，制定有效的对抗措施。Fitts 等研究表明，在老鼠的飞行实验中，肌肉萎缩迅速，在一周内就能失 去超过 37的成分。骨骼肌适应性变化可以归结于两个方面：肌肉的萎缩和收 缩蛋白的选择性缺失，而前者是主要原因。对老鼠的实验研究表明，微重力状态 下，慢缩比目鱼肌消耗脂肪的能力下降，而肌糖原的利用则有所增加。实验研究 还表明，对于骨骼肌而言，伸肌比屈肌萎缩的更快。失重还导致了收缩性蛋白的 选择性流失，伴随肌动蛋白含量的下降量比肌浆球蛋白下降量大。研究还表明， 肌肉的损伤大部分发生在了回到地球时的二次受力。王驰等(2008)通过太空飞行及地面模拟微重力线虫试验，研究线虫体壁肌 细胞结构和功能的变化，从形态学、分子生物学方法观察结果均为线虫出现了肌萎缩，并对其生理学机理进行了讨论。4. 航天微重力环境下骨质丢失与肌肉萎缩对抗措施的研究进展对于航天微重力环境下骨质丢失与肌肉萎缩的对抗措施，仍然是航天医学需 要解决的难点问题。中长期空间飞行期间维持骨钙平衡的措施包括飞行中的锻炼 和适当的食谱。早起的预防措施中，包括宇航员简单的体育锻炼，如拉力器、跑 步机运动等，也包括刺激、服药等。俄国宇航员在和平号空间站上曾试验多种对 抗措施，如每天 2 小时的跑台运动，穿企鹅服给以人工加载及服用特殊药物等， 但这些措施并未能够完全防止骨质丢失和肌肉萎缩，目前在空间飞行中采取的锻 炼措施尚不能完全阻止骨质丢失的发生。一些研究发现药物、低频电磁场和微小力刺激，可对骨质丢失起到一定减缓 作用。万玉民等（2009）通过头低位卧床实验，研究阻抗震动对骨质丢失的作用， 研究结果表明阻抗振动可通过增加血清无机离子含量、促进骨形成的发生有效对 抗模拟失重所致骨丢失，其影响部位主要有髋关节、下肢胫骨远端及跟骨等。 Riva 等（2009）研究表明 HF proprioceptive flows 可以作为预防空间肌肉萎缩和 骨质疏松的治疗对策。参考文献Fitts, Robert H., Danny R. Riley, and Jeffrey J. Widrick. Physiology of a MicrogravityEnvironment Invited Review: Microgravity and skeletal muscleJ. J ApplPhysiol 89: 823-839, 2000.Riva, Dario, Franco Rossitto, Luciano Battocchio. Postural muscle atrophy prevention and recovery and bone remodelling through high frequency proprioception for astronautsJ. Acta Astronaut. 65: 813 -19, 2009.李莹辉，张晓铀.空间骨丢失与地面骨质疏松症C.成都：2006国际骨质疏松一 骨与关节大会, 2006.卢婷利，胡惠静，陈涛.阿仑膦酸酰胺衍生物对抗空间骨丢失的作用效果研究C.大连：中国空间科学学会第七次学术年会, 2009.万玉民，秦岭，白延强，等.阻抗振动对“地星”1号一60d头低位卧床所致骨丢失的对抗作用研究C.大连：中国空间科学学会第七次学术年会,2009.王驰, 桑晨, 杨春, 等. 模拟微重力下秀丽隐杆线虫的力学感知和肌萎缩的发生机制太空飞行线虫试验地面平行对照研究部分J.生物化学与生物物理进展, 35(11): 1298-1304.