微重力引起的骨質(zhì)丟失研究進展

張世明 尹文哲 陶天遵 陶樹清 夏玉城 朱立宇

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院，黑龍江 哈爾濱 150001

隨著科技的發(fā)展，人類探索的腳步逐漸邁向太空。對于現(xiàn)階段而言，太空是神秘的甚至是致命的。航天醫(yī)學為人類飛向太空提供了生命與健康的支持，是航天員在空間站中健康生存的基本保障[1]。從1961年第一位航天員進入太空開始，科學家就對航天員的各項生命體征進行監(jiān)控[2]。研究表明，航天員普遍存在骨質(zhì)及肌肉質(zhì)量降低、免疫功能下降等問題。如今，研究者致力于探索人體在航天飛行中發(fā)生的生理學變化，并制定相應的應對方案。長期的航天飛行會極大地影響航天員的身體健康。失重狀態(tài)使承重骨缺少機械應力，導致承重骨骨質(zhì)流失。失重狀態(tài)也可以導致體液的異常分布，增加頭部的血液供應，導致面部腫脹[3]。

本文將綜述微重力下骨量丟失相關的骨細胞及鈣鹽代謝情況，并對微重力引起的骨質(zhì)丟失的應對策略加以概述。

1 微重力條件下的骨代謝

在長期航天飛行和短期航天飛行中，航天員都會發(fā)生骨質(zhì)丟失，這個現(xiàn)象可以在地面用人和動物及細胞層面的試驗進行重現(xiàn)。因為航天實驗成本昂貴而且實驗機會稀少，所以現(xiàn)階段很多微重力引起的骨質(zhì)丟失研究都是基于地面的模擬微重力實驗[4]進行的。動物模擬微重力實驗的結(jié)果不可以用于替代人體變化的實際情況，但對于人體變化的研究有參考價值。航天員骨質(zhì)丟失主要發(fā)生于承重骨，例如骨盆、股骨、脊柱的骨量丟失最嚴重。一些經(jīng)歷過六個月航天任務的航天員其骨盆、股骨和脊柱的骨量丟失甚至超過10%[5]。研究者通過臥床試驗模擬微重力研究女性的骨密度(bone mineral density,BMD)和骨礦物質(zhì)含量(bone mineral content,BMC)的變化。外周骨定量CT和骨密度儀結(jié)果顯示脛骨遠端和股骨近端骨質(zhì)流失最嚴重[6]。Gadomski等[7]以綿羊作為模擬微重力試驗對象,消除綿羊后肢負重8周，試驗結(jié)果顯示綿羊后肢的骨密度、彈性模量、骨小梁數(shù)目均顯著降低和減少。有實驗表明在航天飛行微重力環(huán)境下，壓力誘導體內(nèi)糖皮質(zhì)激素分泌增加。當體內(nèi)糖皮質(zhì)激素濃度較高時，骨質(zhì)會受到損害。因此，糖皮質(zhì)激素在微重力骨質(zhì)丟失中也起到了一定的作用[8]。

人體正常的骨組織不斷進行改建活動，包括骨吸收和骨形成兩個方面，且這兩方面彼此平衡。在平衡過程中發(fā)揮作用最大的兩種細胞分別為成骨細胞和破骨細胞。然而，微重力會影響成骨細胞的功能，并且誘導激動蛋白微絲破壞和骨質(zhì)丟失[9]。成骨細胞增殖受損在微重力誘導中起著重要作用，并且微重力會引起成骨細胞細胞周期不平衡，進而導致成骨細胞異常增殖。Sun等[10]的試驗發(fā)現(xiàn)模擬微重力條件下會激活miR-181c-5p/cyclin B1通路，并誘導原代小鼠成骨細胞g2期細胞周期阻滯。在正常重力和微重力環(huán)境下，小鼠長非編碼RNA存在差異性表達[11]，這表明微重力下的骨質(zhì)丟失與分子水平相關。microRNAs在調(diào)節(jié)成骨細胞功能方面發(fā)揮著重要作用。模擬微重力條件下會激活miR-103通路進而抑制Cav1.2表達而抑制成骨細胞增殖[12]。當骨細胞短時間暴露于微重力條件下，會發(fā)生細胞外因子和與骨形態(tài)相關的蛋白質(zhì)的改變。甲狀旁腺素相關蛋白(PTHrP)在骨小梁分布的成骨細胞與顱骨的成骨細胞中表達存在差異。并且實驗[13]發(fā)現(xiàn)甲狀旁腺相關蛋白對微重力條件下的骨細胞也存在調(diào)控作用。骨保護蛋白(OPG)/核因子-Kβ受體活化因子(RANK)/核因子-Kβ受體活化因子配體(RANKL)信號通路在破骨細胞分化過程中至關重要，在微重力環(huán)境下該通路進一步活化，使破骨細胞分化得到促進，并且腫瘤壞死因子相關的細胞凋亡誘導配體會增加破骨細胞生成[14]。微重力通過激活CDKN1a / p21信號通路改變破骨細胞活性，并且抑制成骨細胞細胞周期[15]。

2 微重力條件下的鈣離子代謝

微重力環(huán)境下，人體各器官對鈣離子的代謝發(fā)生變化。腸吸收的鈣離子降低，而通過腎臟排泄的鈣離子增高也使得腎結(jié)石發(fā)生的風險變大，此實驗結(jié)果在男女之間無顯著性差異。雖然骨質(zhì)丟失與骨礦物質(zhì)含量存在性別差異，但在微重力條件下男女之間的生理反應無明顯差異[16-17]。有研究針對42名在國際空間站進行長周期工作的航天員(33名男性，9名女性)，根據(jù)運動強度分為不同的組。研究[17]發(fā)現(xiàn)，微重力對骨密度的影響是相同的。并且無論男女，其骨密度變化與腎結(jié)石形成的風險也是相同的。航天員在航天過程微重力環(huán)境中執(zhí)行任務返回地球后3.5～4.5個月，其腎臟及腸道對鈣離子的排泄量依然高于正常水平。增高的骨吸收導致航天飛行中骨量負增長[18]。在微重力模擬器中進行的小鼠實驗[19]發(fā)現(xiàn)，維生素D和鈣的補充使小鼠股骨部位骨質(zhì)丟失得到緩解，骨微結(jié)構(gòu)改善，骨密度降低情況有所緩解。所以，在航天飛行中，航天員攝取充足的鈣和維生素D是有必要的，但航天飛行相比于陸地是不同的，單純通過攝取鈣和維生素D無法完全對抗微重力導致的骨質(zhì)丟失[20]。

3 太空輻射和微重力對骨的綜合作用

在航天飛行中，太空中的電離輻射會損傷骨骼。因此，研究微重力下輻射對骨骼的影響是有必要的。航天員執(zhí)行航天任務時發(fā)生的骨質(zhì)丟失主要由微重力引起，太空輻射起著次要作用，同時晝夜節(jié)律起的作用微乎其微[21]。輻射劑量低于2 Gy時，骨髓間充質(zhì)干細胞生成破骨細胞增強，而成骨細胞形成受到抑制。當輻射劑量大于10 Gy時，成骨能力將明顯降低，同時骨質(zhì)遭到破壞[22]。隨著科技的發(fā)展，人類可以在地球表面使用設備模擬微重力環(huán)境和電離輻射，并且對于放射生物學的研究也將使航天醫(yī)學得到發(fā)展和進步[23]。在航天飛行后、模擬微重力和電離輻射下，研究者都檢測到了骨組織炎癥細胞因子IL-6表達增高。IL-6抑癌蛋白M(OSM)是骨重塑的一個重要檢測指標[24]。有研究[25]將大鼠分為四組，一組為單輻射組，一組為單懸吊組，一組為懸吊加輻射組，一組為空白對照組。研究發(fā)現(xiàn)懸吊加輻射組的骨質(zhì)丟失發(fā)生率顯著高于其它組。

4 微重力引起骨質(zhì)丟失的對策

白天，人類在地球上的生存方式多數(shù)為站著或者坐著，骨骼肌肉系統(tǒng)支撐著這些姿勢并驅(qū)動人體運動。重力作用于人體產(chǎn)生沿人體縱軸的壓力，使骨骼肌肉存在機械力的作用。然而在航天飛行和模擬微重力條件下，人體縱向的壓力變得很小甚至消失。因此，骨骼的骨質(zhì)流失，肌肉變得萎縮。應用抗阻力鍛煉設備和雙膦酸鹽有助于對抗微重力下的骨質(zhì)丟失[26]。震動合并抗阻力鍛煉設備的療效強于單純抗阻力鍛煉設備。在大鼠模擬微重力試驗中，硫化氫水溶制劑被證明可以保護骨結(jié)構(gòu)，并促進成骨細胞分化[27]。骨保護素-Fc是一種細胞核內(nèi)因子激活劑，可以起到抑制骨吸收的作用。在動物試驗[28]中，骨保護素-Fc成功預防了微重力條件下鼠的骨損傷。在模擬微重力動物試驗中，3-羥基丁酸酯表現(xiàn)出了抗骨質(zhì)丟失作用，且在100 mg/kg用量時3-羥基丁酸酯對抗鼠的骨質(zhì)丟失起到了最好的作用[29]。狄諾塞麥(Denosumab)是一種人工合成、完全人源化、可與RNAKL結(jié)合的單克隆抗體(IgG2抗體)，對人源 RANKL具有很高的親和力和特異性，具有較好的骨吸收抑制作用[30]，以破骨細胞RANKL/RANK信號調(diào)控通路為靶點的骨質(zhì)疏松靶向治療藥物，評估狄諾塞麥在微重力環(huán)境對抗骨質(zhì)丟失的作用是很好的研究思路?？寡趸瘎?、二氫硫酸鋅、布洛芬、李子干對骨吸收相關基因有鈍化作用，從而可以對抗輻射造成的骨質(zhì)丟失。有研究者[31]通過實驗，將這幾種物質(zhì)的療效加一比對，結(jié)果發(fā)現(xiàn)李子干對于減少骨吸收相關基因的表達最有效。因此，飲食補充李子干可能預防航天飛行中電離輻射引起的骨質(zhì)疏松。在模擬微重力試驗[32]中，一些中藥也表現(xiàn)出了有效的抗骨質(zhì)丟失作用。大量研究[33]表明，中醫(yī)藥可以提高骨質(zhì)疏松癥患者的骨密度，改善其疼痛癥狀，在防治骨質(zhì)疏松癥方面具有獨特的優(yōu)勢。探究抗骨質(zhì)疏松中藥在微重力下對抗骨質(zhì)丟失的作用也是很好的研究方向。馮秀等[34]以尾吊大鼠模型探究蛇床子對模擬微重力骨質(zhì)丟失的作用，尾吊給藥組相比于對照組骨密度顯著提高，OPG/RANKL 比值也顯著升高，說明蛇床子對模擬微重力骨質(zhì)丟失有防治作用。骨碎補總黃酮、姜黃素等中藥也在模擬微重力試驗中證實了其具有防治骨質(zhì)丟失的作用[35-36]。

5 總結(jié)與展望

人類對太空的探索從未止步。伴隨著多學科的發(fā)展，人們對于航天微重力引起的骨質(zhì)丟失的研究也越來越全面。研究者們從細胞水平乃至分子水平探究微重力骨質(zhì)疏松的發(fā)生機制，為揭示微重力骨質(zhì)疏松的本質(zhì)并尋找微重力引起的骨質(zhì)丟失的對策奠定了理論基礎。尋找微重力骨質(zhì)丟失的解決對策主要有兩大思路，一是根據(jù)微重力骨質(zhì)丟失發(fā)生機制切斷其發(fā)病途徑，二是評估已知藥物在微重力環(huán)境下抗骨質(zhì)丟失效果。隨著人類在航天領域取得的進步，航天醫(yī)學也將更加熱門。相信在不久的將來，人們將探尋到更多解決微重力引起骨質(zhì)丟失的方法。