失重及模擬失重對生殖系統(tǒng)的影響

趙疆東，張 舒

空軍軍醫(yī)大學(xué) 航空航天生物動(dòng)力學(xué)教研室，航空航天醫(yī)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710032

迄今為止，中國已發(fā)射了6艘載人飛船進(jìn)入太空。隨著科技的進(jìn)步，人類涉足太空越來越頻繁，在太空停留的時(shí)間也越來越長，“太空移民計(jì)劃”離人類也不再遙遠(yuǎn)。然而，太空環(huán)境不同于地球，太空中的失重、輻射、晝夜節(jié)律變化和隔離等因素會(huì)對人體的各個(gè)生理系統(tǒng)產(chǎn)生影響。已有大量研究證明，失重會(huì)引起人體出現(xiàn)水和電解質(zhì)代謝紊亂、心血管功能失調(diào)、航天貧血癥、骨質(zhì)丟失、肌肉萎縮、免疫功能下降、空間運(yùn)動(dòng)病等[1-3]。俄羅斯的瓦列里·波利亞科夫于1994 - 1995年在“和平號”空間站上連續(xù)停留438 d，創(chuàng)下了人類歷史上宇宙飛行時(shí)間的最長紀(jì)錄。研究表明，人類目前可以適應(yīng)1年多的失重環(huán)境，失重不會(huì)引起明顯的病理學(xué)變化，失重所引起的生理變化在返回地球后一段時(shí)間可以得到部分恢復(fù)。2016年4月，我國科學(xué)家利用微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星-實(shí)踐十號首次實(shí)現(xiàn)了太空中小鼠胚胎發(fā)育，預(yù)示著哺乳動(dòng)物(包括人類)的生命有望在太空中得以延續(xù)[4]。盡管如此，人類若要在太空中長期飛行、生活甚至繁衍后代，就必須了解太空環(huán)境對生殖系統(tǒng)的潛在危害。本文就失重及模擬失重對人和動(dòng)物生殖 系統(tǒng)的影響進(jìn)行綜述。

1 失重及模擬失重的研究方法

在太空軌道上，利用航天飛行失重環(huán)境開展失重研究，宇宙飛船和國際空間站的空間實(shí)驗(yàn)室是最理想和最真實(shí)的失重研究場所，但航天飛行高昂的成本和為數(shù)不多的任務(wù)量，使得我們無法獲得足夠多的數(shù)據(jù)。為此，開展地面模擬失重實(shí)驗(yàn)，可作為有效補(bǔ)充方法，滿足探究長期失重時(shí)生物學(xué)效應(yīng)的需要。目前應(yīng)用最廣泛的人體地面模擬失重方法為-6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用最廣泛的動(dòng)物地面模擬失重方法為構(gòu)建尾懸吊模型，應(yīng)用較為廣泛的細(xì)胞水平模擬失重方法為回轉(zhuǎn)器和旋壁式生物反應(yīng)器。動(dòng)物尾懸吊模型指大鼠或小鼠的尾懸吊模型，該方法在1981年由Morey-Holton提出后，經(jīng)空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系改進(jìn)，建成了保持小動(dòng)物呈頭低位(約-30°)、尾部無創(chuàng)懸吊可達(dá)120 d的長期研究模型[5]?；剞D(zhuǎn)器通過維持生物學(xué)樣品旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的效應(yīng)，使重力矢量隨時(shí)間的推移平均近似為零，從而實(shí)現(xiàn)對失重環(huán)境和效應(yīng)的模擬[6]。旋壁式生物反應(yīng)器是將細(xì)胞培養(yǎng)于微載體上，通過容器旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)懸浮培養(yǎng)。容器旋轉(zhuǎn)時(shí)可以使重力矢量持續(xù)隨機(jī)分布，并維持微載體進(jìn)入連續(xù)的類似自由落體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩者的綜合作用可導(dǎo)致細(xì)胞的表觀重力接近為零 ，從而實(shí)現(xiàn)模擬失重[7]。

2 失重對雄性生殖系統(tǒng)的影響

雄性生殖系統(tǒng)主要由內(nèi)、外生殖器兩部分組成?，F(xiàn)有研究表明，失重及模擬失重主要影響雄性內(nèi)生殖器的結(jié)構(gòu)和功能，特別是對睪丸、精子和睪酮的影響。睪丸是雄性生殖系統(tǒng)的核心，主要功能是產(chǎn)生雄性激素和合成精子[8]。睪酮由睪丸分泌，是一種活性最強(qiáng)的雄性激素，具有促進(jìn)精子生成、刺激生殖器官發(fā)育、維持男性第二性征的作用，是精子存活和活動(dòng)的必要條件，而精子活力是檢測生育力最重要的指標(biāo)。人體研究發(fā)現(xiàn)，頭低位臥床模擬失重狀態(tài)120 d男性存活精子的活力降低，且形態(tài)和結(jié)構(gòu)改變的精子比例增加[9]。另一項(xiàng)研究通過檢測航天員唾液、尿、血漿中雄性激素含量的變化以及問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)航天員在航天飛行后睪酮水平降低，性沖動(dòng)減少[10]。

動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，尾懸吊鼠模型模擬失重，尾懸吊1周后即可引起雄性動(dòng)物出現(xiàn)內(nèi)生殖器結(jié)構(gòu)和功能的損傷，并隨尾懸吊時(shí)間的延長而加重。尾懸吊1周后，大鼠睪丸生精小管壁發(fā)生損傷[11]；小鼠的睪丸重量與對照組相比顯著降低，睪酮水平明顯降低，且活動(dòng)精子的平均運(yùn)動(dòng)速度顯著降低，表明精子能動(dòng)性有所損傷[12]。尾懸吊3周后，大鼠睪丸重量顯著減輕，生精小管明顯萎縮，精母細(xì)胞明顯減少，附睪無精子，睪酮含量顯著降低，垂體細(xì)胞LH-β亞單位陽性細(xì)胞數(shù)量顯著增加[13]。尾懸吊4周后，大鼠睪丸重量與對照組相比明顯下降，附睪精子數(shù)量和活動(dòng)率顯著減少，精子畸形率和凋亡率顯著增加，睪酮含量顯著減少，睪丸組織生精小管萎縮，生精上皮細(xì)胞層數(shù)減少，且尾懸吊4周組較尾懸吊2周組變化更明顯[14]。尾懸吊6周后，與對照組相比，大鼠睪丸重量顯著降低，睪丸萎縮，除少數(shù)精原細(xì)胞外幾乎所有的生殖細(xì)胞均丟失，精子發(fā)生被嚴(yán)重抑制[15]；Tash等[16]的研究也證實(shí)，尾懸吊6周后的成年雄性大鼠睪丸重量和精子發(fā)生均顯著降低，生精小管直徑減小，附睪無成熟精子。

胚胎研究發(fā)現(xiàn)，利用回轉(zhuǎn)器在地面模擬微重力的生物效應(yīng)，可使鵪鶉早期胚胎血液和生殖腺內(nèi)的原始生殖細(xì)胞數(shù)目減少，睪丸內(nèi)生精小管數(shù)量以及生精小管內(nèi)精原細(xì)胞數(shù)量減少，睪丸的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損傷[17]。利用旋壁式生物反應(yīng)器的另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)，小鼠胚胎期12.5～16.5 d睪丸索在微重力條件下解體并發(fā)生重塑，睪丸索數(shù)量減少，而胚胎期睪丸發(fā)育不良可能導(dǎo)致成 年雄性動(dòng)物發(fā)生生殖缺陷甚至不育[18]。

3 失重對雌性生殖系統(tǒng)的影響

雌性生殖系統(tǒng)同樣由內(nèi)、外兩部分生殖器組成?，F(xiàn)有研究表明，失重及模擬失重主要影響了雌性內(nèi)生殖器的結(jié)構(gòu)和功能，特別是卵巢功能、卵子生成和激素水平等。卵巢是雌性生殖系統(tǒng)中最核心的器官，是人類繁衍后代的基礎(chǔ)。雌二醇是卵巢分泌的活性最強(qiáng)的雌激素，是判斷卵巢功能的重要指標(biāo)之一。Goncharova等[19]納入8名女性志愿者開展了人體頭低位(-6°)臥床實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)臥床120 d后志愿者出現(xiàn)黃體期缺陷癥狀，卵巢顯現(xiàn)出小的功能性包裹性積液。結(jié)束臥床實(shí)驗(yàn)6個(gè)月后志愿者卵巢功能才基本恢復(fù)。此研究表明，模擬失重可引起女性生殖系統(tǒng)功能紊亂。地面的動(dòng)物研究也證實(shí)，模擬失重可引起雌性鼠生殖系統(tǒng)功能紊亂。吳嫦麗等[20]利用尾懸吊法模擬小鼠在微重力環(huán)境下卵母細(xì)胞的體內(nèi)成熟情況，發(fā)現(xiàn)尾懸吊1周小鼠卵母細(xì)胞的平均排卵數(shù)和成熟率均顯著低于對照組，而卵母細(xì)胞的突起率和卵周隙顆粒率均顯著高于對照組，表明模擬失重能夠抑制雌性小鼠的生殖功能。賈木天等[21]的研究也發(fā)現(xiàn)，利用尾部懸吊法模擬失重1周、2周和3周的雌性大鼠血清中雌二醇水平下降，卵泡刺激素和促黃體生成素水平上升，卵巢中卵泡數(shù)量顯著減少，卵巢組織發(fā)生細(xì)胞衰老現(xiàn)象，且模擬失重雌性大鼠的產(chǎn)仔量和仔鼠存活率均明顯下降，表明模擬失重可致雌性大鼠生殖功能降低。劉軍蓮等[22]將雌性大鼠尾吊模擬失重4周后發(fā)現(xiàn)雌性大鼠雌二醇水平顯著升高，子宮內(nèi)膜腺體呈增殖期改變，卵巢內(nèi)各階段發(fā)育的卵泡較空白組減少，黃體數(shù)量增多，并且子宮和陰道出現(xiàn)炎癥反應(yīng)，從而影響了卵巢發(fā)育。航天飛行任務(wù)中相關(guān)研究較少，已有的報(bào)道與地面研究結(jié)果尚不一致。Smith和Forsman[23]研究發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行NASA STS-118任務(wù)的奮進(jìn)號航天飛機(jī)中飼養(yǎng)了13 d的雌性小鼠卵巢組織中卵泡和黃體未見明顯的形態(tài)學(xué)變化。但地面的動(dòng)物研究與地面模擬失重的體外細(xì)胞研究結(jié)果較為相似。吳嫦麗等[20]還利用旋壁式生物反應(yīng)器模擬微重力條件，觀察培養(yǎng)15～17 h的小鼠卵母細(xì)胞的體外成熟情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠卵母細(xì)胞的體外成熟受到抑制，成熟率顯著低于對照組(1 g重力組)，且卵母細(xì)胞的異常分裂率增加；卵母細(xì)胞在體外模擬失重條件下的 發(fā)育與尾吊鼠卵母細(xì)胞的體內(nèi)發(fā)育模式相似。

4 生殖系統(tǒng)分子水平的變化

雄激素受體分布于生殖器官及其周圍相鄰的組織中，如卵巢、睪丸、輸精管、前列腺、外生殖器等，可以使雄激素在其靶器官的雄性化上發(fā)揮作用，從而影響性器官的功能。熱休克蛋白70在精子的正常形成和胚胎發(fā)育中發(fā)揮著重要作用，熱休克蛋白70的表達(dá)量與睪丸生精小管細(xì)胞的損傷程度呈正相關(guān)。湯金等[24]和Ding等[25]研究發(fā)現(xiàn)，尾懸吊1周和2周的雄性大鼠睪丸組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的病理損傷，睪丸生精上皮發(fā)生不可逆損傷，睪丸組織分泌雄激素受體的功能減退，熱休克蛋白70過表達(dá)并大量釋放形成細(xì)胞外熱休克蛋白70，以至引起睪丸實(shí)質(zhì)的嚴(yán)重?fù)p傷。

睪酮的合成是類固醇脫氫酶級聯(lián)反應(yīng)的結(jié)果，其中最關(guān)鍵的酶是3β-類固醇脫氫酶和17β-類固醇脫氫酶；卵泡刺激素和促黃體生成素具有調(diào)控生精過程的作用，促黃體生成素可刺激睪丸間質(zhì)細(xì)胞分泌睪酮。Masini等[26]研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于太空(91 d)的雄性小鼠睪丸3β-類固醇脫氫酶和17β-類固醇脫氫酶的表達(dá)水平降低，雄激素受體和卵泡刺激素受體表達(dá)水平增加，促黃體生成素受體表達(dá)水平未見明顯變化，白細(xì)胞介素1β表達(dá)水平上調(diào)，生精小管呈現(xiàn)退行性改變?nèi)缥s、扭曲等，且附睪精子細(xì)胞數(shù)顯著降低，表明太空飛行后雄性小鼠的睪酮合成能力降低，性激素失衡且出現(xiàn)炎癥，生殖系統(tǒng)功能受損。

還有研究表明，模擬失重可導(dǎo)致生殖系統(tǒng)細(xì)胞出現(xiàn)凋亡、結(jié)構(gòu)改變和基因表達(dá)變化，造成生殖系統(tǒng)的損傷。Kamiya等[12]發(fā)現(xiàn)，尾懸吊1周小鼠睪丸組織的凋亡細(xì)胞增加；Li等[27]發(fā)現(xiàn)，尾懸吊1周小鼠發(fā)生生精細(xì)胞凋亡和精子DNA損傷。Sharma等[28]發(fā)現(xiàn)，尾懸吊12 d后小鼠除睪丸重量和睪酮水平顯著降低外，凋亡通路效應(yīng)因子Caspase-8、Caspase-3和凋亡通路轉(zhuǎn)錄因子NF-κB在睪丸中的表達(dá)顯著上調(diào)。Murata等[29]發(fā)現(xiàn)，在國際空間站培育了2個(gè)月的日本鳉卵巢發(fā)生變化，卵母細(xì)胞發(fā)育發(fā)生輕度中斷，RNA序列分析發(fā)

現(xiàn)卵巢中卵殼前體基因表達(dá)被抑制。Zhang等[30]發(fā)現(xiàn)，利用旋壁式生物反應(yīng)器模擬微重力，培養(yǎng)的雌性小鼠卵母細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，卵母細(xì)胞特異標(biāo)記物GDF-9表達(dá)水平下調(diào)，而GDF-9是初級卵泡生長必不可少的因子。Strollo等[31]利用回轉(zhuǎn)器模擬失重狀態(tài)下細(xì)胞水平的生物學(xué)效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)豬睪丸細(xì)胞回轉(zhuǎn)5 min后α-微管蛋白結(jié)構(gòu)發(fā) 生輕微的破壞，持續(xù)回轉(zhuǎn)23 h后則完全斷裂。

5 結(jié)語

已有的研究表明，失重或模擬失重狀態(tài)下雄性及雌性內(nèi)生殖系統(tǒng)均發(fā)生不同程度損傷，主要表現(xiàn)為形態(tài)、結(jié)構(gòu)、激素、細(xì)胞和分子水平的變化。但目前該領(lǐng)域的研究工作還存在較多局限性，地面模擬失重研究與航天飛行研究結(jié)論尚不完全一致，地面模擬失重研究尚不深入、系統(tǒng)。為了在太空中長期飛行、生活甚至繁衍后代，我們還需提出太空飛行對策或防御機(jī)制，這些均迫切需要大量的、更深入的研究。