失重肌萎縮的營養(yǎng)防護策略

郭 嫻， 唐玉婷， 汪 毅， 劉書娟， 張劍鋒， 李志利， 戴小倩， 王顏晴， 王惠娟

（1.北京體育大學， 北京 100084； 2.中國人民大學體育部， 北京 100872； 3.中國航天員科研訓練中心航天醫(yī)學基礎與應用國家重點實驗室， 北京 100094）

1 引言

中長期航天飛行期間，失重、密閉、隔離環(huán)境將對航天員運動系統、神經系統、心血管系統、免疫系統功能等造成一系列的影響。 身體質量特別是瘦體重的損失是航天飛行中的一種常見現象。 此外，空間飛行時間延長，航天員肌肉發(fā)生萎縮，特別是抗重力肌肉，如比目魚肌、背部的深層肌肉等出現肌肉質量和力量的持續(xù)下降。

失重性肌萎縮的產生機制有多種，主要表現為肌肉體積和橫截面積減小、質量減輕、力量減弱。 伴隨著肌纖維類型的改變，Ⅰ型肌纖維數目減少，Ⅱ型肌纖維數目增多，甚至出現Ⅰ型肌纖維向Ⅱ型肌纖維的轉變增多。 另外，由于航天員胃腸道消化吸收功能的減弱、神經內分泌的變化等綜合因素，導致食物攝入量比地面減少20%～25%。 同時航天員進行失重防護鍛煉會增加能量消耗，如果不能伴隨能量攝入的補償性增加，可能會加劇營養(yǎng)狀況不均衡，導致體重減輕、肌肉質量丟失和體能下降。

航天員營養(yǎng)保障對維持長期空間駐留和返回后恢復骨骼肌健康具有重要意義，目前已有多項營養(yǎng)干預措施用于克服失重和模擬失重造成的肌萎縮。 建立最佳的營養(yǎng)補充策略，充分考慮空間環(huán)境下營養(yǎng)保障工作的復雜性和可接受性，可以提高失重狀態(tài)下肌萎縮的營養(yǎng)防護效果。 本文綜述了不同的營養(yǎng)干預措施對航天飛行、頭低位臥床和肢體固定期間肌肉萎縮的作用，旨在闡明失重和模擬失重過程中肌肉萎縮的營養(yǎng)支持作用。

2 失重狀態(tài)下肌萎縮的發(fā)生機制

目前人體實驗和動物實驗都證明失重對骨骼肌的影響主要以抗重力肌，尤其是比目魚肌的萎縮程度最高，同一肌肉中以慢肌纖維的萎縮程度最大，另外，骨骼肌還容易發(fā)生明顯的Ⅰ型肌纖維向Ⅱ型肌纖維的轉變。

失重性肌萎縮以抗重力肌萎縮為主，近年來研究表明由于抗重力肌肌梭的重力刺激減少或消失，肌球蛋白重鏈Ⅱ亞型基因表達發(fā)生變化導致鈣超載，使外周感受器?中樞神經?肌肉間的反饋調節(jié)出現異常，傳入沖動活動減少，造成骨骼肌興奮性下降。 失重環(huán)境下，抗重力肌超微結構發(fā)生變化，表現為肌核數量及作用域的改變，A 帶區(qū)線粒體增加，而Ⅰ帶區(qū)的線粒體減少，線粒體通過激活JNK 信號轉導通路導致細胞凋亡，引發(fā)肌絲收縮速度變化，造成肌肉力量和功能發(fā)生改變。

另外，研究發(fā)現，失重環(huán)境下肌肉蛋白質合成速率降低和分解速率的升高也是造成肌萎縮的關鍵原因。 IGF?1／PI3K／AKT／mTORC1 是在翻譯起始水平調控蛋白質合成的典型信號通路，胰島素、生長因子或氨基酸與IGF?1 的結合都會導致PI3K 的激活，增加AKT 活性，刺激蛋白質的合成。 AKT 除了刺激蛋白質合成外，還可以抑制O型叉頭轉錄因子（FOXO） 家族來抑制蛋白質降解。

失重環(huán)境下，由于mTORC1 的上游調節(jié)因子如AKT、S6K1 等下調，造成了蛋白質的合成速率下降，另外失重環(huán)境下伴隨著鈣蛋白酶系統、細胞凋亡、自噬?溶酶體系統和泛素蛋白酶體途徑上調，加速了蛋白質的降解。 鈣蛋白酶介導的肌原纖維成分的蛋白水解，在失重造成的肌肉丟失情況下被激活，進而導致骨骼肌質量的丟失。 在自噬?溶酶體系統中，Ulk1?Atg13?FIP200 在自噬的啟動中起關鍵作用，而AMP 激活的蛋白激酶（AMPK）作為重要的能量感受器，可將Ulk1 磷酸化激活啟動自噬。 當處于失重環(huán)境下，肌肉收縮減少或停止而導致ATP 積累和AMP 降低，進而造成AMPK 磷酸化水平降低，從而抑制了肌細胞的自噬，而自噬的減少，又進一步促發(fā)了受損的蛋白積累，造成肌肉的分解代謝加強。 與此同時，AMPK 的去磷酸化消除了對mTORC1 的抑制作用，mTORC1 激活后造成p70S6K 磷酸化水平增加，隨著失重的時間延長，p70S6K 過度磷酸化又伴隨著E3?泛素連接酶—肌環(huán)指?1 E3 泛素連接酶（MuRF1）表達的增加，從而導致信號轉導至AKT 受損，進而導致FOXO3A 去磷酸化，易位至細胞核并激活MuRF1 基因轉錄，也加強誘導蛋白質的降解途徑。 而其被mTORC1 磷酸化導致其抑制mTORC1 途徑的主要效應因子為p70S6K和4E?BP1， 另 外， mTORC1 信 號 通 路 也 受 到AMPK 的磷酸化調控。

在泛素蛋白酶系統中，骨骼肌中特異性的E3泛素連接酶是最為關鍵的酶。 失重環(huán)境下，MAFbx 和MuRF1 這2 種特異表達的泛素連接酶通過在抗重力肌中的表達升高調節(jié)骨骼肌的分解代謝，參與調節(jié)骨骼肌萎縮。

除此以外，缺血缺氧環(huán)境加速了抗重力肌的氧化應激水平和炎癥反應，可通過核因子kB（NF?κB）、FOXO 和p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）信號通路激活MuRF1 和MAFbx，促進蛋白質分解。

另外，影響慢肌纖維表達的轉錄共激活因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ 的輔助激活劑1 α（PGC?1α），在失重環(huán)境下抗重力肌中基因和蛋白表達水平顯著減少，促進了Ⅰ型肌纖維向Ⅱ型肌纖維的轉變。

3 失重狀態(tài)下肌萎縮的營養(yǎng)支持作用

盡管失重狀態(tài)下肌肉萎縮是多種因素共同作用的結果，但多數學者認為肌肉蛋白質合成和分解代謝失衡是失重性肌萎縮發(fā)生的關鍵原因。 優(yōu)化肌肉蛋白質合成和分解代謝，對抗失重性肌萎縮的營養(yǎng)策略，應該既能提供足夠的營養(yǎng)素攝入和能量以滿足骨骼肌的需求，也能考慮到在軌飛行時間、代謝特點和身體消耗而變得個性化，這已成為越來越多國內外研究者的共識。 研究表明，補充蛋白質、氨基酸類、抗氧化劑、維生素D 和肌酸等營養(yǎng)物質，可能是對抗失重狀態(tài)下肌萎縮的有效干預措施。

3.1 蛋白質、氨基酸類營養(yǎng)物質補充策略

蛋白質／氨基酸、HMβ 等均在肌肉的合成和分解代謝中發(fā)揮重要作用，目前鮮有研究太空飛行中補充蛋白質的效果，但通過頭低位臥床模擬失重效應試驗，蛋白質的效果已有相關研究。

Paddon 等發(fā)現，臥床過程中從第1 天直到第28 天補充氨基酸，刺激了蛋白質的合成，使受試者下肢肌肉的質量平均增長了200 g。 Arentson等研究發(fā)現，臥床時在不改變總能量攝入的前提下，改善蛋白質的質量（例如攝入亮氨酸、支鏈氨基酸）可以一定程度上緩解肌肉萎縮。 此外，Jang 等和Taiki 等的動物實驗結果也證明，后肢懸吊14 d 的大鼠每日口服600 mg／kg支鏈氨基酸，可減少比目魚肌MuRF1 和Atrogin1 mRNA的表達，緩解肌肉蛋白質降解，有效阻止大鼠懸吊過程中比目魚肌重量的減少。

亮氨酸代謝的第一階段是可逆轉氨化為酮酸α?酮異己酸（KIC），KIC 可刺激肌肉蛋白質的合成，甚至同等劑量口服時產生的效果超過了L 型的支鏈氨基酸。 但是也有研究者認為，肌肉蛋白質合成的增加可能是由于KIC 的可逆轉氨作用將其轉回了亮氨酸，亮氨酸本身刺激了蛋白質的合成，而不是KIC。 亮氨酸可逆轉氨后，KIC 不可逆地代謝為異戊酰?CoA，另一小部分轉化為β?羥基?β?甲基丁酸（HMβ），目前的研究認為HMβ是一種有效的蛋白質合成促進劑。 Deutz 等的研究中，臥床10 d 的老人每天補充1.5 g HMβ，與對照組相比，可明顯阻止瘦體重的下降。 Hao等的動物實驗也指出，大鼠后肢懸吊14 d 的過程中，補充HMβ 可以減輕快肌纖維和慢肌纖維面積的減少程度，同時通過降低肌纖維中Bax、caspase?3 和caspase?9 蛋白含量，抑制了肌細胞凋亡，防止了肌肉萎縮。 HMβ 對骨骼肌的影響主要在于通過泛素依賴的蛋白質水解抑制蛋白質的分解，降低肌肉的降解速度，增強內質網的鈣釋放，同時刺激衛(wèi)星細胞，促進肌肉的再生等。

Trappe 等發(fā)現60 d 頭低位臥床期間，受試者每日攝入1.6 g／kg 蛋白質，與每日攝入1.0 g／kg 蛋白質相比，并未帶來防止肌肉圍度和力量丟失的有益作用。 Brooks 等也指出，臥床28 d中每天進行15 g 必需氨基酸的補充，大腿肌肉橫截面積和肌肉力量仍然分別下降了11%和22%。另外，也有研究提示，滿足日常推薦量的膳食蛋白質攝入0.8 g／（kg·d）便可有效預防失重帶來的肌肉質量丟失和力量下降。 如若將蛋白質的攝入增加到1.45 g／（kg·d），則可加劇臥床誘導的骨吸收標志物C?端肽的增加，帶來骨質丟失加劇的新問題，所以在失重條件下，蛋白質的攝入并不是越多越好。

3.2 抗氧化劑補充策略

1991 年，Kondo 等在尾吊大鼠時發(fā)現體內增加的活性氧（Reactive Oxygen Species， ROS）和氧化還原作用均在肌肉萎縮中發(fā)揮了重要的作用。 長時間限制活動將增加肌纖維膜、肌漿網和線粒體中的ROS，造成氧化應激水平增加，導致關鍵蛋白水解蛋白的表達增加，造成肌纖維中的蛋白水解增加。 此外，氧化應激還會在起始水平上阻礙mRNA 的翻譯，抑制蛋白質合成，進而誘導肌肉萎縮的發(fā)生，如圖1 所示。

圖1 廢用性肌肉萎縮ROS 來源示意圖［38］（肌細胞膜和肌漿網中NADPH 氧化酶（NOXs）、骨骼肌細胞外空間中的黃嘌呤氧化酶（XO）和線粒體產生）Fig.1 Sources of ROS in disuse muscle atrophy［38］（can be generated by NADPH oxidases （NOXs） in the sarcolemma and the sarcoplasmic reticulum， by xanthine oxidase（XO） in the skeletal muscle extra?cellular space，and by mitochondria）

隨著研究的深入，研究者發(fā)現，補充抗氧化劑，如維生素E、維生素C、白藜蘆醇、類胡蘿卜素、硫辛酸、多酚、n?乙酰半胱氨酸等可以調節(jié)肌肉中蛋白質合成和降解的平衡途徑，防止肌肉萎縮。 除了補充外源性抗氧化劑，增加內源性抗氧化作用同樣對失重狀態(tài)下肌肉中蛋白質平衡具有重要作用。

3.2.1 維生素類抗氧化劑補充策略

Kondo 等實驗證明VE 的補充能夠預防尾吊大鼠廢用性肌肉萎縮，該途徑通過下調肌肉蛋白水解相關基因的表達被證明。 后續(xù)Servais指出用高劑量水平VE（60 mg／kg，每周2 次）治療的動物會增加熱休克蛋白72 的表達，并降低包括calpain 和caspase?3 在內的幾種凋亡蛋白酶的表達。

但是，也存在不一致的研究結果。 Koesterer等的動物研究發(fā)現維生素類抗氧化劑雞尾酒（VE、VC 和胡蘿卜素）雖能增強肌肉的抗氧化能力，但并不能防止尾吊引起的肌肉蛋白質丟失。同樣地，Arc?Chagnaud 等觀察了維生素類綜合抗氧化雞尾酒的方式（多酚741 mg，VE138 mg，硒80 μg 和脂肪酸2.1 gW?3）對60 d 頭低位臥床及其恢復期肌肉的影響，結果表明實驗組Pras40 和4E?BP1 磷酸化水平在臥床后和恢復期均無變化，也進一步反映了氧化還原平衡機制的復雜性。

3.2.2 白藜蘆醇補充策略

白藜蘆醇主要存在于花生、松樹、桑葚、葡萄皮和紅酒中的天然多酚物質。 其在抗炎、抗氧化、抗動脈粥樣硬化、抗腫瘤、抗糖尿病中發(fā)揮了重要作用。 白 藜 蘆 醇 屬 于Sirtuin?1 的 激 活 劑，Sirtuin?1 與骨骼肌前體細胞的增殖有關。 通過激活Sirtuin?1，從而激活PGC?1α。 Bennett 的動物研究表明，每天125 mg／kg 白藜蘆醇的補充可促進后肢懸吊時肌肉質量的恢復，同時增加了IIA和IIB 型肌纖維的橫截面積。 Momken 等分別在懸吊前4 周和懸吊期間給大鼠每天補充400 mg／kg 白藜蘆醇，白藜蘆醇通過維持比目魚肌Sirtuin?1 和COXIV 蛋白質含量，對抗后肢失重造成的質量和收縮力下降。 Ma?as的研究結果表明后肢懸吊恢復期小鼠給予20 mg／（kg·d）白藜蘆醇治療后，小鼠下肢快肌纖維橫截面積下降減慢，同時顯著改善下肢肌肉內祖細胞的數量和活化水平，并增加衛(wèi)星細胞的計數，增加Sirtuin?1 活性和蛋白表達。

目前的研究雖然證明了白藜蘆醇對于改善失重狀態(tài)下肌萎縮可作為一種潛在的補充策略，但其對肌肉質量和力量的有益效果還需要更多的實驗數據支持。

3.2.3 姜黃素補充策略

姜黃素是從姜黃中提取的一種多酚類活性成分，具有抗衰老、抗氧化、抗炎、抗病毒、抗腫瘤等作用。 姜 黃 素 通 過 阻 止NF?κB、p38MAPK、ERK 激酶等信號途徑，對失重狀態(tài)下肌肉萎縮造成 蛋 白 質 的 代 謝 不 平 衡 發(fā) 揮 作 用。Lawler發(fā)現小鼠后肢懸吊固定前和固定期間飲食中添加1%姜黃素，不僅可改善肌肉橫截面積的下降，同時可增強熱休克蛋白的表達，增強蛋白合成信號如Akt、p70S6K 的轉導。 Vitadello 等發(fā)現姜黃素通過增加大鼠后肢懸吊期間葡萄糖調節(jié)蛋白94 的蛋白表達，使比目魚肌肌肉質量和橫截面積的損失減少近30%。

除了在失重過程中對肌肉的蛋白質代謝發(fā)揮作用，在失重后的恢復期，姜黃素也可減慢肌肉萎縮的進程。 Vazeille 等和Ma?as 等的研究都觀察到姜黃素可降低失重后恢復期大鼠、小鼠肌肉蛋白水解，前者還觀察到恢復期肌肉功能和肌纖維橫截面積的變化，后者認為姜黃素的補充降低了肌肉蛋白水解標記物NF?kBp50 的蛋白表達并提高了Sirtin?1 的活性。

因此，根據現有研究結果，如果航天員在飛行前、中、后都進行姜黃素的營養(yǎng)補充，將有助于防治失重狀態(tài)下肌萎縮，這也為對抗能量不平衡的臨床治療提供了新的研究思路。

3.3 維生素D 補充策略

長期太空飛行過程中，血漿鈣濃度的升高將使1，25（OH）D合成減少，而缺乏紫外線照射進一步造成維生素D 的耗空。 早年的研究發(fā)現，維生素D3 可以促進1，25（OH）D 的形式，刺激骨骼肌非受體蛋白酪氨酸激酶c?Src 的酶促活性，激活MAPK 信號轉導途徑，導致骨骼肌細胞的增殖和生長。 VD 與位于細胞膜表面的VD 受體（VDR）相結合，調節(jié)肌細胞中鈣的攝取，調節(jié)肌細胞的收縮，增加蛋白質合成。 與此同時，VD缺乏通過VDR 降低IGF?1 和PGC?1α 表達，進而通過MuRF1 和MAFbx 觸發(fā)肌肉萎縮，如圖2所示。

圖2 維生素D 缺乏對肌肉蛋白質合成的分解的影響機制［53］Fig.2 Effect of protein synthesis and degradation in vitamin D deficiency conditions［53］

已有隨機對照實驗和薈萃分析研究表明，VD 的補充對改善與年齡相關、行動受限造成的肌肉功能下降有重要作用。 但是，目前還較缺乏失重／模擬失重模型中采用VD 補充對失重性肌萎縮影響的實證研究。 Ekinci 等對骨折后臥床的老年女性進行了1000 IU／d VD 和蛋白質氨基酸的聯合補充，結果發(fā)現在補充的第30 d 肌肉力量明顯高于對照組。 Bostock 等對受試者的非優(yōu)勢手臂進行了每天9 h，共14 d 的固定，結果表明1000 IU／d的VD 補充并不能改變上肢肌肉力量和肌電圖。 另外，劉成林等對尾吊大鼠的實驗表明，補充10 000 IU／（kg·d）高劑量的VD 30 d后，大鼠腓腸肌去脂干重顯著低于尾吊模擬失重組，并加重了模擬失重大鼠的體重減輕和腓腸肌萎縮。

VD 的補充對于失重狀態(tài)下促進蛋白質的合成，減緩肌肉萎縮發(fā)生的最優(yōu)劑量是多少，是否能夠與其他營養(yǎng)素的補充產生協同作用，還需要更大的樣本量和臥床實驗臨床研究的數據收集。

3.4 肌酸補充策略

細胞內磷酸肌酸含量對于ATP 的再合成至關重要，這一過程由肌酸激酶來催化。 事實上，聚合酶鏈反應、ATP 和肌酸激酶的改變都可能會調節(jié)代謝傳感器—AMPK 的活性。 研究發(fā)現，肌肉失重導致的肌肉萎縮，減少了肌細胞的能量需求，進而伴隨肌內磷酸酶的減少，進一步造成了肌肉的代謝性失調，導致肌肉蛋白質分解代謝增多。 肌酸的補充有益于增加肌細胞的能源供應和保存肌糖原，同時還可發(fā)揮抗氧化的作用，降低肌內鈣水平和減少細胞凋亡。

目前航天醫(yī)學領域中對于改善肌肉質量和功能的研究主要集中于下肢承重肌肉，而對于上肢肌肉影響的研究較少。 隨著太空駐留時間的延長，下肢承重肌肉和上肢肌肉的問題都不容忽略。 Johnston 等研究了肌酸補充對上肢固定后肌肉質量和功能的影響，在固定后的第15 ～21 d，對受試者給予每次5 g，每天4 次的肌酸補充，結果表明該劑量肌酸能更好地維持上肢的肌肉質量、肌肉強度和耐力。 Hespel 等在右腿固定和恢復期，肌酸補充由20 g／d 逐漸遞減至5 g／d，結果固定期仍然出現了肌肉質量和力量的下降，但是恢復期可明顯提高股四頭肌的橫截面積和肌肉力量。

動物研究也有類似的結果。 Aoki 等分別探討了固定后補充和固定前+固定后同時補充5 g／（kg·d）肌酸對大鼠下肢肌肉質量的影響。 結果發(fā)現，提前7 d 補充肌酸可同時使比目魚肌和腓腸肌的質量丟失最小化，還可使峰值力矩的增長最大化，提出對抗臥床引起的肌肉萎縮采用肌酸補充的策略一定要在臥床前進行。 Marzuca等觀 察 到， 后 肢 去 負 荷 大 鼠 給 予 5 d 5 g／（kg·d）口服肌酸的補充，一定程度上可減輕比目魚肌質量的下降，增加了趾長伸肌中mTOR和4E?BP1 蛋白表達，促進了蛋白質合成。

但Backx發(fā)現腿部固定前5 d+固定7 d 期間，補充20 g／d 肌酸并沒有抑制固定下肢的肌肉質量和力量下降，恢復期也未能產生明顯效果。研究結果的不一致可能與固定肢體的時間長短、肌肉萎縮的狀態(tài)和肌酸補充的劑量有關。

根據現有研究結果，航天員在飛行前、中、后均按照5～20 g／d 劑量的進行肌酸補充，可能有助于維持蛋白質代謝的平衡，對抗肌肉萎縮。

4 總結與展望

本文綜述了近年來應用蛋白質、氨基酸類補充劑、抗氧化補充劑、維生素D 和肌酸不同營養(yǎng)干預措施改善失重狀態(tài)下肌萎縮的效果，可以看出，合理使用上述營養(yǎng)補劑，并配合適當的劑量，可以通過調節(jié)IGF?1／PI3K／AKT／mTORC1 信號通路刺激蛋白質合成，并抑制泛素蛋白酶系統抑制蛋白質降解，發(fā)揮對抗失重引起的肌萎縮作用。

由于多因素參與了失重狀態(tài)下肌萎縮的發(fā)生和發(fā)展，對抗失重狀態(tài)下肌萎縮的策略是否有效，不僅取決于不同的模型、肌肉的類型、肌萎縮的產生程度，也取決于物種的差異。 未來還應著重開展失重肌萎縮營養(yǎng)防護策略的研究：

1）失重狀態(tài)下肌萎縮個性化營養(yǎng)防護策略的研制與應用。 在評估航天員能量需求和體能防護訓練能量消耗的基礎上，個性化地安排膳食營養(yǎng)補充和運動營養(yǎng)補充。

2）開發(fā)植物天然提取物作為潛在的營養(yǎng)補充劑。 已有研究發(fā)現了白藜蘆醇、姜黃素在改善蛋白質代謝平衡中的作用，后續(xù)可繼續(xù)發(fā)掘其他抗氧化作用的植物天然提取物，應用于失重肌萎縮的營養(yǎng)防護策略。

3）深入研究不同營養(yǎng)補劑的單獨和聯合作用效果，補充的時間和劑量?效應關系，是否存在副作用等，為航天醫(yī)學營養(yǎng)研發(fā)提供更多的理論依據和實踐價值。