失重效應(yīng)模擬實驗方法及對機體功能影響的研究進展

黃紅姚彩虹張亦文陳善廣李瑩輝姜寧*劉新民

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所,北京 100193;2.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室,北京 100094;3.寧波大學(xué)新藥技術(shù)研究院,浙江 寧波 315000)

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展,我國正進入中長期載人航天飛行階段。長期駐留空間站的航天員處于失重、密閉(狹小空間)等航天特因環(huán)境會導(dǎo)致人體發(fā)生相應(yīng)的適應(yīng)性變化[1],容易引起空間運動病、心血管功能紊亂、失重性骨丟失、肌萎縮、認知功能減退、情緒改變和免疫功能低下等航天醫(yī)學(xué)問題[2-4]。除此之外,有文獻報道發(fā)現(xiàn)雖然短期的失重對航天員的認知記憶沒有顯著性損傷,但長期的失重環(huán)境,會導(dǎo)致航天員明顯的識別功能減退[5-6]。為明確失重所致的各種損傷機制及尋找到可能的有效防護藥物,在地面建立航天失重模型模擬失重所致生理或心理損傷尤為重要。因此,本文從地面常見模擬失重模型與失重所致機體功能損傷方面進行綜述,以期為模擬航天失重環(huán)境和機能研究提供依據(jù)。

1 地面模擬失重的方法

1.1 尾部懸吊(尾吊)模擬失重法

尾部懸吊30°被公認為能有效模擬航天失重對動物的各生理系統(tǒng)造成影響的實驗方法。尾部懸吊模擬航天失重模型,最早在1979年由Morey建立[7],該模型的尾吊套由穿孔的硅藻土制成,將這種材料按大鼠背部輪廓剪裁后,粘合在剃光毛的大鼠背部,以使鼠不能抓到自己的尾巴,或者咬壞套具。這種方式可以維持2周,2周后需要拆下尾吊套給大鼠重新剃毛。這套尾吊裝置可讓大鼠360°自由旋轉(zhuǎn),裝置底部是塑料網(wǎng)格,大鼠可以抓住網(wǎng)格移動,自由獲取食物和水,大鼠后肢卸負荷,但不被束縛住,整個背套通過釣絲固定在懸空的水平鋁梁上;尾吊的大鼠保持頭低位,可以模擬航天失重時體液頭向分布的狀態(tài)。但由于這個造模方法對動物背部皮膚的損傷性,于是在1982年Morey-Holton對其進行了改進,建立了對動物刺激性更低的尾部懸吊法[8]。為了進一步模擬長期航天失重,1991年,陳杰等[9]在Morey-Holton的尾部懸吊方法上又進行了改進,改進后的方法能模擬長期航天失重達120 d,且動物無死亡,尾巴無壞死現(xiàn)象。具體為:潔凈、干燥大鼠尾巴后,先用安息香酊和松香酊噴涂大鼠尾巴,再用膠布粘貼,且1 ~ 2周后更換膠布粘貼的位置。為了使尾吊過程更為簡便,付子豪等[10]報道了一種改良的尾吊方法,具體操作為:在醫(yī)用膠布和紗布制作的大鼠尾套內(nèi)增加聚乙烯發(fā)泡棉隔層以緩沖紗布對尾部的擠壓,保證遠端血液循環(huán),該方法可防止尾吊過程中大鼠爛尾。目前,最常用的簡化的尾部懸吊模擬航天失重的方法為:鼠單籠飼養(yǎng),尾部纏繞膠帶并通過繩索懸掛,頭低位-30°尾懸吊,使后肢卸載,鼠身可360°旋轉(zhuǎn),鼠在尾吊箱中可自由進食進水[11]。

為了更好的研究失重對機體的影響,除了大小鼠,也有將豚鼠作為模擬航天失重動物的。豚鼠是聽覺器官研究中最常用的實驗動物,為將其用于模擬失重的研究,韓浩倫等[12]用薄層棉片包裹豚鼠兩后肢踝關(guān)節(jié)以上部位,用膠布纏繞,兩后肢間加一棉簽棒,用于穿線固定豚鼠,使豚鼠身體與地面呈頭低位30°角。此方法被廣泛用于豚鼠尾吊。

但僅是嚙齒類動物已不能滿足科研學(xué)者對于航天失重的探索,有學(xué)者通過觀察大小鼠尾吊法進行改進,設(shè)計出了針對比格犬后肢卸載模擬航天失重的方法。其通過將犬套上吊帶式尼龍背心,用繩子穿過背心上的掛扣懸掛,使犬后肢-12°懸吊,前肢著地,犬可在一定范圍內(nèi)自由活動,自由進食[13]。

1.2 貼身籠具模擬失重法

在研究失重對動物微循環(huán)的影響時,兔子是最佳的實驗動物。為此,孟京瑞等[14]設(shè)計了貼身籠具法模擬航天失重,將兔子關(guān)在狹小的懸吊籠內(nèi),使兔子頭部外露,卡緊,頭低位-20°[15],這種方式便于動物的飼養(yǎng)和給藥,這種貼身籠具法和全身懸吊法被普遍用于對兔子的尾吊失重造模。之后,曹亞軍[16]對其改進,將貼身籠具改為鐵絲籠,便于清潔。

1.3 水浸模擬失重法

水浸法的原理是利用水的浮力來抵消重力[17],又被稱為“中性浮力模擬失重”。有研究對雄性恒河猴水浸(3 d,每天3 h,水溫35℃)模擬失重發(fā)現(xiàn),造模后可影響猴子的認知功能、體溫和血液參數(shù)[18],這與航天飛行過程中實驗動物和航天員的認知功能、體溫和血液等參數(shù)相一致[19-20]。在航天員訓(xùn)練時也常采用中性浮力和水槽法模擬進行航天操作任務(wù)[21-23]。

水浸法又分為“濕浸”和“干浸”。在濕浸時,水位通常設(shè)置在胸骨上切線位置,受試者常呈坐姿,少有站立,水溫為34 ~ 35℃[24]。但由于長時間浸泡對皮膚有影響,此模型最多維持12 h。由于“濕浸法”對人體的傷害,在俄羅斯常用“干浸法”模擬失重。干浸法是在一個超過受試者身長的大水缸中,將一種特殊的高彈性防水織物附著在浴缸外緣的金屬邊緣上(織物的面積大大超過了水面的面積),在防水織物上鋪一層棉布后,再將受試者緩緩放上去,此時受試者身體逐漸被織物的褶皺和水包裹?？椢锖鼙?且有足夠的面積,使受試者在類似于完全缺乏力支撐的情況下“自由懸浮”在水中,水溫一般為32 ~ 34.5℃,也可以根據(jù)受試者要求調(diào)節(jié)溫度[25],干浸法實驗最長持續(xù)了56 d[26]。另外,還有中性浮力水槽法,多用于出艙活動訓(xùn)練,該實驗需要較高的保障條件 ,不適用于防護措施的短期驗證[27]。

1.4 頭低位臥床模擬失重法

頭低位臥床實驗是地面模擬航天失重常用的人體實驗方法。人體臥床實驗研究了+4°到-15°不同的角度模擬航天失重效應(yīng),也有+45°的實驗報道[28],研究發(fā)現(xiàn)-6°頭低位臥床與航天員在太空失重環(huán)境下的生理改變更相似[17,29]。-6°頭低位臥床主要用于模擬長期失重生理效應(yīng),驗證防護措施效果時多采用該模型。我國開展了7 ~ 60 d -6°頭低位人體臥床實驗?zāi)M航天失重效應(yīng)[30],被試者在實驗期間一直保持臥床狀態(tài),包括但不限于排泄、就餐、洗漱等,同時要求無枕睡眠。臥床實驗期間可繞身體縱軸變換體位,允許讀書、看報、看電影,玩游戲等休閑活動,也可以與外界聯(lián)系。每個臥床實驗受試者之間用簾布隔開,室溫23 ~ 27℃。臥床前10 d及臥床期間,均保持平衡飲食,以穩(wěn)定基礎(chǔ)營養(yǎng)狀態(tài)和避免營養(yǎng)因素對實驗結(jié)果的影響。被試者每日攝入的總熱量不超過其近1月的日均值,飲水不限量。臥床期間,每日監(jiān)測血壓,心率,呼吸頻率、體溫、飲水量、排尿量等一般健康狀況[31]。

除人體實驗外,也有研究對4 ~ 8歲年齡階段5 ~ 8 kg的恒河猴進行了為期42 d的-10°頭低位臥床實驗來模擬航天失重[32]。

2 失重所導(dǎo)致的機體功能損傷

2.1 骨和肌肉系統(tǒng)

尾吊法(后肢卸載)是一個常用的骨質(zhì)疏松模型,可以造成動物骨骼肌萎縮,同時組織代謝也相應(yīng)的改變[33],由于其生理效應(yīng)與航天失重過程相似,而用于模擬航天失重。對C57小鼠尾吊28 d后發(fā)現(xiàn),小鼠比目魚肌單收縮力、強直收縮力和疲勞指數(shù)均顯著下降,同時伴有快肌纖維亞型的增加和慢肌纖維亞型的減少[34];小鼠肝和骨骼中的鐵沉積顯著增加,并伴隨破骨細胞活性的上調(diào)和成骨細胞活性的下調(diào)[35]。大鼠-30°尾吊30 d后,比目魚肌指數(shù)顯著降低[36],通過對比航天飛行后的小鼠和尾吊模型小鼠的半月板發(fā)現(xiàn),兩者均能導(dǎo)致脛骨-股骨間軟骨降解、半月板體積下降以及腓腸肌的改變,而這種變化能通過運動恢復(fù)[37-38]。通過對兔模擬失重發(fā)現(xiàn)椎間盤退變主要引起椎間盤的細胞外基質(zhì)(ECM)破壞和凋亡,隨著失重的時間延長椎間盤退變加重[39]。比格犬-12°后肢去負荷,持續(xù)3周后,犬后肢肌肉含量顯著降低,骨骼肌原肌球蛋白、肌球蛋白、肌動蛋白、肌鈣蛋白表達顯著下降,血清堿性磷酸酶、骨鈣素、總鈣含量、甲狀旁腺激素含量顯著下降、股骨骨量減少、骨密度顯著降低[13]。

同時,人體浸泡法模擬航天失重也會引起運動能力下降,肌肉纖維萎縮,心臟縮小等[26]。研究發(fā)現(xiàn),無論是航天員飛行返回后還是臥床實驗對于運動/肌肉性損傷,大部分都可以通過鍛煉恢復(fù)[30,40]。

2.2 心血管系統(tǒng)

失重會導(dǎo)致機體血液流變的改變。酪蛋白激酶-2相互作用蛋白-1(CKIP-1)是壓力超負荷誘導(dǎo)的心臟重塑的重要抑制劑,參與微重力誘導(dǎo)的心臟重塑的調(diào)節(jié),研究發(fā)現(xiàn),模擬微重力后,小鼠和猴子心臟中CKIP-1的表達均降低[41]。同樣地,在尾吊28 d后,小鼠心臟肥大,收縮力降低,并出現(xiàn)室性心律失常,這可能與心臟蘭尼堿受體2的鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)的磷酸化增加有關(guān)[42]。兔頭低位-20°模擬失重后血流變及循環(huán)系統(tǒng)改變,主要表現(xiàn)在紅細胞壓積減少、變形能力下降,膽固醇和低密度脂蛋白明顯增加[43],血液中內(nèi)皮細胞數(shù)增加、畸形紅細胞增多,紅細胞變形性和膜流動性下降,骨髓造血功能紊亂,血常規(guī)指標有變化及血液流變性降低[15]。

2.3 中樞神經(jīng)系統(tǒng)

2.3.1 失重對認知的影響

對于失重對認知的影響有不同的說法,俄羅斯“和平”號空間站通過對比航天員在航天飛行前、中、后3個階段,以及和對照組對比,認為失重并未損傷航天員的學(xué)習(xí)能力[44]。但后來研究發(fā)現(xiàn)在長時間的在軌飛行后,航天員的記憶行為出現(xiàn)了損傷[45],這也在長時間頭低位臥床實驗中被證實[46]。頭低位-6°臥床45 d后,受試者的工作記憶受損[47],臥床50 d后,發(fā)現(xiàn)對決策能力有影響[48]。另有學(xué)者證實了頭低位-6°臥床70 d后的感知運動和空間工作記憶發(fā)生改變,并且這與神經(jīng)元可塑性機制高度相關(guān)[49]。

為了明確造成這種認知損傷的原因,科學(xué)家們采用嚙齒類動物開展了模擬失重致認知損傷的研究。尾吊模擬失重7 d后,發(fā)現(xiàn)大鼠避暗實驗錯誤潛伏期縮短、在Y迷宮實驗中對于正確臂的尋找準確度降低、反應(yīng)時間延長,神經(jīng)遞質(zhì)代謝紊亂、血漿CORT降低以及胸腺萎縮、海馬神經(jīng)細胞死亡等現(xiàn)象[50-52]。Wistar大鼠尾吊14 d后,發(fā)現(xiàn)海馬CA1區(qū)神經(jīng)元的平均面積、周長、突觸間隙和活動區(qū)長度顯著減少,而樹突樹枝狀結(jié)構(gòu)和棘數(shù)代償性增加[53]。SD大鼠尾吊14 d以上,在水迷宮實驗中的尋臺潛伏期顯著性延長,并降低穿梭實驗中大鼠的主動回避次數(shù),大鼠學(xué)習(xí)記憶的下降可能與SOD、MDA、ROS等氧化應(yīng)激水平變化以及8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)和3-硝基酪氨酸(3-NT)的升高有關(guān)[54-55]。小鼠尾吊14 d后,導(dǎo)致物體認知實驗的辨別能力下降、脈沖易化(PPF)和長時程增強(LTP)、脊柱密度降低、CREB/BDNF信號網(wǎng)絡(luò)相關(guān)蛋白的下調(diào)[56]。尾吊模擬失重28 d可導(dǎo)致大鼠在水迷宮實驗中尋臺潛伏期顯著延長,并伴隨焦慮樣行為[57],其改變可能與海馬組織神經(jīng)元數(shù)目減少,NMDAR2A、BDNF 蛋 白 表 達 水 平 降 低,BAX、Caspase-3等細胞凋亡相關(guān)蛋白表達水平升高,海馬組織中神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸(Glu)濃度增加,5-羥色胺(5-HT)、多巴胺(DA)、γ-氨基酸丁酸(GABA)和腎上腺素(E)濃度降低等有關(guān)[58-59]。

2.3.2 失重對情緒的影響

尾吊14 d SD大鼠出現(xiàn)抑郁樣行為,具體表現(xiàn)在空場實驗中動物在中央?yún)^(qū)運動時間減少、強迫游泳不動時間延長、新奇物體實驗嗅探潛伏期延長,同時發(fā)現(xiàn)ChAT和SOD活性降低,MDA、AChE、血清皮質(zhì)酮、促腎上腺皮質(zhì)激素水平升高,大腦皮層中BDNF表達下降[60-63],同時造成色氨酸、精氨酸、脯氨酸和苯丙氨酸代謝以及能量代謝紊亂[64]。對小鼠尾吊14 d后發(fā)現(xiàn)其在高架十字迷宮實驗中進入開臂次數(shù)百分比減少,動物表現(xiàn)出焦慮狀態(tài),其可能與谷氨酸能系統(tǒng)的改變有關(guān)[65]。

經(jīng)過人體-6°臥床45 d模擬失重模型實驗結(jié)果來看,個體在臥床前會表現(xiàn)出對未來的擔憂情緒,在臥床初期會表現(xiàn)出焦慮情緒的波動,頭低位臥床模擬航天失重環(huán)境可能更多的是誘發(fā)了個體的軀體性焦慮而非焦慮心境[31]。通過對男女臥床實驗的研究,發(fā)現(xiàn)不同性別在臥床實驗期間,均出現(xiàn)了焦慮/抑郁情緒的高-低-高-低的波動,這與航天飛行中情緒變化的4階段模型假設(shè)基本一致[66-67]。

2.4 失重對其他功能的影響

通過航天員身體免疫系統(tǒng)檢查和動物實驗相關(guān)免疫因子的測定,發(fā)現(xiàn)航天特因環(huán)境造成了免疫系統(tǒng)的紊亂[68],免疫功能失調(diào)已成為航天飛行中的危險因素之一[69],并且通過頭低位臥床實驗發(fā)現(xiàn)了女性和男性在立位耐力、外周阻力和亞極量峰值耗氧量等方面存在著生理響應(yīng)差距[70-72]。在微重力環(huán)境下可以抑制淋巴細胞的增殖能力,尾吊7 d后對Th1、Th2細胞免疫功能具有抑制作用[73-74]。尾吊還會導(dǎo)致C57小鼠B細胞生成的減少,其可能與B細胞轉(zhuǎn)錄因子、早期B細胞因子(EBF)和B細胞轉(zhuǎn)錄因子(Pax5)的表達減少以及STAT5介導(dǎo)的IL-7信號的改變有關(guān)[75]。

兔頭低位失重模擬時,眼內(nèi)壓明顯升高[76];-30°尾部懸吊建立模擬微重力SD大鼠模型,連續(xù)14 d可造成眼壓增高[77]。更有研究發(fā)現(xiàn)SD大鼠尾吊12周后,造成視神經(jīng)超微結(jié)構(gòu)改變、功能抑制及視網(wǎng)膜細胞損傷[78]。豚鼠尾吊5 d后,引起聽覺功能和超微結(jié)構(gòu)的損傷,同時發(fā)現(xiàn)內(nèi)耳細胞凋亡蛋白Caspase-3的表達[79-80]。

3 結(jié)語

航天失重對于航天員是一大健康威脅因素,開展該條件下產(chǎn)生的航天飛行綜合征的發(fā)生機制及防護措施研究,提高航天特殊環(huán)境下機體適應(yīng)能力,最大程度保護航天員身心健康是航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的首要任務(wù)。地面模擬失重效應(yīng)實驗方法,常采用人體頭低位-6°臥床法或者嚙齒類動物尾吊-30°的方法,這兩種方法是國內(nèi)外公認的對機體的影響與空間站在軌相似的地面模擬失重模型。但由于地面的重力環(huán)境,不能實現(xiàn)對太空失重環(huán)境的完全復(fù)制,只能對失重狀態(tài)下產(chǎn)生的某些生理效應(yīng)加以模擬。比如,模擬失重尾吊模型可以模擬失重環(huán)境下體液頭向分布以及后肢卸負荷的生理現(xiàn)象,從而研究失重對骨骼、肌肉、體液循環(huán),以及體液淤積腦內(nèi)引起的認知、情緒等方面的影響。隨著航天事業(yè)的發(fā)展,我國中長期航天駐留時代即將到來,應(yīng)用地面模擬航天失重模型,從而尋找有效的防護航天失重效應(yīng)的措施是極為重要的。