微重力環(huán)境下骨質(zhì)流失及對(duì)抗措施研究進(jìn)展

楊世超 宋慕格 王龍飛 王中琪 吳西 高玉海,3 陳克明,3*

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院,甘肅 蘭州 730000 2.中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050 3.甘肅省干細(xì)胞與基因藥物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730050

隨著航空航天事業(yè)的快速發(fā)展,人類對(duì)太空的探索日益頻繁和深入,太空夢(mèng)、飛天夢(mèng)越來越近。然而太空飛行期間,航天員暴露在微重力環(huán)境,面臨著心理和身體的雙重挑戰(zhàn)[1]。微重力環(huán)境會(huì)引起貧血、心律失常、心腦血管功能紊亂等一系列生理問題[2-4]。其中,太空環(huán)境引起的骨質(zhì)流失是對(duì)宇航員健康威脅最大的醫(yī)學(xué)難題之一。太空微重力環(huán)境破壞了宇航員體內(nèi)的骨穩(wěn)態(tài),使骨形成減少而骨吸收增加。20世紀(jì)70年代中期,人們首次發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境引起骨量丟失之后,雖然嘗試進(jìn)行了預(yù)防性鍛煉,但在飛行任務(wù)結(jié)束后,宇航員的肌肉力量和骨密度等多項(xiàng)健康治標(biāo)仍會(huì)受到影響[5]。如今,研究者致力于探索太空飛行期間人體發(fā)生的生理變化并制定相應(yīng)的對(duì)抗措施。在失重狀態(tài)下,承重骨缺乏機(jī)械應(yīng)力,導(dǎo)致承重骨骨質(zhì)流失,骨量丟失一直是宇航員所面臨的重大健康挑戰(zhàn)。

本文將綜述微重力環(huán)境下引起的骨質(zhì)流失現(xiàn)狀、地面常用模擬技術(shù)、機(jī)制研究,并對(duì)微重力引起的骨量丟失對(duì)抗措施加以概述。

1 微重力環(huán)境引起的骨量流失

人體在微重力環(huán)境中極易發(fā)生骨量流失,真實(shí)的太空環(huán)境最能反映骨骼的變化情況。宇航員骨量流失主要發(fā)生在承重骨。一組來自國(guó)際空間站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,8名宇航員中,7人的腰椎骨密度下降了2.5%～10.6%,8人的股骨骨密度下降了3%～10%,4人的股骨頸骨密度下降了1.7%～10.5%[6]。另一組執(zhí)行太空任務(wù)的13名宇航員中,脊柱和髖關(guān)節(jié)骨質(zhì)為每月流失1%～1.5%,這種骨量流失的速度相當(dāng)于地面上絕經(jīng)期婦女的10倍,超過地面上原發(fā)性老年骨質(zhì)疏松1年的骨流失量(0.5%～1%)[7]。如此高的骨量流失率嚴(yán)重影響宇航員執(zhí)行長(zhǎng)期太空飛行任務(wù)及進(jìn)行艙外活動(dòng)的能力,并且骨量隨著任務(wù)持續(xù)時(shí)間持續(xù)丟失。通過檢測(cè)17位宇航員脛骨骨量變化發(fā)現(xiàn),太空飛行前兩周骨吸收明顯增加,飛行時(shí)長(zhǎng)大于5個(gè)月后骨量顯著下降,任務(wù)大于6個(gè)月時(shí)骨量丟失速率加快[8]。

與上述人類的研究結(jié)果相一致,通過監(jiān)測(cè)太空實(shí)驗(yàn)動(dòng)物骨骼變化,同樣也是負(fù)重部位骨量減少最為顯著。經(jīng)歷30 d飛行后,小鼠股骨干骺端骨小梁體積減少了64%,骨吸收增加140%,而較少負(fù)重的椎骨減少不明顯[9]。另外,Coulombe等[10]研究發(fā)現(xiàn),骨量丟失隨小鼠的年齡的不同而變化,經(jīng)歷3周左右太空飛行的成熟雄性小鼠(32周)骨小梁厚度減少24.5%,而年輕小鼠(9周)無顯著變化。所以,年齡也許是影響宇航員骨骼健康的關(guān)鍵考慮因素。

2 微重力模擬技術(shù)

太空實(shí)驗(yàn)是研究微重力環(huán)境骨量丟失最具生理相關(guān)性的方法,但飛行次數(shù)有限、樣本量小、太空作業(yè)任務(wù)繁重、研究成本高等多種限制因素,使得研究者傾向于利用地面微重力模擬實(shí)驗(yàn)研究骨量丟失。雖然地面模擬重力實(shí)驗(yàn)不能真實(shí)地反映人體變化的實(shí)際情況,但也具有一定的參考價(jià)值。以下是地面模擬微重力技術(shù)常用的幾種方法。

臥床模型被廣泛用于模擬微重力對(duì)各種生理系統(tǒng)的影響,特別是對(duì)骨骼、肌肉和心血管系統(tǒng)的影響。起初是水平臥床休息被用來模擬人體在失重狀態(tài)下的生理活動(dòng),后來發(fā)現(xiàn)這種方法未能模擬宇航員在飛行中體液向頭部的重新分布。因此,研究人員將床的腳端抬高,使床傾斜,讓體液從腿部向頭部重新分布,傾斜角度范圍為4°～15°,其中6°的傾斜角最接近微重力環(huán)境下骨量流失情況[11]。這種頭朝下斜臥床模型是迄今為止最常見的人體模擬微重力方法。

干浸技術(shù)是受試者身穿防水和高彈性紡織物,仰臥位浸入與人體組織密度相近的液體中,身上的防水和高彈性衣物將受試者全面包裹,使身體表面皮膚受力均勻,織物的高彈性特性,通過漂浮,大大減小了彈性布和皮膚之間的壓力,人工創(chuàng)造了接近零重力的條件[12]。這項(xiàng)技術(shù)很好地再現(xiàn)了失重的多種影響,例如,缺乏身體運(yùn)動(dòng)、消除垂直血管梯度等。此外,干浸可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)56 d或者更長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn),同時(shí)再現(xiàn)與臥床模型實(shí)驗(yàn)類似的微重力誘導(dǎo)的生理效應(yīng)[13]。

尾巴懸吊導(dǎo)致的后肢廢用模型即嚙齒動(dòng)物后肢廢用是微重力模擬的最常見動(dòng)物模型,其中大鼠和小鼠最為常用。在實(shí)驗(yàn)中將大鼠或小鼠尾部懸吊在縱向穿過籠子的拉線上,使后肢懸空,保持頭低位,并使身體縱軸與水平線呈-30 °夾角,使后肢處于無機(jī)械負(fù)荷的半廢用狀態(tài)[14]。此模型老鼠每月骨質(zhì)丟失量與實(shí)際太空環(huán)境很接近,且有望可以預(yù)測(cè)太空飛行對(duì)人類的影響,具有很好的適用性、可重復(fù)性,它能夠解決因飛行空間有限、費(fèi)用昂貴等一系列問題[15]。該模型缺點(diǎn)在于,長(zhǎng)時(shí)間的尾部懸吊,會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)鼠的進(jìn)食量逐漸減少,同時(shí)也會(huì)影響老鼠的情緒,進(jìn)而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

細(xì)胞模型主要有兩種,自由落體狀態(tài)和傾斜旋轉(zhuǎn),分別需要借助自由落體機(jī)和回轉(zhuǎn)儀。自由落體狀態(tài)模型是當(dāng)細(xì)胞在自由落體機(jī)中的長(zhǎng)真空管自由下落至最終速度時(shí),它們無法對(duì)重力做出反應(yīng),從而使細(xì)胞處于功能失重狀態(tài)。傾斜旋轉(zhuǎn)模型是借助旋轉(zhuǎn)儀以足夠的速度旋轉(zhuǎn)樣品來模擬微重力,培養(yǎng)基與旋轉(zhuǎn)容器壁以相同的角速度旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生層流流體,使剪切應(yīng)力最小化,調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)頻率還可以防止顆粒沉降,從而使細(xì)胞在接近零重力的情況下保持在容器的中心。

3 微重力環(huán)境引起的骨量流失的發(fā)生機(jī)制

細(xì)胞和動(dòng)物模型的建立提高了我們對(duì)微重力誘導(dǎo)骨量丟失背后的分子機(jī)制的理解,揭示了各種可能的治療靶點(diǎn),同時(shí)為藥物治療提供了理論依據(jù)。

3.1 微重力環(huán)境下的骨代謝和鈣離子代謝

在微重力環(huán)境中,由于承重骨負(fù)荷減少,使骨骼發(fā)生適應(yīng)性變化,增加骨吸收并抑制骨形成。在飛行過程中,在血清檢測(cè)到骨形成相關(guān)標(biāo)志物堿性磷酸酶、1型膠原蛋白和骨鈣素分別下降27%、38%、28%[16]。太空微重力環(huán)境使糖皮質(zhì)激素分泌增加,從而抑制成骨細(xì)胞活性,影響骨代謝效率,延緩骨再生[17]。

微重力環(huán)境下,腸吸收鈣離子降低,通過腎臟排泄的鈣離子增加,從而使尿鈣增加,導(dǎo)致骨質(zhì)流失,并且男女性別之間并無明顯差異[18]。

3.2 骨腔隙-小管系統(tǒng)

骨腔隙-小管系統(tǒng)(LCS)中的溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)是骨細(xì)胞機(jī)械傳感和信號(hào)調(diào)節(jié)的基本途徑,微重力條件下傳質(zhì)不足會(huì)刺激破骨細(xì)胞,這可能是導(dǎo)致骨質(zhì)流失的根本原因。

研究發(fā)現(xiàn),微重力下溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)速率比地面低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[19],而且不同大小的重力溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)速率也會(huì)不同[20]。Price等[21]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)方法將LCS中的溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行量化和直接觀察,為進(jìn)一步研究機(jī)械刺激調(diào)節(jié)骨細(xì)胞反應(yīng)的機(jī)制提供了基礎(chǔ)。另外,Rux等[22]發(fā)現(xiàn),骨腔隙長(zhǎng)度和老鼠的年齡有關(guān),實(shí)驗(yàn)采用熒光染料標(biāo)記法比較年輕(5月齡)小鼠和老年(22月齡)小鼠,發(fā)現(xiàn)骨腔隙長(zhǎng)度隨著小鼠年齡的增長(zhǎng)而減小。

3.3 成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞

微重力環(huán)境中,成骨細(xì)胞的增值和分化受抑制,破骨細(xì)胞的生成和功能增強(qiáng)。在正常情況下,骨重塑是一個(gè)適應(yīng)性和平衡的過程,其中骨吸收和形成相結(jié)合以調(diào)節(jié)骨組織的穩(wěn)態(tài)。整個(gè)過程依賴于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞協(xié)同作用,分別調(diào)節(jié)骨形成和骨吸收[23]。

3.3.1成骨細(xì)胞在為期4 d的太空飛行中,成骨細(xì)胞中的肌動(dòng)蛋白細(xì)胞出現(xiàn)骨架塌陷和黏著斑喪失,由于細(xì)胞骨架完整性對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的基因的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和表達(dá)至關(guān)重要,因此肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)和細(xì)胞黏附的喪失可以阻止成骨細(xì)胞在空間中的增殖[24]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的增值和分化,在微重力環(huán)境中也會(huì)受到抑制[25],成骨細(xì)胞分化標(biāo)志物的基因表達(dá)受到抑制,包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)[26]。另有一項(xiàng)關(guān)于初級(jí)纖毛的研究,在微重力模擬環(huán)境中,成骨細(xì)胞上的初級(jí)纖毛消失,初級(jí)纖毛在骨代謝中起感覺作用,保護(hù)初級(jí)纖毛,或許能夠抑制微重力引起的骨量流失[27]。

長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNA)是一種長(zhǎng)度為200～100 000個(gè)核苷酸的非編碼RNA,它雖然不編碼蛋白,但參與許多重要的生理和病理過程。許多研究表明,在微重力環(huán)境中,它與骨質(zhì)疏松有著密切的聯(lián)系。成骨細(xì)胞機(jī)械傳感l(wèi)ncRNA中的Neat1在模擬微重力下明顯減少,Neat敲除的小鼠體內(nèi)骨形成受到嚴(yán)重抑制,與對(duì)照組相比,骨密度、小梁厚度、小梁體積均降低[28]。在多項(xiàng)微重力模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)鏈非編碼RNA人肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄本1(lncRNA MALAT1),可以通過多個(gè)途徑促進(jìn)成骨分化,包括靶向調(diào)節(jié)miR-494和激活SP1/TLR2/BMP2通路,促進(jìn)血管生成和成骨分化[29],靶向調(diào)節(jié)miR-96/Osx軸促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化[30],靶向下調(diào)miR-124的表達(dá),促進(jìn)成骨分化等等[31]。此外,lncRNA H19在微重力模擬環(huán)境的表達(dá)下調(diào)促進(jìn)了成骨基因的表達(dá)[32]。

另外,Piezo1機(jī)械傳感器在骨形成中起著關(guān)鍵作用。成骨細(xì)胞譜系細(xì)胞中敲除Piezo1會(huì)破壞成骨細(xì)胞的成骨作用,并嚴(yán)重?fù)p害骨骼結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度,在模擬微重力處理通過抑制Piezo1的表達(dá)降低了成骨細(xì)胞的功能[33]。

3.3.2破骨細(xì)胞一項(xiàng)有關(guān)破骨細(xì)胞的太空實(shí)驗(yàn),在牛骨切片上培養(yǎng)的成熟破骨細(xì)胞與它們的相對(duì)地面對(duì)照相比,分別在第5天和第7天的太空飛行后,出現(xiàn)對(duì)微重力的吸收活性增強(qiáng),并且微重力誘導(dǎo)骨吸收相關(guān)基因的表達(dá)顯著增加,以及膠原蛋白端肽生成增加[34]。與上述太空研究結(jié)果相一致,微重力模擬環(huán)境同樣促進(jìn)了破骨細(xì)胞的生成和功能[35]。

3.3.3其他細(xì)胞微重力環(huán)境除了影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞,對(duì)其他細(xì)胞也有一定的影響。在時(shí)長(zhǎng)28 d微重力模擬實(shí)驗(yàn)中,大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞Runx2表達(dá)降低,成骨潛力降低[36]。微重力環(huán)境還對(duì)單核巨噬細(xì)胞發(fā)育和增值具有抑制作用,并且對(duì)單核巨噬細(xì)胞向破骨分化具有促進(jìn)作用[37]。

4 微重力環(huán)境引起骨量流失對(duì)抗措施

4.1 運(yùn)動(dòng)鍛煉

人們最早發(fā)現(xiàn)太空環(huán)境引起骨量丟失之后,便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)鍛煉來預(yù)防骨質(zhì)疏松。一項(xiàng)太空研究表明,宇航員每日進(jìn)行2.5 h的運(yùn)動(dòng)鍛煉可以延緩骨密度度的下降[38]。地面模擬實(shí)驗(yàn)有著相同的結(jié)果,受試者在為期17周的臥床實(shí)驗(yàn)中,運(yùn)動(dòng)組的腰椎、髖骨、跟骨、盆骨的骨密度均高于對(duì)照組[39]。每日適量的運(yùn)動(dòng)鍛煉,能夠在一定程度上對(duì)抗骨質(zhì)流失,但并不能完全抑制[40]。所以,運(yùn)動(dòng)鍛煉有必要聯(lián)合其他方法綜合對(duì)抗骨質(zhì)流失,例如雙膦酸鹽作為運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)充劑,可以在長(zhǎng)期飛行過程中保護(hù)骨骼[41-42]。

4.2 飲食補(bǔ)充

太空飛行中失重環(huán)境所導(dǎo)致的鈣、維生素D和維生素K缺乏,適量的補(bǔ)充這些微量元素能夠很好的預(yù)防微重力引起的骨質(zhì)流失[43-44]。而且科學(xué)合理的攝入植物和動(dòng)物的優(yōu)質(zhì)蛋白也是維持骨骼健康的重要因素[45]。

4.3 藥物治療

藥物治療對(duì)于未來的太空探索至關(guān)重要,尤其是因?yàn)樗幮W(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)地面和太空有所不同。已確定多種藥物可通過促進(jìn)成骨細(xì)胞分化、成熟和活性以及抑制破骨分化來預(yù)防骨質(zhì)疏松。

分子化合物在治療微重力誘導(dǎo)的骨量丟失有巨大潛力,可用于預(yù)防微重力條件下的骨質(zhì)流失。通過使用受控的3 D體外細(xì)胞模型來模擬失重的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鳶尾素誘導(dǎo)的骨保護(hù)素是地面組的2.8倍,這可能有助于減少微重力條件下破骨細(xì)胞的形成[46]。鳶尾素也可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的生成,較低劑量的重組鳶尾素通過增加β-catenin的表達(dá)在模擬微重力條件下正向調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化的效果最佳[47]。鳶尾素已被證實(shí)可以抑制后肢懸吊小鼠的骨質(zhì)流失[48]。姜黃素是一種天然的化合物,它可以抑制氧化應(yīng)激和上調(diào)VDR表達(dá),減輕了模擬微重力大鼠的骨質(zhì)流失,同時(shí)它還有良好的抗炎和抗癌特性[49]。褪黑激素可以抑制破骨細(xì)胞功能,是一種低風(fēng)險(xiǎn)的抗骨吸收藥物。Ikegame等[50]使用金魚鱗片作為破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞共存的骨骼模型,在模擬微重力環(huán)境下,褪黑激素能夠顯著刺激降鈣素mRNA表達(dá)并降低核因子κB配體(破骨細(xì)胞生成的促進(jìn)劑)受體激活劑的mRNA表達(dá),從而抑制破骨細(xì)胞功能,同時(shí),褪黑激素也可以提高暴露于太空輻射的細(xì)胞存活率,確保細(xì)胞的正常增值[51],褪黑激素可能是一種潛在的新藥來源。

中醫(yī)藥是我國(guó)防治微重力環(huán)境骨流失的特色方法,多項(xiàng)研究表明,許多中藥及其提取物有著非常好的抗骨質(zhì)疏松作用,在改善疼痛、提高骨密度等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[52-53]。黃芩提取物RSE在后肢懸吊大鼠模型組按50 mg/(kg·d)劑量給藥42 d后,骨密度、機(jī)械強(qiáng)度等方面比對(duì)照組均顯著提高[54]。還有骨碎補(bǔ)總黃體酮[55]、淫羊藿苷[56]等多種中藥對(duì)骨量丟失均具有防治作用。中醫(yī)針灸也有著很好的效果,將30只大鼠隨機(jī)分為3組,健康對(duì)照組、尾懸吊后肢卸載組、電針治療組,運(yùn)用電針刺激BL20、BL23和SP6,每次30 min,持續(xù)30 d,電針治療組BV/TV和Tb.N下降數(shù)值明顯低于尾懸吊后肢卸載組,大鼠的骨量丟失受到抑制[57]。

4.4 物理治療

應(yīng)用一些特殊的裝置,例如機(jī)械加載裝置、低頻脈沖電磁場(chǎng)等,都具有對(duì)抗微重力環(huán)境骨量丟失的作用,因其安全可靠,已被廣泛開發(fā)于多種類型。

例如,太空飛行期間,使用機(jī)械加載裝置,每天對(duì)宇航員的下肢施加短時(shí)間的外部脈沖負(fù)荷,之后對(duì)宇航員的骨鈣和股骨頸進(jìn)行了飛行前和飛行后BMD測(cè)量,與飛行前相比,接收機(jī)械刺激的宇航員骨密度在整個(gè)飛行期間保持不變,而沒有接收機(jī)械刺激的宇航員骨密度下降了7%[58]。李文苑等[59]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),應(yīng)用50 Hz 0.6 mT的低頻脈沖電磁場(chǎng)可以有效提高尾吊大鼠的骨密度和生物力學(xué)值,促進(jìn)大鼠血液中骨形成標(biāo)志物水平,提高成骨細(xì)胞含量。陶飛飛等[60]在模擬微重力的環(huán)境下,運(yùn)用變頻振動(dòng),觀察對(duì)體外培養(yǎng)的成骨細(xì)胞增值和分化的影響,發(fā)現(xiàn)90 Hz和5～90 Hz的變頻振動(dòng)對(duì)微重力模擬環(huán)境成骨細(xì)胞的增值功能具有促進(jìn)作用,45 Hz和5～90 Hz變頻振動(dòng)對(duì)微重力模擬環(huán)境成骨細(xì)胞的分化功能具有一定的保護(hù)作用。

5 小結(jié)

伴隨著航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展,人類對(duì)太空探索的不斷深入,人們對(duì)微重力環(huán)境引起的骨量流失有了更加全面的認(rèn)識(shí)。航天研究者借助動(dòng)物、細(xì)胞等模型,揭示了微重力引起的骨質(zhì)流失背后的分子機(jī)制,為探尋骨量流失對(duì)策提供理論依據(jù),從而制定對(duì)抗骨量丟失的方案,保障宇航員的骨骼健康和工作效率。骨質(zhì)流失源于成骨細(xì)胞的骨形成減少和破骨細(xì)胞的骨吸收增加,但目前大多文獻(xiàn)報(bào)道主要集中在破骨細(xì)胞。微重力中破骨細(xì)胞活性增加的初步觀察提出了有希望的治療目標(biāo),因此,破骨細(xì)胞在骨質(zhì)流失中的作用需要進(jìn)一步闡明。