人在太空：長期航天飛行心血管監(jiān)測及保護策略

高 峰，邢長洋,2

(1空軍軍醫(yī)大學航空航天醫(yī)學系，教育部航空航天醫(yī)學重點實驗室，陜西 西安 710032；2空軍軍醫(yī)大學唐都醫(yī)院超聲醫(yī)學科，陜西 西安 710038)

隨著中國空間站的建成，我國航天員進出太空將成為常態(tài)，且太空駐留時間會進一步延長。此外，我國“登月”“探火”等深空探測活動也將相繼開展，屆時航天員的太空駐留時間將長達400～500 d。

人類已在地球上生存300萬年，從基因到器官、機體都與地面重力這一基本環(huán)境特征高度適應和匹配。一旦進入太空脫離地面重力環(huán)境，首先引起機體各器官系統(tǒng)相應的適應性變化以適應新環(huán)境，即適穩(wěn)態(tài)調節(jié)[1]。但長期處于失重與深空輻射環(huán)境可產生協(xié)同效應致機體適穩(wěn)態(tài)超負荷，導致過度應激和某些組織器官結構和功能損傷，影響航天員健康和工作能力。其中，失重引起的心血管結構和功能重塑，是影響航天員健康及工作效能的一個重要因素[2]。航天飛行過程中如何進行精準的心血管功能評估和個性化的心血管保護以及飛行后高效的心血管康復，是保障航天員健康及未來深空探測任務順利實施的重要問題[3]。目前，通過采取積極的運動鍛煉等對抗措施，航天員在近地軌道的短、中期航天飛行健康已得到較好的保障。但長期航天飛行以及登月等深空探測，航天員還將面臨顯著增強的太空輻射等諸多新的醫(yī)學及健康風險和挑戰(zhàn)[4-6]。

1 長期航天飛行致心血管功能變化

進入太空失重環(huán)境后，循環(huán)系統(tǒng)原地面重力方向的流體靜壓梯度消失，體液向頭側分布，導致頭部血流增多、血管內靜水壓增大，頭側靜脈擴張，下肢靜脈容量減低[7]。初期由于回心血量增多，心臟容積增大，每搏量和心輸出量均明顯增加，頸動脈壓力感受器興奮。隨著時間的推移，由于頭側動脈壓力感受器持續(xù)性地反饋調節(jié)，引起多尿，加之通常航天員液體攝入量減少等因素，共同導致血容量減少、心臟容積減小、心輸出量和每搏量減低。長期失重可導致動脈系統(tǒng)發(fā)生差異性重構，主要表現(xiàn)為心臟水平以上的動脈出現(xiàn)內膜和中膜增厚及彈性減低，而心臟水平以下的動脈結構和功能通常變化不顯著。此外，頸靜脈由于長期充盈，易導致血流緩慢，甚至引起血栓形成。下肢靜脈在長期體液重新分布和下肢肌肉萎縮等因素的影響下血容量則進一步減低[8]。我們在模擬失重的尾吊大、小鼠上均發(fā)現(xiàn)，4周模擬失重即可引起心肌質量減少、心肌應變下降、心臟舒張功能降低(二尖瓣舒張早期/晚期血流速度比值<1)[9]。這與早期國際空間站及俄羅斯空間站上觀測到的航天員心輸出量改變相似，表明這種以輕度心臟充盈減少、心肌萎縮、心臟做功減少為特征的“太空心”是長期失重所致的心臟主要變化[2-10]。

2 超聲技術在航天飛行心血管監(jiān)測及評估中的作用

目前對中、短期太空飛行航天員心血管系統(tǒng)適應性變化已有較全面的認識，但對長期太空環(huán)境引起的心血管改變仍有諸多未知，而精準的心血管保護措施恰是基于對心血管功能的評估，因此對航天員在太空進行實時心血管功能監(jiān)測及評估具有重要意義。超聲成像因其具有無輻射、便攜性、即時性和全身性等優(yōu)點，是最早也是目前惟一在航天飛行過程中由航天員自行操作的醫(yī)學影像設備，在航天員心血管功能監(jiān)測和評估中發(fā)揮了重要作用。

2.1 長期航天飛行超聲心動圖監(jiān)測

超聲心動圖是臨床上無創(chuàng)實時監(jiān)測心臟結構和功能的一線技術。經過近70年的不斷革新，已經從一維、二維發(fā)展到實時三維，從先天性結構異常、心臟功能疾病診斷發(fā)展到亞臨床心肌損傷檢測，在心臟功能評估、早期損傷預警、動態(tài)隨訪監(jiān)測等方面具有無可替代的價值。根據(jù)公開資料顯示，早在1982年美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)就嘗試通過超聲心動圖對航天員進行心臟功能檢查，在此后的航天飛行任務中逐漸形成了一整套可由航天員執(zhí)行的超聲心動圖操作方案，并隨著技術的進步而不斷豐富和完善[11]。我國在2016年的天宮二號空間實驗室首次運用超聲技術進行了航天員在失重環(huán)境下心臟及血管功能研究。

通過超聲心動圖監(jiān)測，ARBEILLE等[12]發(fā)現(xiàn)從進入太空后第4日起左室容量減低，并一直持續(xù)至6個月任務結束。美國最早開展航空心臟超聲研究的學者JAMES THOMAS在2014年美國心臟病學會年會上報告，太空中航天員的心臟變得更圓，其球形指數(shù)增加了9.4%；其帶領的團隊還利用先進的超聲斑點追蹤技術評估心肌應變，發(fā)現(xiàn)與飛行前相比，飛行中的心肌長軸應變減低，意味著心肌收縮力減弱。2018年NASA進行的長達一年的“雙胞胎研究”發(fā)現(xiàn)，與地面平臥位相比，航天員在太空中的心輸出量呈現(xiàn)先減低后恢復的趨勢，這可能是失重循環(huán)血容量減低和運動等在軌保護方案共同作用的結果[13]。目前關于航天員右心功能的在軌評估尚未見報道，但地面模擬失重研究提示長期失重也引起右心結構和功能變化，且左、右心呈現(xiàn)差異性重塑[14]，并可能具有一定的病理生理意義。因此今后對右心的監(jiān)測評估也應當引起重視。根據(jù)現(xiàn)有超聲心動圖的自動化水平，右心功能的評估并不會增加航天員的操作負擔，建議將其納入到現(xiàn)有心臟評估內容中。

總的來看，在現(xiàn)有的失重防護措施下，在6個月左右的長期航天飛行中航天員的心臟重構特征主要是：心輸出量和每搏量呈現(xiàn)出先減低后恢復的適應性變化，心肌質量及做功略有減低，總體呈現(xiàn)亞臨床功能減低的趨勢。未來應當將超聲斑點追蹤等更精準的新技術應用到航天心血管健康監(jiān)測中，并應從現(xiàn)有的左心評估為主轉變?yōu)榘ㄓ倚脑趦鹊娜慕】翟u估。

2.2 長期航天飛行超聲動脈血管監(jiān)測

超聲對航天飛行過程中動脈血管的評估主要包括管徑及內中膜厚度、血管彈性和血流動力學三大方面。前述提到的失重體液頭向分布，對腦動脈血管(顱內動脈，如大腦中動脈及基底動脈；顱外動脈，如頸內動脈和椎動脈)造成持續(xù)的壓力刺激，致形態(tài)上出現(xiàn)肥厚性重構，血管平滑肌細胞層數(shù)增加、細胞增生，進而引起動脈順應性減低[7]。LEE等[15]對13名在軌4個月以上的國際空間站航天員進行頸動脈超聲檢查，發(fā)現(xiàn)長期太空飛行導致頸動脈內徑顯著增寬。多項研究一致報道3～6個月的航天飛行引起頸動脈的內、中膜厚度的增加，以脈搏波傳導速度為主要監(jiān)測指標的動脈僵硬度升高[16]。根據(jù)2016年HUGHSON等[17]對國際空間站駐留約6個月(146～193 d)的8名航天員進行頸動脈僵硬度的研究發(fā)現(xiàn)，航天員的頸總動脈僵硬度明顯增加，6個月航天飛行導致的血管硬化程度相當于地面人群10～20年的增齡變化。這是近年航天醫(yī)學一項令人吃驚的發(fā)現(xiàn)，其病理生理意義、尤其是對大腦功能的遠期影響正在深入研究中。關于長期航天飛行對腦血流速度的影響，目前尚有爭議。通過經顱多普勒超聲監(jiān)測大腦中動脈血流頻譜，測得的腦血流速度改變不一致，這可能是由于航天員樣本量較小及超聲檢測技術差異較大所致[12，18-19]。從超聲技術的角度，大腦中動脈血流速度的檢測對非專業(yè)人員還較為困難，在實際操作中可能并沒有前后一致地測量到顱內動脈的同一位置，或信號強度有所不同；而且經顱多普勒超聲不能測量顱內動脈的內徑。更理想的監(jiān)測手段應當是對頸動脈的血流速度和內徑進行同時測量，觀察并計算腦血流量。與頸動脈不同，上肢及下肢動脈似乎受長期失重影響不甚明顯，因此這方面的研究報道較少?？傊?，長期航天飛行對機體動脈系統(tǒng)的影響主要在腦循環(huán)系統(tǒng)，引起頸動脈內、中膜厚度增加及彈性減低和血流動力學變化，希望未來能夠兼顧動脈結構和血流動力學的精準超聲監(jiān)測技術為失重腦血管和腦血流變化提供更全面可靠的數(shù)據(jù)。

2.3 長期航天飛行超聲靜脈血管監(jiān)測

2019年《美國醫(yī)學會雜志》(JAMA)和2020年《新英格蘭醫(yī)學雜志》(NEnglJMed)先后報道了國際空間站上超聲發(fā)現(xiàn)航天員出現(xiàn)左側頸靜脈血栓[20-21]。該航天員在空間站2個月后，通過日常超聲監(jiān)測發(fā)現(xiàn)單側頸內靜脈明顯擴張，并懷疑血栓形成，經同地面進行會診后確診為頸靜脈血栓，隨后緊急通過飛船運送抗凝藥至空間站進行治療。治療過程中的超聲隨訪顯示，3周后血栓體積有所減小，但90 d后仍處于血流自顯影狀態(tài)(血栓形成前期)，直至返回地面仍未完全緩解。隨后進一步的深入研究發(fā)現(xiàn)，國際空間站的11名航天員頸靜脈均發(fā)生了內徑擴張和血流速度減低，其中6名出現(xiàn)了血流自顯影，提示血栓風險增加[22]。與頸靜脈的充盈性變化相對，在長期航天飛行中航天員的下肢靜脈表現(xiàn)為充盈減少，順應性減低，排空率也減低，但回到地面后能夠較快恢復[23]。上述發(fā)現(xiàn)提示，長期航天飛行應重視頸靜脈的超聲監(jiān)測[24]，對可疑血栓或血栓形成前期進行及時干預，并密切監(jiān)測和評估治療效果。

3 長期太空飛行心血管保護策略

長期太空飛行中的心血管保護不僅對于航天員健康及其完成航天任務至關重要，而且對于返回地面時的立位耐力反應及航天員遠期心血管健康亦有重要影響。目前航天員主要采用包括運動鍛煉、下體負壓以及飲食和藥物干預為主的綜合保護方案。

3.1 運動保護方案

積極的運動鍛煉是目前航天員心血管保護及對抗失重引起的多種病理生理效應最重要的手段，通常采用耐力及抗阻鍛煉綜合方案。由于航天器內狹小的空間限制，航天員所能使用的運動鍛煉設備有限，目前采用的主要是跑臺、功率自行車、拉力器和綜合抗阻訓練器，我國空間站最新還采用了一種微重力抗阻鍛煉裝置“太空劃船機”。此外，航天員穿著的內置彈力帶的“企鵝服”，可使航天員在活動或完成操作時需克服彈性阻力，從而在日常生活和工作中盡可能多地進行被動抗阻運動[25]。不同國家航天員的具體運動方案(包括運動頻率、時長、強度、耐力及抗阻的組合方式等)不完全一致，并且不同航天員由于基礎身體條件的不同也可能在運動方案上有個性化的調整。歐洲航天局目前對綜合訓練方案中耐力及抗阻鍛煉的運動量分配建議是46%∶54%[26]，國際空間站上通用的每日運動鍛煉時長為2.5 h[27]。隨著運動醫(yī)學的發(fā)展，近年來還不斷提出一些新的運動策略和方案。我們的研究顯示，高強度間歇訓練(high-intensity interval training，HIIT)可能更適合航天條件下的運動鍛煉。HIIT不僅對提高心肺能力效果顯著，且具有高效、耗時短的特點，以及顯著改善代謝狀態(tài)和提高心輸出量等綜合作用；進一步輔以肢體血流束縛，能夠引起更強的短時缺氧狀態(tài)，激發(fā)機體自身的保護性調節(jié)機制[28]。

近年的研究及航天實踐顯示，目前的航天運動鍛煉方案對中短期飛行的航天員心臟具有明確的保護效果，尤其是航天員在中長期失重條件下發(fā)生的心肌萎縮和收縮功能降低等問題得到明顯改善。一項國際空間站的研究表明，13名航天員經過4～6個月的航天飛行，核磁共振測量的心肌質量和容積在任務前后并未發(fā)生顯著的變化[29]。然而研究人員通過斑點追蹤超聲等新技術發(fā)現(xiàn)，長期航天飛行仍將引起亞臨床心肌損傷和功能障礙，其主要原因可能是航天條件下體液流失引起的循環(huán)容量減低，對心血管系統(tǒng)的負荷和刺激減小，而這一點尚不能通過現(xiàn)有的運動鍛煉方案逆轉或完全消除[30]。頭低位臥床等地面模擬失重研究顯示，HIIT能夠在單次的短時運動中對四肢和多器官產生更強刺激，提示該運動方式對長期失重心血管系統(tǒng)的保護效果可能更優(yōu)[31]。

盡管眾多的基礎和臨床研究均表明，運動能夠顯著改善腦血流，延緩動脈老化，尤其是血管內、中膜厚度和僵硬度增加，促進腦血管健康，并進一步改善認知功能[32-33]。然而，目前的航天員運動方案對于長期失重引起的腦血管內中膜厚度增加、彈性減低和血流動力學變化，似乎并未起到顯著的作用，僅對降低失重條件下升高的腦血管阻力有一定效果。對于長期失重引起的頸靜脈血流瘀滯甚至形成血栓的問題，運動鍛煉同樣未表現(xiàn)出明顯的作用。OGOH等[34]提出了蹦跳鍛煉方案，他們在60 d的頭低位臥床模擬失重研究中對不同頻次、不同強度的蹦跳鍛煉對腦血流動力學的保護作用進行分析，發(fā)現(xiàn)該方法具有改善腦循環(huán)狀態(tài)和提高腦血流的潛力，值得進一步深入研究[34]。值得重視的是，目前的航天運動方案對于超過180 d的長期太空飛行及駐月等深空活動的心血管保護效果尚有待明確。

3.2 下體負壓

失重造成的體液頭向分布是引起心血管功能失調的始動因素，因此通過下體負壓將血液重新引導至下肢是對抗失重心血管改變的最直接手段。早在1973年的Skylab計劃中，NASA就首次將下體負壓裝置帶上太空作為航天員健康保護設備[35]。通過降低對中央和頭頸部血管壓力及容量感受器的刺激，下體負壓能夠從起始階段阻斷失重引起的體液流失，從而減輕繼發(fā)的心血管系統(tǒng)重構。頭低位臥床模擬失重的人體數(shù)據(jù)表明，將下體負壓和補液等方法相結合，幾乎可以完全對抗短期模擬失重引起的心血管功能改變[35]；下體負壓與運動鍛煉相結合對長期模擬失重也有良好的效果[36-37]。對于腦循環(huán)，盡管尚無明確證據(jù)證明下體負壓對于減弱長期失重引起的頸動脈內、中膜增厚和彈性減低有積極作用，但是多項研究發(fā)現(xiàn)下體負壓能夠有效對抗長期失重引起的腦血流動力學變化和顱內壓升高，對航天員太空飛行相關神經-眼綜合征也有良好的預防效果[38]。目前認為，下體負壓至少可以減少失重所導致的頸動脈血流和壓力變化，對改善腦循環(huán)和防止血管重構起到積極作用。最近一項對14名國際空間站航天員的研究發(fā)現(xiàn)，在(210±76)d的航天任務中，通過施加45 min 25 mmHg的下體負壓，可將長期失重引起的頸靜脈擴張和血流變化改善至飛行前狀態(tài)[39]。我們在前期的變重力條件下腦血流保護研究中發(fā)現(xiàn)，下體負壓的施加和釋放能夠對腦血流產生明顯的影響，通過精準的時機控制，可以對抗變重力引起的腦血流變化，維持腦血流灌注的穩(wěn)定[40]。這些結果均提示，下體負壓能夠直接對抗長期失重引起的體液轉移，在航天員心腦血管保護方面具有重要價值?？茖W精準的下肢負壓方案配以更加輕便靈活的下體負壓裝置有望在長期航天飛行心血管保護中發(fā)揮重要作用。

3.3 飲食和藥物

長期航天飛行航天員骨骼肌活動顯著減少并伴有消化系統(tǒng)等的變化，導致機體代謝改變。因此根據(jù)航天代謝變化，保證飲食和營養(yǎng)適應航天員特殊需求是保障長期航天情況下航天員心血管代謝健康一個不容忽視的問題。目前世界航天大國均針對各自航天員的人種等特點和飲食習慣，結合航天任務需求和條件制定了各具特色的“太空食譜”[41]，其共性特征是在保證營養(yǎng)素全面的前提下，提倡低卡飲食。健康人群和臥床試驗研究均表明，低卡飲食對心血管代謝健康有益[42-43]。藥物干預具有簡單高效的優(yōu)點，針對心血管功能失調，目前航天藥物的主要作用包括維持循環(huán)容量(抗利尿激素)、保護血管(白藜蘆醇)以及防治心律失常、抗凝防血栓等。中藥作為中華醫(yī)學的寶藏，在我國航天員心血管保護方面發(fā)揮了獨特的作用。李勇枝課題組研發(fā)的中藥“太空養(yǎng)心丸”可改善60 d臥床所致的心臟功能減低，并對腦血流和立位耐力也有一定的保護作用[44-45]。中醫(yī)藥“強身固本、寓治于防”的整體觀辯證理念有望在我國長期航天飛行心血管保護及航天飛行后療養(yǎng)康復方面發(fā)揮更大的作用。我們課題組前期發(fā)現(xiàn)時間限制性進食能夠改善模擬失重大鼠心臟功能和葡萄糖代謝，進而改善模擬失重引起的心臟功能不良[9]。該策略可通過提高機體胰島素敏感性，不僅可以促進心血管健康，還可能對長期航天或航海、尤其是幽閉環(huán)境下因體力活動減少所致的機體不利影響具有整體代謝改善及身心裨益效應。

4 挑戰(zhàn)與展望

星空浩瀚，探索永無止境。隨著“天宮”空間站的建成，我國載人航天事業(yè)進入了一個新的發(fā)展階段。隨著航天員太空駐留時間顯著延長及未來“登月”“探火”等深空探測活動，航天員健康保障面臨諸多新的問題和挑戰(zhàn)。例如，駐月任務中的重力條件與現(xiàn)有的空間站重力條件并不完全相同，空間站重力為零，而月球上的重力約為地球重力的1/6，在這樣的條件下航天員的心血管系統(tǒng)如何變化，能否常規(guī)進行直立活動，以及相關保護手段是否需要進行調整均不明確；另外，登月等深空探測活動將面臨更強的太空輻射，而后者作用的主要靶器官之一即為血管內皮細胞，且輻射與微重力具有協(xié)同作用，可共同促進和加劇血管衰老及血管內皮功能障礙。而血管衰老是高血壓、腦卒中、缺血性心臟病等諸多心腦血管疾病的獨立危險因素，可能影響航天員遠期心血管健康。新的使命和任務要求我們既要立足現(xiàn)實，不斷優(yōu)化目前的應用性保護策略，切實保障我國載人航天計劃順利實施及航天員健康，同時還要放眼未來，深化基礎研究[46]，爭取創(chuàng)新性突破，為世界載人航天事業(yè)做出“中國貢獻”。

航天員“精準運動處方”是長期航天心血管保護策略的一項重要內容。一方面，可根據(jù)超聲對心血管結構和功能的日常動態(tài)評估，制定不同航天員個性化的運動方案；另一方面，航天飛行期間航天員任務繁重，時間及條件、資源有限，亟需提高航天飛行過程中的運動鍛煉效率。HIIT具有短時、高效、靈活、全身性和方式多樣性等優(yōu)點，具備作為“航天員精準運動處方”關鍵成分的潛質。此外，航天員每日運動量及強度問題也值得進一步探討。根據(jù)太空環(huán)境-人體適應特點，采取變強度漸進運動策略，即太空中以短時高效運動為主，適當減少太空運動時間，通過返回地面前進行運動強化，返回地面后再強化康復訓練，達到既減少航天員在軌運動負擔，又保證航天員返回地面后可通過康復訓練達到心血管功能等的良好恢復。此外，時間限制性進食及低溫等代謝干預也簡單易行，是長期航天心血管保護的潛在策略和措施，值得進一步深入研究。