太空失重對人體心血管的生理影響

周敏，李小濤，趙航，高原，蒙鵬君，張劍鋒，王惠娟，王顏晴

（1.西安電子科技大學特殊環(huán)境生理與體能訓練軍民融合創(chuàng)新研究中心，陜西 西安 710126；2.空軍軍醫(yī)大學航空航天醫(yī)學系，陜西 西安 710032；3.中國航天員科研訓練中心航天醫(yī)學國家重點實驗室，北京 100094）

太空失重和模擬失重均可導致人體流體靜壓梯度消失、體液頭向轉移[1，2]。在國際空間站（international space station，ISS）航天員飛行的第50 天和第150 天，其頸靜脈壓力從5 mmHg 增加到21 mmHg，相關改變類似于地面上坐姿到仰臥位的轉換[3]。我國開展的系列地面模擬失重實驗對失重生理效應及其可能機制進行了深入研究，并制定了以運動鍛煉為主的失重對抗防護體系。但地面模擬失重與航天真實失重對人體的生理影響存在一定差異，當前制定的空間站失重防護方案仍有許多待完善之處。為此，本文主要針對航天飛行中的心血管生理效應進行系統(tǒng)綜述，以期為開展地面失重模擬及其防護研究提供參考。

1 太空失重對人體心血管功能的影響

1.1 太空失重導致中心靜脈壓降低 太空失重會對人體中心靜脈壓產(chǎn)生顯著影響。早期研究認為太空失重導致的體液頭向轉移，會導致心臟前負荷增加和中心靜脈壓（central venous pressure，CVP）升高。但直接測量CVP 時發(fā)現(xiàn)，航天員在航天返回后的CVP 均顯著低于飛行前[4]。進入失重環(huán)境僅數(shù)小時CVP 已顯著低于飛行前的平臥位，同時左室舒張末期容積顯著增加，太空飛行期間CVP 在低于飛行前平臥位0 到4.5 mmHg 之間波動[5，6]。

太空失重時，體液的頭向轉移會增加心臟前負荷，而左心室容積增加與CVP 下降似乎相互矛盾。但失重飛機拋物線飛行時的短時失重階段，人體CVP 平均下降、左心房直徑增加、食管壓力下降，食管壓力相比CVP 下降幅度更大，表明胸膜內壓顯著下降，而反映心房擴張力的跨壁壓（transmural central venous pressure，TCVP）相對增加[7]。因此，心房直徑增大但CVP 卻下降并不矛盾。

地球1 G 重力環(huán)境下人體仰臥位或頭低位臥床模擬失重時，胸腔受機械壓縮導致胸膜內壓升高伴隨回心血量增加，促使CVP 相對于環(huán)境壓力增加。而失重條件下，胸膜內壓的大幅下降導致TCVP 的相對增加，進而導致CVP 下降。太空失重環(huán)境下心臟周圍組織跨壁壓的大幅降低抵消了心臟充盈增加，這可能導致壓力/容積關系的改變引起TCVP 增加，最終表現(xiàn)為CVP 的下降，而CVP 下降可能是最終導致心臟收縮功能下降的原因之一。

1.2 太空失重期間心輸出量相比地面直立位增加太空失重環(huán)境體液向頭部轉移會增加靜脈回流和心臟前負荷，導致每博射血量（stroke volume，SV）和心輸出量（cardiac output，CO）增加。隨時間的推移，這種增加最終會回落到低于地面臥位并逐漸接近直立位。干浸和頭低位臥床地面模擬失重的結果顯示，最初12 h 循環(huán)血容量增加、SV 增加，CVP 升高、SV增加，但HR 的相對下降導致CO 無顯著改變，與此同時，利尿激素水平的升高可通過水平衡的調節(jié)促使相關指標逐漸恢復到直立坐姿水平[8，9]。

有研究發(fā)現(xiàn)[10]，在航天飛行時與地面站立位相比，CO 在飛行2 d 內增加18%，與地面直立坐姿相比增加約26%。另有研究發(fā)現(xiàn)[11]，與飛行前直立坐姿相比，航天員太空飛行1 周后CO 增加約22%，SV減少，CO 沒有變化。ISS 駐留3～6 個月SV 和CO 相比飛行前直立坐姿顯著增加35%和41%[12]。ISS 駐留的航天員CO 和SV 與飛行前地面直立坐姿相比，CO 和SV 的增加幅度相似[13]。ISS 檢測到的航天員SV 和CO 與飛行前坐姿相比分別增加24%和20%左右，但與地面仰臥位相比無改變，且飛行第50 天和第150 天相比地面坐姿增加量相同，CO 增加量為41%～56%[13，14]?？傊?，數(shù)月的長期太空飛行比短期失重暴露可能誘發(fā)更高的SV 和CO。以上結果之間的幅度差異可能部分歸因于地面上不同的參考姿勢，因為仰臥體位本身比坐姿測到的CO 和SV 高15%～29%[13]。與地面直立坐姿相比，太空失重環(huán)境中的CO 和SV 在長期飛行時比短期飛行增加幅度更高。根據(jù)Starling 機制，CO 和SV 的增加與TCVP 增加吻合。因此，與地面日常直立位相比航天飛行時心臟前負荷更高，心腔可能會在航天飛行時處于長期擴張狀態(tài)。

1.3 太空失重導致血壓下降 太空失重會導致動脈血壓相比飛行前直立位顯著下降，下降幅度隨飛行時間的延長而增加，且大動脈、小動脈與外周動脈的壓力改變存在一定差異。在短期航天飛行中測量到的動脈血壓與飛行前地面運動前坐姿相比，動脈舒張壓下降11 mmHg，平均動脈壓（mean arterial pressure，MAP）下降6 mmHg，而與地面臥位相比沒有改變[10]。連續(xù)監(jiān)測血壓時發(fā)現(xiàn)，與仰臥時相比，MAP 有小幅增加，約5 mmHg，晝夜血壓節(jié)律在睡眠期間呈下降趨勢，與地面上直立狀態(tài)和活動狀態(tài)相比，太空飛行的最初幾周舒張動脈壓只是適度下降[15]。航天員在ISS 上6 個月駐留后，與地面的半仰臥體位相比，動脈舒張壓顯著降低，并且平均每個月下降10 mmHg[8]。航天員在ISS 駐留數(shù)周后，MAP 與站立姿勢相比顯著下降，之后MAP 水平下降到飛行前仰臥水平；另外，手指和肱部的MAP 可能存在高達30 mmHg 的差異[16]。

1.4 太空失重導致人體血管總外周阻力下降 與地面直立坐姿相比，太空失重期間人體總外周阻力（systemic vascular resistance，SVR）顯著降低，且長期飛行比短期飛行更明顯。有研究發(fā)現(xiàn)[10]，航天員航天飛行的前2 周與地面上直立體位相比，血管SVR有所減少，但與地面水平臥位相比無顯著改變。另有研究發(fā)現(xiàn)[11]，相比地面坐姿，航天員航天飛行第1 周血管SVR 下降了14%；與飛行地面直立坐姿相比，飛行3～6 個月時SVR 降低了39%，說明航天員長期航天飛行比短期飛行SVR 的下降幅度要大很多。

1.5 太空失重對HR 的影響 太空失重期間，HR 顯著下降。以航天飛行前的臥位為參照，HR 在空間飛行中不發(fā)生改變或有輕微下降趨勢。有研究在短期航天飛行中觀察到HR 有小幅下降[6]。在長期航天飛行中，HR 下降到與地面平臥相同的水平后再無顯著改變[16]。但有研究報道，與飛行前地面直立坐姿相比，航天飛行中HR 無顯著改變[11]。太空失重環(huán)境中睡眠期間的HR 顯著下降，下降幅度大于地面睡眠時，睡眠時R-R 間期顯著增加[17]。

2 太空失重對人體心血管調節(jié)的影響

2.1 太空失重導致人體交感神經(jīng)活性增強 失重可對人體自主神經(jīng)產(chǎn)生較大影響，表現(xiàn)為交感神經(jīng)活性顯著增強。在太空失重環(huán)境中，心血管系統(tǒng)不受重力的作用和姿勢變化的影響，血液和液體發(fā)生頭向轉移會刺激動脈和心肺壓力反射。最初有學者推測，太空中的交感神經(jīng)活性（sympathetic nerve activity，SNA）和循環(huán)血液中的兒茶酚胺水平將比地球上低；但實際在太空失重環(huán)境中血漿兒茶酚胺濃度與飛行前仰臥和坐姿相比顯著增加[18]。航天飛行中靜脈血漿去甲腎上腺素濃度及SNA 與飛行前臥位相比均適度增加，在11～12 d 的太空飛行后，血液中去甲腎上腺素的濃度的有所增加[19]。長期航天飛行中覺醒和早餐攝入后航天員前臂靜脈血漿去甲腎上腺素濃度與飛行前坐直時的水平一致?？傊?，在太空中的SNA 高于地面上仰臥姿勢，在某些情況下與直立坐姿非常相似[12]。

2.2 失重導致人體血管壓力反射敏感性下降 失重可對人體血管壓力反射敏感性產(chǎn)生顯著影響。太空失重環(huán)境中，人體心血管系統(tǒng)流體靜壓梯度消失，沒有體位轉換的刺激導致控制血壓的壓力反射活動減弱。航天返回后，航天員大多經(jīng)歷立位耐力不良[20]。長期失重暴露下，因為缺少重力作用下的血管內壓力梯度，直立應激時外周動脈血管收縮活動減弱[21]。短期太空飛行后，頸動脈壓力感受器對心率的調控減弱，導致直立重力應激時心率加速。失重條件下交感神經(jīng)活動多高于地面仰臥位水平，接近地面直立坐姿水平。在長期太空飛行中，壓力反射功能與副迷走神經(jīng)活動的減少或增加相一致。短期飛行后，外周動脈收縮反射減弱伴隨血容量減少，可能是直立耐力下降的原因。SVR 在航天飛行期間下降，而輸出的SNA 保持在接近地面直立坐姿的較高水平，兩者間的矛盾或許是血管收縮反應能力下降所致。

2.3 太空失重心血管效應的潛在機制 失重誘導的液體頭向轉移是由缺乏重力誘導的流體靜壓梯度消失和胸廓的慢性擴張來完成的。降低的胸膜內壓和心包壓，基于Starling 機制這導致SV 和CO 的增加，并導致頸部和頭部靜脈的慢性擴張，表現(xiàn)為腫脹的面部水腫[22]。因此導致肱動脈血壓下降，特別是在太空飛行前期更為明顯。但SNA 維持在與坐在地面相同的水平同時，全身外周血管卻相對舒張[12，18]。地面模擬失重時發(fā)現(xiàn)，這種血管舒張是通過刺激心肺和動脈壓力感受器抑制傳出SNA 而引起的。SVR 降低的可能機制是，頭部血液和液體的轉移導致腿部動脈和靜脈的舒張減少，并導致心室的擴張，心臟分泌血管舒張性的利尿激素，從而導致小動脈血管平滑肌的收縮和SVR 下降[23]，導致SVR 下降。SVR 的下降進而降低血壓，最終抑制主動脈壓力感受器。盡管液體向頭部轉移，但SNA 保持高水平不變。SVR 下降的另一可能機制是核心體溫上升，失重環(huán)境中身體周圍空氣對流不足，減少熱量損失，核心體溫逐漸升高有可能造成外周血管舒張程度較低[24]。

3 太空失重對人體心血管的潛在威脅

3.1 太空失重誘發(fā)神經(jīng)視覺綜合征 失重引起的體液頭向轉移和心血管適應性改變一直沒有引起足夠關注，即使在ISS 長期航天飛行期間也未被重視。直到最近10 年才發(fā)現(xiàn)，ISS 長期駐留航天員出現(xiàn)的視覺問題與體液頭向轉移密切相關。眼底掃描檢查發(fā)現(xiàn)，ISS 航天員出現(xiàn)一定程度的視網(wǎng)膜增厚伴隨視盤水腫、脈絡膜褶皺和棉毛樣斑等現(xiàn)象。這一太空失重相關的眼部癥狀被統(tǒng)稱為航天飛行神經(jīng)視覺綜合癥（Space flight-associated neuro-ocular syndrome，SANS），ISS 超過一半的航天員均存在眼部癥狀[25]。SANS 被認為是長期航天飛行中最大的健康風險之一，視網(wǎng)膜結構改變可導致永久性視力缺陷。目前認為SANS 主要是體液頭向轉移導致的靜脈充血和顱內壓升高所致[26]。30 d HDBR 模擬失重驗證了基于流體頭向轉移的視網(wǎng)膜厚度增加和視盤水腫[27]。

3.2 太空失重可誘發(fā)頸靜脈血流阻滯 航天飛行50 d后，失重導致的體液頭向轉移導致多數(shù)航天員出現(xiàn)左側頸內靜脈血流停滯甚至反向逆流，甚至靜脈血栓形成[28]?？赡苁怯捎谑е貙е碌男厍粩U張進而造成的胸膜壓低于環(huán)境壓力，大血管及肺向上移動時抵住胸腔頂部，從而導致流入胸腔的靜脈解剖受壓血流減速[29]。采用下體負壓對抗防護措施或許可以有效改善頸內靜脈血流停滯或逆流。

3.3 太空失重誘發(fā)血管結構和功能改變 長期失重或模擬失重均有可能會引起動脈血管的結構變化以及氧化應激和炎癥[30]。動物研究發(fā)現(xiàn)血液和液體向頭部轉移，流體靜壓消失，且越是遠離頭部的部位流體靜壓力改變的幅度越大，長期跨壁壓力增加可能導致頸動脈和股動脈等大動脈內膜中膜增厚。太空飛行期間，頸動脈的硬度增加，并且這種情況在返回地球后至少持續(xù)數(shù)天。頸動脈內膜-中膜厚度增加可能合并胰島素抵抗的加重，在長期航天飛行任務中可能加劇血管內膜炎癥和結構改變，長時間駐留ISS 的航天員已發(fā)現(xiàn)類似問題[12]。核磁成像數(shù)據(jù)顯示[28，29]，太空駐留6 個月返回的航天員出現(xiàn)大腦結構改變，其灰質和白質的改變可能與失重引起的平衡障礙有關。

4 總結

失重和模擬失重時均會導致人體流體靜壓梯度消失、體液頭向轉移，但隨后的一系列改變卻存在較大差異。進入太空失重環(huán)境的最初數(shù)小時內，CVP相比地球重力環(huán)境的臥位水平有所下降。同時由于胸腔的擴張，胸膜內壓也大幅下降，并低于CVP。因此，跨壁壓顯著升高，心臟前負荷增加。SV 和CO 在隨后的幾個月持續(xù)增加。在此期間，平均動脈壓顯著降低，血管總外周阻力下降。但SNA 并沒有被抑制，全身血管舒張的機制還需要進一步探討?？赡艿募僭O包括核心體溫升高，局部依賴性血管收縮反射失活和血管舒張肽釋放。長期航天飛行的體液頭向轉移可使左心房容積增加、頸靜脈偶發(fā)性血流停滯甚至逆流；同時可能導致視網(wǎng)膜厚度增加、甚至視盤水腫，從而可能導致視器器官和腦組織結構改變。我國空間站建成后，未來執(zhí)行更長時間的飛行任務幾率越來越高，航天員的健康和安全將是完成任務的基本保障。因此，必須充分利用地面模擬和空間站在軌實驗，盡可能深入了解失重的不良生理效應，開發(fā)安全有效的對抗防護措施。