空間微重力環境對骨代謝影響的研究進展

苗治平，仇伍霞，馬小莉，騫愛榮

(西北工業大學生命學院空間生物實驗模擬技術國防重點學科實驗室骨代謝研究室，西安710072)

空間微重力環境對骨代謝影響的研究進展

苗治平，仇伍霞，馬小莉，騫愛榮

(西北工業大學生命學院空間生物實驗模擬技術國防重點學科實驗室骨代謝研究室，西安710072)

詳細介紹了空間微重力環境對航天員骨代謝影響的國內外研究現狀，并總結實驗動物和骨組織細胞的太空飛行實驗結果以及失重性骨丟失發生的可能機制。介紹了利用新型抗磁懸浮模擬失重技術平臺獲得的部分細胞實驗結果。提出了尚需研發更多新型地基微重力模擬平臺來開展骨代謝研究，同時需要更多真實空間飛行機會的進一步驗證，為我國空間生物醫學的發展建設提供參考。

微重力；空間飛行；骨丟失；骨代謝；骨組織細胞

0 引 言

隨著載人航天事業的迅速發展，空間飛行環境對航天員健康的影響引起越來越多的關注。對于航天員來說，首先面臨的一個問題是重力場環境的改變，包括在軌航行或遠程星際航行中的低重力環境(特別是失重環境)，以及在其他天體上與地面環境截然不同的重力環境。因此，自1961年人類飛上太空以來，空間微重力環境對人體生理及心理的影響就成為科學研究關注的熱點。

骨是一種動態更新的組織，對力學刺激的變化非常敏感。因此，重力或機械力刺激對骨骼系統的生長、發育及功能維持非常重要。目前研究表明，空間失重環境引起骨代謝紊亂，導致骨丟失。失重性骨丟失位列影響航天員身體健康的各種風險因素之首，直接影響中長期載人航天任務的順利執行。因此空間失重性骨丟失一直是航天醫學領域的重要課題。

基于以上研究背景及分析，本文首先綜述空間微重力對航天員骨代謝的影響，由于航天員的數量極為有限，因此結合空間動物和細胞搭載試驗，詳細分析了空間飛行對實驗動物骨代謝的影響及細胞學機制。為我國未來空間生物醫學的發展建設提供參考。

1 空間微重力條件對航天員骨代謝的影響

地球上的生命在地球重力環境(1g)下生長與發育，因此重力在維持人類正常生理功能中發揮重要作用。骨骼作為人體的力學支撐結構，其結構與功能已適應地球重力環境且受到重力環境影響。骨組織持續不斷地進行著吸收和形成的平衡，這一代謝過程稱為骨重建[1]。骨重建過程對力學刺激的變化非常敏感，因此，重力或機械力刺激對骨骼系統的生長、發育及功能維持非常重要。目前研究表明，空間失重環境主要引起承重骨骨質流失，且這種骨質流失是難以逆轉的，即使返回地面也難以完全恢復。

1.1 航天員骨礦密度的變化

早在20世紀60年代，美國第二個載人航天飛行計劃“雙子座”就采用了X-射線光密度分析法對航天員飛行前、后的手骨、腳骨的變化進行了分析。此后的載人航天飛行計劃均對空間飛行對骨代謝的影響開展了實驗研究，研究歷史及方法如圖1所示[2]。美國高?？臻g研究協會的LeBlanc等[3]，NASA約翰遜航天中心的Nagaraja等[4]、Smith等[5]對這些研究進行了詳細的文獻分析與綜述。研究表明，長期空間飛行(>30天)引起航天員嚴重的骨質流失，骨質流失具有一定的部位選擇性，且在返回地面后恢復緩慢。

(1)長期空間飛行引起航天員嚴重的骨質流失

在60位參與了和平號(Mir)空間站和國際空間站(ISS)長期空間飛行任務(平均176±45天)的美、俄航天員中，約92%的人至少有一處骨骼部位發生最少5%的骨質流失，40%的人至少有一處骨骼部位遭受10%或更多的骨質流失，如圖2所示[3]。

蘇聯航天員在75～184天空間飛行后，跟骨的骨礦密度(Bone mineral density，BMD)下降0.9% ～19.8%，在禮炮號空間站停留5～7個月的航天員的脊椎骨BMD約丟失0.3%～10.8%[6-8]。在和平號空間站執行任務的航天員中，一個月內，一名航天員的跟骨骨量減少了7.74%，脛骨骨小梁骨量減少2.27%；經過6個月后，另一名航天員的脛骨骨量與其飛行前相比，小梁骨和皮質骨分別丟失4.5%和2.9%[9]。對18名俄羅斯航天員在和平號空間站4～14.4個月空間飛行前后BMD的研究如表1所示。航天員的總體BMD平均每月減少0.3%，髖骨BMD每月減少1.0%～1.5%，腰椎骨BMD每月減少1%，相當于一個婦女絕經后一年的骨質流失量[3,6,8 ]。

表1 和平號空間站4～14.4個月空間飛行任務航天員骨密度變化

注：*P<0.01, 有顯著差異

對國際空間站(ISS)上執行任務的8名航天員BMD研究結果顯示，7名航天員腰椎骨密度下降2.5%～10.6%，4名航天員股骨頸處骨密度減少1.7%～10%，而全部航天員股骨部分骨密度均減少3%～10%[10]。通過對14名航天員在國際空間站完成4～6個月空間飛行任務前后的骨質流失研究，得到的結果與和平號空間站類似，如表2所示。航天員髖骨BMD平均每月減少1.2%～1.5%。腰椎骨BMD每月減少0.8%～0.9%[3, 11-12]。

表2 國際空間站4～6個月空間飛行任務航天員骨密度變化

注：*P<0.01; **P<0.001, 有顯著差異

對2000-2009年在國際空間站執行過長期飛行任務(平均任務長度170～175天)的20名男航天員與5名女航天員的骨質流失對照實驗還表明，在微重力環境下，男航天員髖骨BMD平均每月減少1.3%，遠遠超過女航天員的0.55%[13]。為了盡量減少微重力環境下的骨質流失，目前采取的對抗措施一是通過先進的機械進行適當的體育鍛煉和對抗性訓練，如跑步機、間歇阻抗訓練裝置(Interim resistive exercise device，IRED)和先進阻抗訓練裝置(Advanced resistive exercise device，ARED)；二是進行藥物干預，如雙膦酸鹽類藥物等。但這些方法的效果并不是很明顯，如圖3所示[14-15]。

(2)微重力環境下骨質流失具有一定的部位選擇性

微重力環境下骨質流失存在著一定的部位選擇性，主要發生在承重骨(跟骨、脛骨、股骨、椎骨)，而非承重骨(橈骨、尺骨)則不明顯。Ruggiu等對當前長期空間飛行后航天員不同部位骨質流失研究結果進行了總結，如圖4所示[16]。通過對空間飛行前后不同骨部位的CT掃描，利用統計參數圖(Statistical parametric mapping，SPM)或超閾值聚類分析(Suprathreshold cluster analysis，STCA)等方法對掃描圖像進行分析，可以檢測空間飛行后骨質流失區域，判斷哪些部位遭受了最大骨質流失[17]。從百分比來看，骨質流失在小梁骨比皮質骨更為嚴重，特別是在腿部；從骨量來看，腿部骨量的丟失，特別是皮質骨的丟失最大[18]。

(3)經歷骨質流失的航天員恢復緩慢

由于空間微重力環境下骨質丟失主要發生在承重骨，當航天員回到地面正常重力環境后，在一段時間內骨質流失的情況并不會得到顯著改善，骨密度在較長時間內難以恢復到飛行前的水平。16名在在國際空間站飛行了4～6個月的航天員在返回地球一年后，股骨近端的骨量基本恢復正常，但骨密度與骨強度均只有部分恢復[19]。NASA格林研究中心采用骨折風險分析模型(Bone fracture risk model, BFRM)對長期空間飛行的航天員骨質流失數據進行分析，與飛行前相比，航天員抗骨折能力平均下降12%，恢復一年后仍下降5%，未能恢復到飛行前水平[20-21]。對和平號空間站和國際空間站平均飛行時間達179天的15名男性航天員骨質恢復研究表明，一年后這些航天員大多數骨骼部位的BMD偏低，三年后髖骨BMD仍然低于預期值，如表3所示[22-24]。NASA約翰遜航天中心對45名在和平號空間站和國際空間站飛行了4～6個月的航天員骨密度恢復進行跟蹤研究，大多數航天員骨密度在三年后才恢復到飛行前水平，即骨密度恢復時間是飛行任務時間的6倍[25-27]。加拿大麥克馬斯特大學Williams等對大量研究空間飛行對人體生理機能影響的NASA技術報告與醫學文獻進行了綜述，研究表明盡管在返回地球后大多數生理影響會在短期內消失，但骨礦質流失可能產生永久后果。大部分經歷長期空間飛行的航天員骨密度在三年后恢復，但有些航天員永遠恢復不到飛行前水平[28]。

表3 長期空間飛行后航天員骨密度恢復結果

1.2 空間飛行引起骨重建生化標志物的變化

正常的骨重建過程依賴于骨吸收和骨形成過程的動態平衡，微重力環境則打破了這一平衡。對天空實驗室(Skylab)、和平號空間站和國際空間站執行長期空間飛行任務的航天員骨重建生化標志物的研究表明，在空間飛行中，航天員的骨形成生化標志物減少或不變，骨吸收生化標志物增加，從而導致骨質流失。大部分研究認為，骨形成受到抑制是骨質流失的主要原因[5, 29]。Smith等總結了空間飛行對骨代謝與骨生化的影響，如圖5所示[5]。

對在和平號空間站執行180天空間飛行任務的航天員骨重建研究發現，在飛行過程中，航天員的骨形成生化標志物，包括骨堿性磷酸酶(Bone alkaline phosphatase，BALP)、血清完整骨鈣素(Intact osteocalcin，IBGP)和 Ι型膠原羧基前體肽(Procollagen type i c-terminal propeptide，PICP)分別下降了27%、38%和28%。航天員的骨吸收生化標志物，包括游離脫氧吡啶啉(Free deoxypyridinoline，F D-Pyr)和I型膠原 C 端肽(C-telopeptide，簡稱CTX)在飛行過程中增加了54%和78%。研究證實，微重力對骨形成有較強的抑制作用[30]。另一項對和平號空間站飛行115天的航天員的研究顯示，在長期飛行過程中骨形成生化標志物BALP下降了36%，骨鈣素(Osteocalcin，OCN)下降了7%，骨吸收生化標志物則增加了50%。骨質流失可能是由于鈣攝入減少，鈣排出增加與骨吸收增加的綜合結果[31]。美、俄聯合對在和平號空間站執行4～6個月空間飛行任務的13名航天員開展骨重建研究，骨吸收生化標志物在飛行中增加了75%～125%，在飛行后也增加50%～75%。骨吸收生化標志物BSALP和OCN在飛行中沒有發生變化，但在飛行后顯著增加。研究認為，在微重力環境下，骨吸收增加和鈣吸收減少導致了骨質流失[32]。對35名在1994-2010年間在和平號空間站和國際空間站執行任務120～180天的NASA航天員進行的骨重建研究表明，骨吸收生化標志物NTX在飛行期間顯著增加，骨形成生化標志物BALP在飛行初期降低，后來則保持不變，如圖6所示。骨吸收大于骨形成，從而導致了航天員髖骨與腰椎骨BMD平均每月減少1.0%～1.5%[33]。

為了計算長期空間飛行任務后骨重建變化，為骨質流失恢復提供科學依據，美國國家空間生物醫藥研究院與NASA格林研究中心將定量CT(QCT)方法與骨重建計算模型相結合，對骨強度進行分析預測。NASA未來計劃將航天員送上火星，完成長達三年的空間任務，這一計算模型將可用于預測在微重力環境下工作1000天的骨質流失情況，為超長期空間飛行任務骨質流失研究奠定良好基礎[34]。

2 空間微重力條件對實驗動物骨代謝影響

因航天員的數量極為有限，空間動物搭載試驗成為空間微重力環境對骨代謝影響研究的重要途徑。在航天飛機上的搭載實驗發現，56天大的雄鼠在空間飛行14天，股骨末端BMD下降，肱骨與脛骨未發現骨質流失。骨吸收生化標志物顯著增加，骨形成生化標志物則沒有變化。在飛行結束后14天(與飛行時間相當)對雄鼠進行觀察，雖然礦化和骨形成參數提示骨質已開始增加，但有些部位仍未能逆轉[35]。

另一項航天飛機15天的動物搭載試驗表明，小鼠的骨盆與股骨區域骨質流失極為嚴重，大致相當于BMD平均每月減少12%～24%，遠遠超過航天員平均每月1%～2%的流失水平[36-37]。日本科學家最新研究發現[38]，空間微重力條件促進青鳉魚成骨細胞和破骨細胞中特異性基因轉錄水平急性上調。意大利航天局開發了“小鼠抽屜系統”(Mice drawer system，MDS)，將野生型與多效生長因子(Pleiotrophin，PTN)轉基因型小鼠放置其中，在國際空間站進行了為期91天的動物搭載試驗。野生型與轉基因型小鼠均發生承重骨骨質流失，小梁骨厚度未見變化但骨量減少[39]。觀察發現，PTN轉基因型小鼠受到微重力的負面影響少于野生型小鼠，表明PTN促進了成骨細胞骨形成活動，產生了一定的保護作用。

還有一項在航天飛機上進行的12天雌鼠搭載試驗表明，骨保護素-Fc(Osteoprotegerin，OPG)能持續抑制破骨細胞引發的骨吸收，從而有效減輕骨質流失[40]。Blaber等對近期開展的兩項長期空間動物搭載試驗進行了對比分析，一項是為期30天的BionM1生物實驗衛星上的雄鼠試驗，另一項則是37天的國際空間站“嚙齒動物研究計劃-1”(Rodent research 1，RR1)的雌鼠試驗。兩個試驗中的小鼠股骨頭均發生嚴重的骨質流失，BionM1項目中的小鼠還出現了明顯的老化與骨質疏松跡象，如圖7所示[41-42]。這些空間動物搭載實驗也表明，微重力條件可導致嚴重的骨質流失，并影響骨重建過程。

3 空間微重力條件對骨組織細胞的影響

骨組織細胞主要包括骨髓間充質干細胞、成骨細胞、骨細胞、破骨細胞等。當骨組織損傷或所承受的機械應力改變時，破骨細胞首先被激活釋放能夠分解骨基質的氫離子和水解酶，從而在骨組織表面形成骨吸收陷窩，同時，骨髓間充質干細胞被募集并分化為成骨細胞[43]。成骨細胞分泌類骨質，與鈣和磷等礦物質一起通過礦化過程沉積至骨陷窩中，同時，成骨細胞成熟為骨細胞，將自身包埋進新的骨基質中，并通過其樹突狀的結構連接起來(圖8)?？臻g飛行研究表明，微重力通過影響骨組織細胞作用而抑制骨形成，促進骨吸收，從而使骨重建失衡(圖9)。

3.1 骨髓間充質干細胞

骨髓間充質干細胞(Bone mesenchymal stem cells，BMSCs)是成年人骨髓中的多能干細胞，具有多向分化潛能。微重力所引起骨髓間充質干細胞的功能紊亂會影響骨形成。研究表明，微重力直接影響骨髓間充質干細胞增殖、細胞周期、細胞骨架、基因和蛋白表達和細胞凋亡等。目前，對真實微重力環境對BMSCs影響的研究較少，多數為模擬微重力環境下的研究，不在本文討論范圍內。Monticone 等[45]研究發現微重力對骨髓間充質干細胞最顯著的影響就是對其定向分化的改變。8天的空間飛行抑制了骨髓間充質干細胞的細胞增殖，促進小鼠股骨和脛骨BMSCs細胞中神經發育相關基因表達，但抑制細胞周期相關基因表達。發現號航天飛機15天的雌鼠搭載試驗表明，微重力環境使得骨髓腔增大，骨髓細胞增殖與分化標志物下降，巨核細胞減少，紅細胞滯留，BMSCs分化能力明顯下降[46]。2016年4月，我國首顆微重力科學實驗衛星“實踐十號”返回式科學實驗衛星成功發射，順利完成了12天的空間飛行。“實踐十號”進行的19項科學實驗包括浙江大學承擔的“微重力條件下骨髓間充質干細胞的成骨細胞定向分化效應及分子機制研究”項目，目的是研究空間微重力環境BMSCs分化為成骨細胞潛能的變化，以及微重力影響BMSCs成骨分化的細胞信號通路[47]。

3.2 成骨細胞

成骨細胞作為骨形成的主要功能細胞，負責骨基質的合成、分泌與礦化，在維持骨重建平衡中發揮重要作用。微重力會改變成骨細胞形態，抑制成骨細胞增殖、分化，使其凋亡增加，微觀上表現為細胞增殖相關基因表達下調，分化相關基因表達下調，膠原Ⅰ蛋白、骨鈣蛋白和骨骼生長因子含量減少[48-49]。通過觀察在國際空間站短暫飛行10天后的成骨細胞，可以發現成骨細胞形態發生明顯改變，如細胞變圓變大、形態不規則、細胞質變大、細胞骨架變細等。研究認為，微重力條件下微管蛋白體積密度顯著降低，很難組裝形成有序的微管結構，導致細胞骨架損傷，使成骨細胞表面形態變得不規則[50]。Landis等[51]將從不同年齡雞胚胎顱骨分離的原代成骨細胞搭載于奮進號航天飛機(STS-59)上，空間飛行5 d后，I型膠原(Type I collagen，Col I)和OCN的表達顯著下降，表明，空間飛行減慢了成骨細胞分化的進程。Carmeliet等[52]使用MG-63成骨樣細胞系得到了相似的結論。目前研究表明，失重環境下成熟成骨細胞數量減少，成骨細胞活性下降，分化能力下降導致骨形成減少是引起失重性骨質流失的重要原因之一[53-54]。

3.3 骨細胞

骨細胞是成熟骨組織中含量最豐富的細胞類型，占骨組織細胞的90～95%。研究表明骨細胞是骨組織感知與響應力學刺激的細胞學基礎[55]。骨細胞對力學刺激很敏感，是骨組織最重要的力學感受器之一[56-57]，可能會在感知與響應微重力中起重要作用。返回式衛星Bion-11空間搭載飛行 14天后，猴子髂骨中一些年輕的骨細胞激活了適應性骨重建過程中膠原蛋白的生物合成[58]。大鼠經過12.5天的空間飛行后，與地面對照組相比，皮質骨骨膜中的骨細胞功能退化[59]；經過兩周的SLS-2空間飛行后，在骨礦物質吸收增強區域，成骨細胞和骨細胞發生破壞[60]。近年來，中、美聯合開發了基于骨細胞生存能力的小梁骨重建(Osteocyte-viability-based trabecular bone remodeling，OVBR)模型，為定量分析微重力環境下的航天員或長期臥床試驗人員的小梁骨骨質流失與顯微結構退化提供了有效的工具[61]。

3.4 破骨細胞

在骨重建過程中，骨形成和骨吸收緊密聯系，破骨細胞負責骨吸收[62]。一般認為，短期曝露于微重力環境中，破骨細胞的功能沒有較大的改變，即骨吸收功能未受失重的影響。經過17天的空間飛行，大鼠盆骨和胸椎骨中，成骨細胞數量減少，而破骨細胞的數量沒有變化[63]。搭載于生物實驗衛星“Cosmos-1129”上的Wistar大鼠經過18.5天的軌道飛行后，體內的破骨細胞數量未發生變化。但也有報道稱微重力環境影響破骨細胞形成及其骨吸收能力。蠑螈在生物試驗衛星“Cosmos-2229”上飛行20天后，長骨骨內膜表面的骨吸收活動被激活[64]。在航天飛機上進行的15天飛行試驗研究表明,微重力下破骨細胞成倍增長，成熟多核破骨細胞數量增加53.8%，骨吸收生化標志物TRAP-5b血漿抗酒石酸酸性磷酸酶(Tartrate resistant acid phosphatase，TRAP)增加9.35%[36, 42]。由破骨前體細胞Raw264.7細胞誘導而來的破骨細胞搭載于Foton M3衛星飛行后，與地面對照組相比，離散的骨吸收陷窩總數增加[65]。在Fonton M3衛星上開展的三項破骨細胞試驗表明，微重力環境下破骨成熟與活性相關基因成倍增長[66]。中國航天員科研訓練中心等多家單位共同研究發現，在微重力環境下，破骨細胞分泌富含microRNA的外泌體，其中小核酸分子(microRNA-214)會轉移至成骨細胞，抑制成骨細胞的功能，并且通過兩種蛋白ephrinA2和EphA2之間的相互作用，外泌體特異性地識別成骨細胞，抑制成骨細胞活性，導致骨質疏松的發生，如圖10所示[67]。

4 “空間生物實驗模擬技術國防重點學科實驗室”

開展的微重力對骨代謝影響的研究進展

由于空間飛行實驗機會少、費用高、條件難控制。因此，研制地基模擬失重條件平臺，并利用地基平臺開展預先研究是非常必要的。依托西北工業大學的“空間生物實驗模擬技術國防重點學科實驗室”，建立了國內唯一的長時間新型模擬失重技術平臺——抗磁懸浮模擬失重平臺[68-69](圖11)。作者所在研究團隊利用該平臺開展了骨組織細胞相關研究，結果表明：抗磁懸浮模擬失重影響了成骨細胞形態、細胞骨架、增殖及粘附功能和細胞骨架相關基因的變化[70-72]，影響了骨細胞形態、細胞骨架以及能量代謝相關基因表達[73-74](圖12)，促進了破骨細胞的分化[75]。部分結果與真實空間飛行結果一致，提示該平臺可以用于地面模擬失重條件的研究，為空間飛行研究提供很好的前期實驗基礎。

5 結論與展望

隨著載人航天事業的迅速發展，空間飛行中所面對的空間環境對人體健康的影響引起越來越多的關注。其中空間微重力環境引起的骨質流失，位列影響航天員身體健康的各種風險因素之首，制約著人類進行深空探索。骨是一種動態更新的組織，它持續不斷地進行著骨吸收和骨形成的骨重建平衡，骨重建過程對力學刺激的變化非常敏感?？臻g飛行實驗表明：微重力環境引起航天員承重骨骨密度下降、骨形成標志物下降而骨吸收標志物上升；微重力條件影響實驗動物承重骨骨量及骨重建過程，導致嚴重的骨質流失。此外，微重力條件影響了骨組織細胞結構和功能，主要表現為：微重力條件抑制骨髓間充質干細胞及成骨細胞分化能力，抑制骨細胞功能，增強破骨細胞分化及骨吸收能力，并促使破骨細胞分泌富含microRNA的外泌體，抑制成骨細胞的功能。盡管目前已有部分研究闡明微重力對骨組織細胞功能的影響及作用機制，但由于空間飛行機會少、費用高、條件難控制，此外由于骨組織細胞的多樣性及細胞間相互作用的復雜性，其作用機制仍需要深入細致的研究。尚需研發更多新型地面模擬平臺并開展相應的研究，同時需要更多真實空間飛行機會的進一步驗證。

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通信地址：陜西省西安市友誼西路127號(710072)

電話：(029)88491840

E-mail：maiozp@nwpu.edu.cn

騫愛榮(1972-)，女，博士，教授，博士生導師，主要從事空間生物學、航天醫學以及航空航天系統工程研究。本文通信作者。

通信地址：陜西省西安市友誼西路127號(710072)

電話：(029)88491840

E-mail：qianair@nwpu.edu.cn

(編輯：張宇平)

Advances in Research on Effects of Space Microgravity on Bone Metabolism

MIAO Zhi-ping, QIU Wu-xia, MA Xiao-li, QIAN Ai-rong

(Bone Metabolism Lab, Key Lab for Space Bioscience and Biotechnology, School of Life Science,Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072,China)

This article not only describes the research on the effects of the space microgravity environment on astronauts’ bone metabolism at home and abroad, but also summarizes the space flight experiment results from the lab animals and bone cells as well as the possible mechanism of the microgravity-induced bone loss. Moreover, this paper introduces some bone metabolism results using a novel simulated microgravity model, a diamagnetic levitation platform, and proposes to develop much more novel microgravity simulated platforms to further carry out bone metabolism research as well as much more space flight chances to verify the results from the simulated models in future, which provides a reference for space biomedical study in China.

Microgravity; Space flight; Bone loss; Bone metabolism; Bone cells

2017-01-23;

2017-02-13

國家自然科學基金(31570940)；教育部新世紀人才支持計劃(NCET-12-0469)

V7

A

1000-1328(2017)03-0219-11

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.03.001

苗治平(1963-)，女，學士，副主任醫師，主要從事特殊環境醫學效應，航空航天系統工程。