深地醫學研究新進展

謝和平，劉吉峰，高明忠，王 領，文 巧，劉 飛，吳 江

(1.四川大學 華西醫院深地醫學研究中心，四川 成都 610041；2.四川大學 華西醫院耳鼻咽喉頭頸外科，四川 成都 610041；3.深圳大學 綠色深地科學與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060)

隨著淺部礦產資源逐漸枯竭，深部探明資源量的逐步增加，資源開發已不斷走向地球深部。據不完全統計，我國千米級埋深煤礦47座，金屬礦16座，深部資源開采將逐漸成為新常態。國際上，主要礦業大國也相繼進入深部開采，目前超過1 000 m的礦井已有100余座，其主要分布在南非、加拿大、德國、俄羅斯、波蘭等國家，其中以最具代表性的南非礦井深度已深達4 000 m以上。這必然會導致深地作業人員的急劇增加。然而，深部礦井的作業環境對人體生理、心理、病理的影響程度與機制研究基本處于空白；更談不上有效應對深地的健康不利因素。甚至，連“深地”本身的概念都未進行準確的界定；不同的行業對深地的界定有較大的差異。深部資源和空間開發利用如何實現作業人員的安全與健康保障，需揭示深部地下特殊環境對人體健康的影響機制、深地環境與疾病的互饋機理與發生發展規律。然而，目前該領域研究成果鮮有報到，僅有的深地健康數據也幾乎均來源于為數不多的深地實驗室特定環境的有限研究。

在國家部署開發深地戰略之際，筆者團隊于2015年率先提出，在開發深地資源和空間的同時，應著力于超前布局深地醫學研究，特別是關注深井礦工的健康問題；并于2017年6月發表學術論文論證開展深地醫學研究的可行性及當下迫切需要開展的研究方向。深地醫學研究的開展不僅可以為深井礦的開采利用提供健康保障，更是在深地維度推進“健康中國”建設，為促進人民健康和布局未來提供理論依據與技術支撐。

初期國際上深地環境的研究多從生物角度出發，近年來逐漸受到重視。2015年國際深地實驗室成立專門的國際深地實驗室生物學整合研討會(Deep Underground Laboratory Integrated Activity in Biology,DULIA-bio)，標志著深地生物醫學研究進入了快車道。筆者系統分析了深地醫學的研究新進展，提出了深地醫學未來迫切需要開展的研究方向，從而為今后深地醫學及相關生物學、生命科學研究提供參考。

1 深地醫學概念的提出

國際上深地實驗室開展的研究主要是針對深地環境對部分模式生物的影響。深地生物效應的觀察，始于PLANEL等在地下200 m處觀察草履蟲增殖活性的研究；1995年起，SATTA等在LNGS開展了一系列的深地低本底輻射環境生物效應的探索研究。2011年SMITH等在美國核廢料儲存工廠(Waste Isolation Pilot Plant,WIPP)觀察深地環境對耐輻射奇球菌()生長影響的研究，開創了美國深地生物研究的先河。2017年課題組在中國黃金集團夾皮溝礦業有限公司二道溝礦(Erdaogou Mine,Jiapigou Minerals limited Corporation,China National Gold Group Corporation，CJEM)深地醫學實驗室開展了深地醫學研究，這是首次將深地實驗的生物研究提升到醫學研究的層面。2020年英國WADSWORTH等和加拿大PIRKKANEN等也分別報道了在伯畢(Boulby Underground Laboratory,Boulby)和斯諾(Sudbury Neutrino Observatory,SNOLAB)實驗室開展的深地生物研究工作。

由于深地實驗室多處于偏僻地區、深地環境諸多不可控因素等客觀原因，導致研究成本極高、進展緩慢。盡管屈指可數的深地實驗室開展了一些有限的研究，還是發現了一些有趣的生命現象，諸如：細胞增殖減緩、果蠅壽命延長及繁殖能力下降、細胞對基因損傷因素應答能力下降等。但是，后續研究也發現了相反的現象。因此，深地的生物效應，尚需要開展進一步的研究，例如在同等低本底輻射條件下量化環境條件，并選擇不同的模式生物，觀察低本底輻射環境對不同模式生物不同時間點的生物效應。

為探明深部礦井作業環境對礦工的安全和健康影響機制，課題組首次提出了深地醫學研究構想，并定義了深地醫學(Deep Underground Medicine，DUM)，即系統研究深地環境因素對人的生理、病理、心理影響及其潛在機制，也即深地的物質和空間健康效應，并探索對深地有害影響因素的防護措施，有益環境因素開發利用的專門學科。

這一學科與醫學地質學，既有區別又有聯系。醫學地質學是有關環境和健康的學科。其主要研究目的為地質物質和地質過程對動物和人類健康的影響，側重于地質中存在的各種物質和在其時空演化過程中的生物與健康效應。而深地醫學是瞄準向深地進軍戰略目標而可能存在的潛在健康問題，以解決深地特有環境條件下人類生活、工作、休閑的可能相關的健康問題，及其解決方案，從機理上得到科學解釋，并加以實際應用。這也提示深地醫學除了研究醫學地質學考慮的物質健康效應外，還有深地特有的空間(如低輻射、高溫、幽閉空間等)可能產生的心理、生理和病理的影響。

為加快DUM的實質性進展，課題組于2017-12-20在CJEM建成了世界上首個也是當前惟一一個專門服務于礦業工人從事醫學研究的深地實驗室，2018年1月成立了深地醫學中心的實體研究機構。

2 礦業工程深部環境基本特征

針對深部礦井環境特征對礦工的影響及其防護措施難題，課題組開展了深部地下基本環境參數特征的摸底工作。在對國內的深井礦充分調研、分析的基礎上，以深部代表性的CJEM(金屬礦)和中國平煤神馬集團十二礦(煤礦)2個深井礦的主要環境參數進行了測評。

2.1 深井礦作業區環境本底輻射特征

由于巖層對宇宙射線具有屏蔽作用，因此隨著巖層覆蓋厚度的增加，宇宙射線逐漸衰減，這是深地特有、當前技術手段尚不能模擬的最主要環境特征。對CJEM的本底伽馬射線在不同深度進行多次測量數據顯示，伽馬本底射線劑量隨巖層厚度增加逐漸下降。在實驗室內部的伽馬射線劑量為45 nGy/h，是地表對照實驗室的1/3；實驗室本底水平干凈，與當前國際主流實驗室的本底輻射水平相當。同時，CJEM深地實驗室伽馬射線下降的水平也與課題組在中國平煤神馬集團十二礦測量的下降趨勢基本相同。當然，伽馬射線還受周圍覆蓋巖層及混凝土微量放射性元素的影響，在CJEM其他測點測得的伽馬射線水平，有局部波動現象，伽馬射線最低點在深地500 m左右。由于深地環境限制，課題組尚未獲取深地醫學實驗室和中國平煤神馬集團十二礦的總體宇宙射線通量，這需要條件成熟后，在后續研究中進行系統測量、深入分析。

2.2 深井礦作業區環境溫度與濕度

早在18 世紀，英國學者發現在深部地下溫度隨深度的增加而升高，一般認為深度每下降100 m，溫度升高3～5 ℃，當然溫度升高的幅度還受多重因素影響。課題組對CJEM和中國平煤神馬集團十二礦不同深度的溫度進行了多次測量(圖1)，同樣發現隨著深度增加溫度逐漸升高。在通風、降溫措施實施良好的環境下，千米以下層位的環境溫度已經達到30 ℃，部分通風較差的硐室溫度達32 ℃，在巖層覆蓋1 565 m處，溫度可達34 ℃。由于測量點均需在通風環境下人工測量完成，因此溫度隨深度變化的自然規律尚需要進一步的研究。

圖1 主要環境參數與巖層覆蓋深度關系

深地環境中除溫度外，濕度也隨著深度的增加，呈上升趨勢。課題組反復測量的數據顯示，無論是在CJEM還是在中國平煤神馬集團十二礦，在600 m深度以上，濕度均已超過90%，遠遠超過人體舒適濕度的上限(70%)。

2.3 深井礦作業區其他關鍵環境參數

在深地環境中，除宇宙射線通量隨深度增加逐漸衰減外，二氧化碳體積分數以及氣壓隨深度呈上升趨勢。雖然二氧化碳體積分數受通風的影響較大，但在夾皮溝埋深1 500 m處，二氧化碳體積分數可達1 500×10。由于持續泵入壓縮空氣，氧氣體積分數始終維持在相對穩定的水平，因此在不同深度環境下測得的氧氣體積分數未發現有明顯的差異。

封閉的空間內氡氣容易發生聚集，課題組在CJEM選擇多點進行氡氣活度濃度測量。距地表0 m處氡氣活度濃度為60 Bq/m，在1 005 m處氡氣活度濃度達160 Bq/m，而1 500 m為130 Bq/m。而這一水平低于CJPL氡氣活度濃度的平均水平。氡被世界衛生組織列為主要的環境致癌物之一,也是引起肺癌的第二大因素。根據GB/Z 116—2002《地下建筑氡及其子體控制標準》規定：已用地下建筑中氡氣活度濃度不應超過400 Bq/m，因此深地環境下的氡氣濃度尚處于正常范圍，尚不構成明顯的健康風險。

3 礦井環境下深地醫學研究進展

3.1 礦井特殊環境對細胞生長的影響及分子水平改變

深部礦井環境對作業人員身體健康的潛在影響及機制，目前尚處于空白。基于實驗室和代表性礦井的主要環境參數測評數據，沿襲國際深地實驗室生物研究的主要思路，筆者團隊在CJEM深地醫學實驗室培養了中國倉鼠肺成纖維細胞株(V79)、人高分化喉鱗狀細胞癌細胞株(FD-LSC-1)和人甲狀腺上皮細胞等，研究顯示深地的低本底輻射環境可以抑制這些細胞的生長速度(圖2)，這與文獻[16，19，21-22]的結果相似，且該結果還與在CJEM開展的第2批細胞(配對的鼻黏膜上皮細胞和鼻咽癌細胞)的表現也是一致的(圖2)。因此，這進一步表明細胞在剛置入深地低本底輻射環境時，其生長速度確實會受到不同程度的抑制(如喉癌細胞在地表培養2 d后細胞增加37.73%，而地下組僅增長7.53%；地表組V79細胞的倍增時間為2 d，而地下組2 d增加11.13%)。假設生長減緩可以延長壽命，該結果還與MORCIANO等在深地實驗室觀察到果蠅壽命延長的結果類同。而深地低本底輻射環境能夠延長果蠅的壽命，是否能夠作用于其他生物，特別是人，還需進一步的研究和長期的觀察。

圖2 深地環境下培養的不同細胞的增殖曲線[6,10-11]

轉錄組學分析顯示，V79細胞的增殖抑制，可能主要與細胞的轉錄抑制有關，特別是V79細胞的mRNA和長鏈非編碼RNA的表達明顯受到影響。LIU等對在CJEM深地實驗室培養的V79和FD-LSC-1細胞蛋白組學分析還發現，核糖體、內質網、剪接體是差異蛋白富集的主要代謝通路，其中RPL26，RPS27，ZMAT2，PRPF40A，SNRPD2，SLU7，SRSF5，SRSF3，SNRPF，WFS1，STT3B，CANX，ERP29，HSPA5，COX6B1，UQCRH和ATP6V1G1可能是深地環境下細胞應答反應的主要蛋白。

在CJEM培養的第2批配對的鼻黏膜上皮和鼻咽癌細胞的不同時間點轉錄組的結果表明，深地環境對細胞轉錄的影響大于時間的影響(同一培養環境3 d和7 d的細胞差異表達基因為1 000余條，而地上和地下的差異表達基因為2 000～4 000條)，鼻咽癌細胞對低本底輻射環境的影響更為明顯(圖3，其中，地上為地上組；地下為地下組；“-數字”為培養天數)。而不同的細胞，特別是癌細胞，其差異表達的基因多富集在與環境有關的Hippo信號通路，該通路為典型的增殖抑制通路(圖4)。這一結果也與前期的喉癌細胞轉錄組學結果類似。

圖3 深地環境培養3 d和7 d鼻黏膜上皮(HNEPC)和鼻咽癌細胞(HNE)的差異表達mRNAs

圖4 深地實驗室培養的FD-LSC-1細胞差異基因富集到Hippo通路的示意

這些研究從深井礦低本底輻射角度觀察多種細胞的行為特征，打開了深地低本底輻射環境生物效應的大門，可能為后續開展深井礦作業人員的健康保障研究提供了重要的參考依據。深地低本底輻射環境對癌細胞的影響較正常細胞明顯，也就是說深地低本底環境對癌細胞具有明顯抑制作用，也可能為研究腫瘤的特征提供了新的研究視角。同時，深地環境可以延長果蠅壽命，在深地低本底輻射環境是否可以延年益壽，也值得深入研究。

3.2 礦井特殊環境對人體健康的影響

從模式生物的培養結果來看，在深井礦作業可能會對礦工的機體產生影響，特別是長期在礦井特殊環境中，而目前相關的知識基本處于未知狀態。因此，筆者課題組在對環境特征測評的基礎上，還初步調研了分別隸屬中國黃金集團公司夾皮溝礦業有限公司和平煤集團深井作業的400余名礦工的主觀感受、心理狀態以及軀體感受。研究發現疲勞、聽力損失和耳鳴是3種最常見的軀體癥狀。不同礦井的工人，均有2/3的受試者出現睡眠障礙，主要表現為入睡困難和易做夢。尿液代謝組的結果還表明，深井作業人員的尿液與地表對照人員有較為明顯的差異(圖5)。在這些環境因素中，引起礦工身心不適的最常見環境因素為高溫、高濕以及光線欠佳。這與筆者團隊對CJEM和平煤十二礦的環境測評數據相吻合。為此，應該盡量讓礦工避免長時間暴露于高溫、高濕環境中，從而改善工作環境體驗并提高工作效率。

圖5 長期井下作業人員與地表對照組尿液代謝差異熱圖

從目前研究結果來看，深部礦井環境對人體可能會產生潛在的影響，而這些環境因素有利有弊。針對高溫、高濕環境，迫切需要改善通風措施，從而達到井內舒適的溫度和濕度，保障礦工的安全和健康。針對深地低本底環境抑制癌細胞生長、可能延長礦工壽命的研究結果，還需要進一步深入探索，爭取早日進入臨床，造福礦工以及今后可能在深地環境長期活動的人員。而其他環境因素可能對機體產生的影響，尚需后續進行系統和深入的研究。這也是向深地進發，迫切需要攻克的技術難題。

粉塵是礦業生產中的主要健康殺手，而由此導致的塵肺病，是我國最常見、最嚴重、衛生負擔最重的職業病。其中，以肺部彌漫性纖維化為特征的矽肺占塵肺的35.98%，在報告的塵肺病總病例數中占比較高(2017年數據)；每年新增病例在6 000例，居世界首位。目前矽塵致肺纖維化的確切機制尚不清楚，缺乏反映肺纖維化程度的特征指標，也無突破性的治療藥物及針對性的治療措施；矽肺合并致病微生物感染，會加劇矽肺的病情發展。

致病微生物容易在高溫高濕環境中滋生。在深地中，粉塵、微生物與高溫高濕環境因素是否產生協同作用，對礦工構成更加嚴重的健康威脅，是不可忽視的重要問題，然而當前的研究尚未涉足該領域。基于此，筆者團隊也在前期對深地主要環境參數的測評基礎上，正在計劃對深井礦中的粉塵及微生物分布的特點進行測評，以為今后的職業防護及深地空間及資源開發，提供健康參考依據。

深地環境是否存在特有的化學成分或微生物，從而產生生物效應，也即醫學地質學涉及的主要內容，是今后需要考慮的重要方向。這需要對深井礦的化學組成進行詳細采樣分析。

4 結語與展望

4.1 結 語

深地資源開采成為常態、深地空間開發成為必然，人類的作業與生活環境不斷向深部延伸。隨著地下空間開發和利用的規模逐漸擴大，可以預見，在地下空間活動的人類數量將大幅增加，人類在地下空間活動的時間也將不斷增加。筆者前期的研究主要對代表性深部礦井環境特征進行了摸底，研究顯示當前高溫、高濕是威脅深井礦工的主要環境因素，而礦工的心理狀況及睡眠狀況也不容樂觀。在CJEM深地醫學實驗室的研究證實了深地低本底輻射環境可以抑制多種細胞的增殖，轉錄組學研究還顯示細胞在深地環境下分子水平的改變比時間帶來的改變更為明顯。

然而，無論國際深地實驗室還是深地醫學研究中心開展的探索工作，這些研究均停留在比較粗淺、簡單的現象觀察上，尚談不上機制的研究，更談不上有效的為深地作業礦工的健康保駕護航。即便是礦工職業健康相關的研究，也幾乎未見專門涉及深井礦特定環境健康效應的研究。因此，研究深地原位生命體的生物學特征與代謝規律，以及礦工或其他生命體在深地特殊環境下的生物學特征與適應機制，尤其是深地環境對礦工及其疾病的影響及其程度，將越來越迫切的需要加以關注。特別是DULIA-bio成立以來，在深地環境下發現的多種生物醫學現象，更是引起了科學界的興趣。

目前，除了正在開展深地生物醫學研究的深地實驗室外，澳大利亞、韓國和阿根廷分別建設的Stawell、Y2L和ANDES地下實驗室也公布了其生物醫學研究計劃。清華大學于2021-05-29召開了第1屆深地低本底生物研究會議，為今后開展深地生物醫學研究梳理了方向，標志著我國學者也開始關注深地環境的生物及健康效應。隨即，四川大學華西醫院于2021-06-17也召開了第1屆深地微生物與生命健康的研討會，標志著該領域研究方向也漸受科學界的重視。

從目前研究結果看，地下環境特別是深地環境對人的影響有不利因素，也有更多的可取之處。事實上，人類利用地下環境治療疾病的歷史由來已久。19世紀以來興起的洞穴療法，更是在中歐及東歐地區方興未艾。地下微生物的研究，也在抗生素的開發、石油開采等方面具有潛在的應用價值。當前地下實驗室發現的生物數據顯示，低本底輻射環境下基因的不穩定性增加及腫瘤細胞的敏感性，這對特定疾病(例如腫瘤)的治療是否有利；果蠅壽命的延長，對減緩代謝從而延長人類壽命是否有利；深地特有的微生物，是否有害或者具有潛在的開發利用價值，這些隱藏在深地的奧秘，都有待于深入探索。

4.2 展 望

深地醫學是向深地進軍重大國家戰略實施的有力保障，然而，目前還處于萌芽或起步階段，仍需要科學家的深入探索與實踐，本文梳理出如下幾個迫切需要開展的研究方向：① 礦井深地環境的基本環境表征及建模，為定性定量研究深地環境特征提供基礎條件，進而從健康的角度對“深地”的概念進行界定；② 高溫、高濕環境下礦工的應激機制，以及高溫、高濕的適應性訓練及防護；③ 深地低本底輻射環境下，生物的遺傳及進化特征，腫瘤損傷因素敏感性改變及應答機制，輻射對生物影響閾值的鑒定等；④ 礦井作業空間微生物分布特征，深地環境對本底微生物及外侵微生物的互作關系，以及深地致病微生物的防控；⑤ 深地環境粉塵分布特點、致病機制以及塵肺防治研究；⑥ 深地特種環境職業健康相關設備及技術的研發。

目前世界上深地實驗室主要分為2種類型，即真正的地下實驗室和位于既有隧道內的實驗室。如美國的WIPP和加拿大的SNOLAB實驗室為真正位于地下的實驗室，而意大利的LNGS和我國的CJPL屬于隧道型。筆者課題組在建設的CJEM深地醫學實驗室開展研究獲得初步成功后，在本底輻射最低的CJPL(世界上巖層覆蓋最厚的地下實驗室)專門留置的醫學實驗室也即將完成裝修并投入使用。CJPL深地醫學實驗室包含埋深1 000，1 500，2 400 m的研究點和地表對照實驗室(圖6，表1)。CJEM也將在前期一個觀察點的基礎上，增加不同深度的觀察點。由于高溫是目前迫切需要解決的對人體影響的主要環境因素，因此課題組與宜賓國家應急救援隊開展合作，擬利用模擬的地下高溫環境開展高溫應激機制及防護研究。為定量研究深地環境參數，課題組還設計并開發了用于模擬深地環境的初級版，即可模擬氣壓和氣相的深地醫學模擬艙。

圖6 錦屏深地醫學地下實驗室概覽

表1 錦屏深地醫學研究基地各實驗室面積

這些實驗室和模擬裝置建設的完成，必將有助于對不同深度賦存環境影響人體健康程度和疾病發生發展的基本規律的研究，進一步延伸和拓展深地科學和生物學、醫學研究范疇，從而揭開深地環境的生物醫學奧秘，進而以防護其有害因素，利用有益因素服務于我國乃至世界的深地空間和資源戰略。作為深地先行軍的深井礦工，將是深地醫學研究成果的最先受益者。這些全新領域研究的開展，還將大大提高對地球生命-環境-資源相互作用的客觀認識，為實現向地球深部進軍的“深地”科技戰略提供理論依據和技術支撐。