微重力環境下骨質流失及對抗措施研究進展

楊世超 宋慕格 王龍飛 王中琪 吳西 高玉海,3 陳克明,3*

1.甘肅中醫藥大學中醫臨床學院,甘肅 蘭州 730000 2.中國人民解放軍聯勤保障部隊第九四〇醫院基礎醫學實驗室,甘肅 蘭州 730050 3.甘肅省干細胞與基因藥物重點實驗室,甘肅 蘭州 730050

隨著航空航天事業的快速發展,人類對太空的探索日益頻繁和深入,太空夢、飛天夢越來越近。然而太空飛行期間,航天員暴露在微重力環境,面臨著心理和身體的雙重挑戰[1]。微重力環境會引起貧血、心律失常、心腦血管功能紊亂等一系列生理問題[2-4]。其中,太空環境引起的骨質流失是對宇航員健康威脅最大的醫學難題之一。太空微重力環境破壞了宇航員體內的骨穩態,使骨形成減少而骨吸收增加。20世紀70年代中期,人們首次發現微重力環境引起骨量丟失之后,雖然嘗試進行了預防性鍛煉,但在飛行任務結束后,宇航員的肌肉力量和骨密度等多項健康治標仍會受到影響[5]。如今,研究者致力于探索太空飛行期間人體發生的生理變化并制定相應的對抗措施。在失重狀態下,承重骨缺乏機械應力,導致承重骨骨質流失,骨量丟失一直是宇航員所面臨的重大健康挑戰。

本文將綜述微重力環境下引起的骨質流失現狀、地面常用模擬技術、機制研究,并對微重力引起的骨量丟失對抗措施加以概述。

1 微重力環境引起的骨量流失

人體在微重力環境中極易發生骨量流失,真實的太空環境最能反映骨骼的變化情況。宇航員骨量流失主要發生在承重骨。一組來自國際空間站的監測數據顯示,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]。另一組執行太空任務的13名宇航員中,脊柱和髖關節骨質為每月流失1%～1.5%,這種骨量流失的速度相當于地面上絕經期婦女的10倍,超過地面上原發性老年骨質疏松1年的骨流失量(0.5%～1%)[7]。如此高的骨量流失率嚴重影響宇航員執行長期太空飛行任務及進行艙外活動的能力,并且骨量隨著任務持續時間持續丟失。通過檢測17位宇航員脛骨骨量變化發現,太空飛行前兩周骨吸收明顯增加,飛行時長大于5個月后骨量顯著下降,任務大于6個月時骨量丟失速率加快[8]。

與上述人類的研究結果相一致,通過監測太空實驗動物骨骼變化,同樣也是負重部位骨量減少最為顯著。經歷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%,而較少負重的椎骨減少不明顯[9]。另外,Coulombe等[10]研究發現,骨量丟失隨小鼠的年齡的不同而變化,經歷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鍵考慮因素。

2 微重力模擬技術

太空實驗是研究微重力環境骨量丟失最具生理相關性的方法,但飛行次數有限、樣本量小、太空作業任務繁重、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驗研究骨量丟失。雖然地面模擬重力實驗不能真實地反映人體變化的實際情況,但也具有一定的參考價值。以下是地面模擬微重力技術常用的幾種方法。

臥床模型被廣泛用于模擬微重力對各種生理系統的影響,特別是對骨骼、肌肉和心血管系統的影響。起初是水平臥床休息被用來模擬人體在失重狀態下的生理活動,后來發現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,人工創造了接近零重力的條件[12]。這項技術很好地再現了失重的多種影響,例如,缺乏身體運動、消除垂直血管梯度等。此外,干浸可以實現長達56 d或者更長的實驗,同時再現與臥床模型實驗類似的微重力誘導的生理效應[13]。

尾巴懸吊導致的后肢廢用模型即嚙齒動物后肢廢用是微重力模擬的最常見動物模型,其中大鼠和小鼠最為常用。在實驗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,使后肢處于無機械負荷的半廢用狀態[14]。此模型老鼠每月骨質丟失量與實際太空環境很接近,且有望可以預測太空飛行對人類的影響,具有很好的適用性、可重復性,它能夠解決因飛行空間有限、費用昂貴等一系列問題[15]。該模型缺點在于,長時間的尾部懸吊,會導致實驗鼠的進食量逐漸減少,同時也會影響老鼠的情緒,進而干擾實驗結果。

細胞模型主要有兩種,自由落體狀態和傾斜旋轉,分別需要借助自由落體機和回轉儀。自由落體狀態模型是當細胞在自由落體機中的長真空管自由下落至最終速度時,它們無法對重力做出反應,從而使細胞處于功能失重狀態。傾斜旋轉模型是借助旋轉儀以足夠的速度旋轉樣品來模擬微重力,培養基與旋轉容器壁以相同的角速度旋轉,產生層流流體,使剪切應力最小化,調節旋轉頻率還可以防止顆粒沉降,從而使細胞在接近零重力的情況下保持在容器的中心。

3 微重力環境引起的骨量流失的發生機制

細胞和動物模型的建立提高了我們對微重力誘導骨量丟失背后的分子機制的理解,揭示了各種可能的治療靶點,同時為藥物治療提供了理論依據。

3.1 微重力環境下的骨代謝和鈣離子代謝

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

微重力環境下,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,導致骨質流失,并且男女性別之間并無明顯差異[18]。

3.2 骨腔隙-小管系統

骨腔隙-小管系統(LCS)中的溶質轉運是骨細胞機械傳感和信號調節的基本途徑,微重力條件下傳質不足會刺激破骨細胞,這可能是導致骨質流失的根本原因。

研究發現,微重力下溶質轉運速率比地面低2～3個數量級[19],而且不同大小的重力溶質轉運速率也會不同[20]。Price等[21]結合實驗和數學方法將LCS中的溶質轉運進行量化和直接觀察,為進一步研究機械刺激調節骨細胞反應的機制提供了基礎。另外,Rux等[22]發現,骨腔隙長度和老鼠的年齡有關,實驗采用熒光染料標記法比較年輕(5月齡)小鼠和老年(22月齡)小鼠,發現骨腔隙長度隨著小鼠年齡的增長而減小。

3.3 成骨細胞和破骨細胞

微重力環境中,成骨細胞的增值和分化受抑制,破骨細胞的生成和功能增強。在正常情況下,骨重塑是一個適應性和平衡的過程,其中骨吸收和形成相結合以調節骨組織的穩態。整個過程依賴于成骨細胞和破骨細胞協同作用,分別調節骨形成和骨吸收[23]。

3.3.1成骨細胞在為期4 d的太空飛行中,成骨細胞中的肌動蛋白細胞出現骨架塌陷和黏著斑喪失,由于細胞骨架完整性對于調節細胞周期的基因的信號轉導和表達至關重要,因此肌動蛋白細胞骨架結構和細胞黏附的喪失可以阻止成骨細胞在空間中的增殖[24]。骨髓間充質干細胞向成骨細胞的增值和分化,在微重力環境中也會受到抑制[25],成骨細胞分化標志物的基因表達受到抑制,包括骨形態發生蛋白(BMP)和Runt相關轉錄因子2(Runx2)[26]。另有一項關于初級纖毛的研究,在微重力模擬環境中,成骨細胞上的初級纖毛消失,初級纖毛在骨代謝中起感覺作用,保護初級纖毛,或許能夠抑制微重力引起的骨量流失[27]。

長鏈非編碼RNA(lncRNA)是一種長度為200～100 000個核苷酸的非編碼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,在微重力環境中,它與骨質疏松有著密切的聯系。成骨細胞機械傳感lncRNA中的Neat1在模擬微重力下明顯減少,Neat敲除的小鼠體內骨形成受到嚴重抑制,與對照組相比,骨密度、小梁厚度、小梁體積均降低[28]。在多項微重力模擬實驗發現,長鏈非編碼RNA人肺腺癌轉移相關轉錄本1(lncRNA MALAT1),可以通過多個途徑促進成骨分化,包括靶向調節miR-494和激活SP1/TLR2/BMP2通路,促進血管生成和成骨分化[29],靶向調節miR-96/Osx軸促進骨髓間充質干細胞成骨分化[30],靶向下調miR-124的表達,促進成骨分化等等[31]。此外,lncRNA H19在微重力模擬環境的表達下調促進了成骨基因的表達[32]。

另外,Piezo1機械傳感器在骨形成中起著關鍵作用。成骨細胞譜系細胞中敲除Piezo1會破壞成骨細胞的成骨作用,并嚴重損害骨骼結構和強度,在模擬微重力處理通過抑制Piezo1的表達降低了成骨細胞的功能[33]。

3.3.2破骨細胞一項有關破骨細胞的太空實驗,在牛骨切片上培養的成熟破骨細胞與它們的相對地面對照相比,分別在第5天和第7天的太空飛行后,出現對微重力的吸收活性增強,并且微重力誘導骨吸收相關基因的表達顯著增加,以及膠原蛋白端肽生成增加[34]。與上述太空研究結果相一致,微重力模擬環境同樣促進了破骨細胞的生成和功能[35]。

3.3.3其他細胞微重力環境除了影響成骨細胞和破骨細胞,對其他細胞也有一定的影響。在時長28 d微重力模擬實驗中,大鼠骨髓間充質干細胞Runx2表達降低,成骨潛力降低[36]。微重力環境還對單核巨噬細胞發育和增值具有抑制作用,并且對單核巨噬細胞向破骨分化具有促進作用[37]。

4 微重力環境引起骨量流失對抗措施

4.1 運動鍛煉

人們最早發現太空環境引起骨量丟失之后,便進行運動鍛煉來預防骨質疏松。一項太空研究表明,宇航員每日進行2.5 h的運動鍛煉可以延緩骨密度度的下降[38]。地面模擬實驗有著相同的結果,受試者在為期17周的臥床實驗中,運動組的腰椎、髖骨、跟骨、盆骨的骨密度均高于對照組[39]。每日適量的運動鍛煉,能夠在一定程度上對抗骨質流失,但并不能完全抑制[40]。所以,運動鍛煉有必要聯合其他方法綜合對抗骨質流失,例如雙膦酸鹽作為運動的補充劑,可以在長期飛行過程中保護骨骼[41-42]。

4.2 飲食補充

太空飛行中失重環境所導致的鈣、維生素D和維生素K缺乏,適量的補充這些微量元素能夠很好的預防微重力引起的骨質流失[43-44]。而且科學合理的攝入植物和動物的優質蛋白也是維持骨骼健康的重要因素[45]。

4.3 藥物治療

藥物治療對于未來的太空探索至關重要,尤其是因為藥效學和藥代動力學地面和太空有所不同。已確定多種藥物可通過促進成骨細胞分化、成熟和活性以及抑制破骨分化來預防骨質疏松。

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

中醫藥是我國防治微重力環境骨流失的特色方法,多項研究表明,許多中藥及其提取物有著非常好的抗骨質疏松作用,在改善疼痛、提高骨密度等方面具有獨特的優勢[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、機械強度等方面比對照組均顯著提高[54]。還有骨碎補總黃體酮[55]、淫羊藿苷[56]等多種中藥對骨量丟失均具有防治作用。中醫針灸也有著很好的效果,將30只大鼠隨機分為3組,健康對照組、尾懸吊后肢卸載組、電針治療組,運用電針刺激BL20、BL23和SP6,每次30 min,持續30 d,電針治療組BV/TV和Tb.N下降數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

應用一些特殊的裝置,例如機械加載裝置、低頻脈沖電磁場等,都具有對抗微重力環境骨量丟失的作用,因其安全可靠,已被廣泛開發于多種類型。

例如,太空飛行期間,使用機械加載裝置,每天對宇航員的下肢施加短時間的外部脈沖負荷,之后對宇航員的骨鈣和股骨頸進行了飛行前和飛行后BMD測量,與飛行前相比,接收機械刺激的宇航員骨密度在整個飛行期間保持不變,而沒有接收機械刺激的宇航員骨密度下降了7%[58]。李文苑等[59]實驗發現,應用50 Hz 0.6 mT的低頻脈沖電磁場可以有效提高尾吊大鼠的骨密度和生物力學值,促進大鼠血液中骨形成標志物水平,提高成骨細胞含量。陶飛飛等[60]在模擬微重力的環境下,運用變頻振動,觀察對體外培養的成骨細胞增值和分化的影響,發現90 Hz和5～90 Hz的變頻振動對微重力模擬環境成骨細胞的增值功能具有促進作用,45 Hz和5～90 Hz變頻振動對微重力模擬環境成骨細胞的分化功能具有一定的保護作用。

5 小結

伴隨著航空航天事業的蓬勃發展,人類對太空探索的不斷深入,人們對微重力環境引起的骨量流失有了更加全面的認識。航天研究者借助動物、細胞等模型,揭示了微重力引起的骨質流失背后的分子機制,為探尋骨量流失對策提供理論依據,從而制定對抗骨量丟失的方案,保障宇航員的骨骼健康和工作效率。骨質流失源于成骨細胞的骨形成減少和破骨細胞的骨吸收增加,但目前大多文獻報道主要集中在破骨細胞。微重力中破骨細胞活性增加的初步觀察提出了有希望的治療目標,因此,破骨細胞在骨質流失中的作用需要進一步闡明。