太空微重力環(huán)境誘導(dǎo)骨丟失的研究進展

劉 菁，冷非凡，高玉海，陳克明

近年來人類對太空環(huán)境的探索逐步加深，國內(nèi)外航空事業(yè)也不斷取得新的突破，但與此同時太空微重力對宇航員身體帶來的健康威脅也愈加明顯，其中骨丟失已成為影響宇航員健康的首要風(fēng)險。骨骼是支撐機體和維持生命活動的重要器官，它賦予我們基本的形態(tài)并幫助我們完成各項運動，對力學(xué)載荷十分敏感，流體剪切力、牽拉力、失重、超重等力學(xué)刺激都可影響骨骼的動態(tài)平衡[1]。太空的微重力環(huán)境會導(dǎo)致宇航員骨丟失，降低骨密度，增加骨脆性，進而誘發(fā)骨質(zhì)疏松。微重力環(huán)境引起的骨丟失已成為航天生理學(xué)和空間醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的核心問題?；谝陨媳尘?，本文綜合介紹目前關(guān)于微重力環(huán)境引起骨丟失方面的工作進展，以期為相關(guān)防治工作的開展提供一些思路和理論依據(jù)。

1 太空微重力環(huán)境對宇航員骨代謝的影響

人體骨骼在正常環(huán)境中，由成骨細胞承擔(dān)的骨形成和破骨細胞承擔(dān)的骨吸收在大多數(shù)情況下處于動態(tài)平衡，而當(dāng)處于太空微重力環(huán)境中，骨骼幾乎完全失去重力作用，為適應(yīng)這一變化而發(fā)生一系列改變，如骨吸收的增加和骨形成的減少[1]。與人體因衰老和性腺功能下降導(dǎo)致的原發(fā)性骨質(zhì)疏松不同，微重力環(huán)境引起的是一種廢用型和繼發(fā)性骨質(zhì)疏松，微重力環(huán)境引起的骨丟失速度比在地面上更快且更難以恢復(fù)。為了探尋太空環(huán)境中骨丟失的具體機制，多位學(xué)者對宇航員飛行前后的各項生理指標進行密切追蹤，發(fā)現(xiàn)宇航員任務(wù)結(jié)束后唾液、血液和尿液中鈣離子水平升高現(xiàn)象極為普遍[2]，且有試驗結(jié)果表明，尿液中礦物質(zhì)變化較大的宇航員骨礦物質(zhì)密度降低幅度更大[3]，這一現(xiàn)象說明鈣離子的流失似乎是太空環(huán)境中骨丟失的重要環(huán)節(jié)。Smith等[4]認為，太空環(huán)境中身體的低負重增加了骨吸收，這使得大量的鈣從骨骼中釋放出來，從而增加了血鈣濃度，他們同時發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)甲狀旁腺激素和1，25-二羥維生素D水平也均被下調(diào)，而維生素D的下調(diào)導(dǎo)致腸鈣吸收的減少，這進一步誘導(dǎo)了骨丟失的發(fā)生。然而宇航員并非所有骨骼都會發(fā)生骨丟失現(xiàn)象，多項研究表明微重力環(huán)境導(dǎo)致的骨丟失有明顯的部位選擇性。在美國和俄羅斯對宇航員長期飛行后不同部位骨骼變化情況的合作研究發(fā)現(xiàn)，腰椎、骨盆等下肢骨出現(xiàn)了骨丟失現(xiàn)象，而顱骨卻出現(xiàn)了增高趨勢[5-6]。Oganov等[7]進一步研究發(fā)現(xiàn)顱骨和頸椎出現(xiàn)了骨密度增加的趨勢，宇航員骨丟失現(xiàn)象僅發(fā)生在負重的下肢骨，這被稱為骨密度移位現(xiàn)象，歸因于骨組織為應(yīng)對機械力改變。此外，重力缺乏會使宇航員承重骨機械載荷降低，但不同部位承重骨骨丟失有差異，位置越低骨丟失越嚴重[6]。微重力環(huán)境對宇航員不同部位骨骼的影響差異顯著，影響方式也復(fù)雜多樣，具體機制還需進一步探究。

2 地面模擬微重力環(huán)境引起的骨丟失現(xiàn)象

盡管在空間站進行研究可以直接展示飛行中骨丟失的真實狀態(tài)，但是由于樣本有限、成本高昂和空間飛行的復(fù)雜性等原因，更多學(xué)者選擇在地面開展模擬微重力環(huán)境的各種實驗來研究微重力環(huán)境誘導(dǎo)骨丟失的機制和防治措施。目前地面模擬微重力環(huán)境的研究方式主要分為長期臥床模型、鼠尾懸吊模型和細胞模型。

2.1長期臥床模型 多數(shù)人在每日的日?；顒又杏写蟀氲臅r間都是在直立狀態(tài)下進行的，這時脊椎是垂直受力的，只有在約8 h的睡眠時間中脊椎受力方向是水平的，持續(xù)的長時間臥床狀態(tài)會使體液向上移位，下肢機械載荷減少。在對臥床志愿者身體各項指標的追蹤中發(fā)現(xiàn)，從臥床休息開始尿液中鈣排泄量就出現(xiàn)增加，同時鈣吸收減少，骨骼結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，骨密度降低，這與太空微重力環(huán)境造成的廢用型骨質(zhì)疏松極為相似[8]。不僅如此，長期臥床模型與太空飛行具有同樣的位點特異性。研究發(fā)現(xiàn)，人的腰椎、股骨、脛骨、跟骨等承重骨在長期臥床后會出現(xiàn)明顯的骨丟失現(xiàn)象，并且丟失量隨臥床時間延長而增多，但顱骨等非承重骨受影響較小[9]。也有研究人員對24名男性受試者進行60 d臥床研究，來評估他們橈骨和脛骨的皮質(zhì)面積、厚度和骨密度，結(jié)果表明臥床狀態(tài)對脛骨遠端的影響最強，骨密度損失的同時皮質(zhì)面積和厚度也出現(xiàn)減少[10]，而在同年對24名女性受試者的相同研究中也證實了這一結(jié)果[11]。但是不同性別受試者在微重力環(huán)境下所受的影響是否相同還需要進一步驗證，我們知道，正常狀態(tài)下男性的骨密度和骨含量均高于女性，然而微重力環(huán)境對骨代謝的影響是否會因性別產(chǎn)生不同的差異？有研究人員結(jié)合5項臥床研究數(shù)據(jù)就面積骨密度、骨生化和腎結(jié)石風(fēng)險進行分析，結(jié)果表明男性和女性在臥床休息時的骨骼反應(yīng)是相同的[12]。

臥床模型在幫助我們更深入了解微重力環(huán)境對骨密度、骨標志物和鈣平衡的影響及其機制的同時，還可用臥床模型來尋找應(yīng)對骨丟失的措施，如臥床期間進行跳躍訓(xùn)練可以有效抑制骨丟失[13]，通過側(cè)面交替的阻力振動鍛煉也可以有效防止臥床期間的脛骨骨丟失等[14]。臥床模型的優(yōu)點在于可以實時跟蹤觀察受試者的各項指標變化，但是臥床模型不可用于研究宇航員飛行期間電磁輻射和帶電粒子對其帶來的威脅等其他生理問題。

2.2鼠尾懸吊模型 鼠尾懸吊模型是目前常采用模擬微重力環(huán)境的動物模型，在實驗中將實驗動物的尾部懸吊，頭部向下傾斜30°，靠前肢支持身體全部重量，后肢則處于無負荷的半廢用狀態(tài)。尾吊狀態(tài)下的小鼠會發(fā)生頭部液體的轉(zhuǎn)移和后肢肌肉骨骼的卸載，從而會在全身多個生理系統(tǒng)中產(chǎn)生一系列變化來適應(yīng)這種狀態(tài)的改變，如小鼠后肢的卸荷會導(dǎo)致負重后軀肌肌肉組織的選擇性萎縮，進而減少肌肉通過肌腱附著在骨骼上的力，這就會誘導(dǎo)該部位的骨丟失。研究發(fā)現(xiàn)，空間飛行和鼠尾懸吊都可以對高周轉(zhuǎn)率的松質(zhì)骨快速產(chǎn)生影響，而對我們正常負荷狀態(tài)的承重骨如脛骨與跟骨影響較大[15]。有趣的是，尾吊小鼠骨吸收指數(shù)和凈骨丟失指數(shù)持續(xù)增加[16]，這進一步印證了在宇航員身上觀察到的負鈣平衡和骨密度下降與骨吸收增加的關(guān)系緊密。而后科研工作者對懸吊小鼠后肢進行詳細的組織形態(tài)學(xué)分析，結(jié)果證實骨密度減少是因縱向骨的生長和骨形成的抑制及骨吸收的增加[17]。

目前，鼠尾懸吊模型已被廣泛用于研究骨骼對負重反應(yīng)的生理變化及分子機制，如失重狀態(tài)下大鼠的骨結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的動態(tài)變化[18]，小鼠皮質(zhì)骨骨丟失的機制[19]，以及X射線輻射與微重力聯(lián)合作用對骨骼的影響等。Cunningham等[20]對成年大鼠進行尾吊發(fā)現(xiàn)，尾吊后大鼠的骨小梁體積分數(shù)會出現(xiàn)顯著降低。Cabahug-Zuckerman等[21]研究結(jié)果表明尾吊可以降低小鼠血漿中的骨鈣素和堿性磷酸酶水平，小鼠尿鈣增加同時骨形成相關(guān)指標降低，骨吸收指標如破骨細胞數(shù)量等增加。不僅如此，許多試驗人員依據(jù)鼠尾懸吊模型中骨丟失的分子機制，給出了很多治療措施，如本實驗室研究發(fā)現(xiàn)，50 Hz 0.6 mT的脈沖電磁場可以通過sAC/cAMP/PKA/CREB信號通路顯著改善尾吊大鼠的骨丟失[22]，Sun等[23]報道35 Hz的局部振動也可以有效減緩尾吊大鼠的骨丟失現(xiàn)象，以及淫羊藿苷[24]和1,25-二羥維生素D3[25]等藥物可以預(yù)防失重誘導(dǎo)的骨丟失現(xiàn)象。鼠尾懸吊模型是一種較為理想的模擬微重力環(huán)境方法，與航天飛行中觀察到的骨丟失現(xiàn)象高度近似，并且具有廣泛的適用性，它可以幫助我們研究因飛行空間有限和因倫理問題無法進行的實驗，但是缺點在于尾吊對小鼠脊椎的影響還不夠明確，并且尾吊小鼠的應(yīng)力響應(yīng)不一致及對小鼠體質(zhì)量、骨吸收等方面的影響差異較大，此外尾吊還會對小鼠的情緒產(chǎn)生影響，進而干擾實驗結(jié)果。

2.3細胞模型 成骨細胞和破骨細胞是參與骨代謝的重要功能細胞，在骨代謝過程中破骨細胞貼附在舊骨上進行吸收，成骨細胞合成新骨，骨組織不斷重建來維持人體正常骨量代謝。為更深入了解微重力環(huán)境對骨代謝的影響機制，人們進行了大量細胞學(xué)研究。三維回轉(zhuǎn)儀是用來模擬微重力環(huán)境對細胞影響的常用工具，研究表明三維回轉(zhuǎn)儀模擬的微重力環(huán)境可顯著抑制成骨細胞活性和形成鈣化結(jié)節(jié)的能力[26]；Gioia等[27]使用三維回轉(zhuǎn)儀培養(yǎng)人類原代成骨細胞，發(fā)現(xiàn)這種模擬微重力環(huán)境抑制了Runx2和BMP2等基因的表達并影響了細胞周期。Yan等[28]發(fā)現(xiàn)，模擬微重力環(huán)境顯著減少了骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖，細胞周期阻滯在G2/M期，且凋亡細胞增多。張曉鈾等[29]對模擬微重力環(huán)境下的成骨細胞周期進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)G1期細胞數(shù)增多，S期與G2+M期細胞數(shù)量顯著減少。微重力環(huán)境除對細胞活性、周期和凋亡等生理指標產(chǎn)生眾多影響外，還改變了成骨細胞的形態(tài)和細胞骨架。航天器搭載的成骨細胞形態(tài)與地面培養(yǎng)的正常細胞相比，形態(tài)異常，應(yīng)力纖維數(shù)量減少，核結(jié)構(gòu)明顯改變[30]，而地面模擬微重力環(huán)境實驗也觀察到成骨細胞微絲結(jié)構(gòu)解聚，張力纖維減少且排列紊亂等現(xiàn)象[31]。

以上結(jié)果表明，微重力環(huán)境從多個方面抑制了成骨細胞的功能，但在相同環(huán)境中卻發(fā)現(xiàn)了破骨成熟相關(guān)基因表達量快速增長的現(xiàn)象[32]，Sambandam等[33]發(fā)現(xiàn)，模擬微重力環(huán)境下c-Jun、MITF和CREB等與破骨細胞活性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子均出現(xiàn)表達量的上調(diào)。狄升蒙等[34]使用三維回轉(zhuǎn)儀處理破骨細胞前體細胞，發(fā)現(xiàn)微重力組的G1期細胞比例增加且抗酒石酸酸性磷酸酶陽性率升高，表明微重力環(huán)境促進了破骨細胞前體細胞向破骨細胞的分化。上述研究結(jié)果表明，微重力環(huán)境引起的骨丟失是通過減少骨形成和增加骨吸收共同實現(xiàn)的，這進一步解釋了微重力環(huán)境引起骨丟失的發(fā)生機制。

3 微重力環(huán)境對骨代謝相關(guān)信號通路的影響

3.1RANK/RANKL/OPG信號通路 多項研究表明，微重力環(huán)境下骨形成標志物降低的同時骨吸收標志物顯著增高，而RANK/RANKL/OPG信號通路在調(diào)控成骨細胞骨形成與破骨細胞骨吸收的平衡中起著重要的相互調(diào)節(jié)作用。其中RANKL可以和RANK結(jié)合來促進破骨細胞前體細胞分化為成熟破骨細胞，而成骨細胞分泌出的OPG可以與RANKL競爭性結(jié)合來抑制破骨細胞分化成熟。微重力環(huán)境會打破RANK/RANKL/OPG信號通路的平衡狀態(tài)[34]，如一項鼠尾懸吊模型研究發(fā)現(xiàn)，促進破骨細胞分化的RANKL、RANK等骨髓細胞因子含量顯著升高，成骨標志物OPG則明顯下降，RANKL/OPG增高使破骨細胞分化而增強骨吸收[35]；還有研究報道，尾吊大鼠產(chǎn)生RANKL的骨細胞數(shù)量增加，從而促進了骨小梁表面的骨吸收，誘導(dǎo)了骨丟失[36]?？蒲腥藛T在空間站進行的小鼠搭載實驗對RANKL抑制劑骨保護素OPG測試結(jié)果表明，抑制RANKL也許可以作為抵抗太空飛行對宇航員骨骼健康有害影響的一種可行方法[21]。

3.2BMP/Smads信號通路 BMP/Smads信號通路是調(diào)控前成骨細胞分化、參與骨形成的關(guān)鍵信號通路，其中BMP是參與骨形成和骨骼修復(fù)的重要轉(zhuǎn)錄因子，它可以通過經(jīng)典的Smads信號通路促進骨形成，BMP/Smads信號通路是骨骼形成必須的條件，研究發(fā)現(xiàn)敲除Smad1/5/8的小鼠出生時因軟骨發(fā)育障礙而死亡[37]。多項研究表明，微重力環(huán)境顯著抑制了BMP/Smads經(jīng)典信號通路包括BMP2蛋白表達及Smad1/5/8 磷酸化、入核復(fù)合體形成，與此同時，p-Smad1/5/8的核轉(zhuǎn)位及其轉(zhuǎn)錄活性也被降低[38-39]。Zhang等[39]將人骨髓間充質(zhì)干細胞送上衛(wèi)星并誘導(dǎo)其向成骨細胞分化，發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境降低了BMP2的表達和Smad1/5/9的活性，微重力環(huán)境通過BMP/Smads信號通路抑制了骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞的分化。Dai等[40]研究表明，微重力環(huán)境下Runx2對BMP2的響應(yīng)下調(diào)，前列腺素E合成降低，BMP2合成代謝途徑被顯著減弱。最近研究發(fā)現(xiàn)，抑制miR-494可以促進BMP2對成骨細胞的誘導(dǎo)作用，部分修復(fù)微重力環(huán)境下成骨細胞的分化障礙[41]。有研究證明，BMP家族中BMP2不僅可以響應(yīng)力學(xué)刺激[42]，對細胞骨架也有一定的調(diào)節(jié)作用[43]。Xu等[44]研究證實了模擬微重力環(huán)境可以通過解聚微絲骨架進而影響B(tài)MP2誘導(dǎo)的Smad1/5/8磷酸化、入核和Smads活性，通過抑制BMP2/Smads信號傳導(dǎo)影響成骨細胞的成骨活性。

3.3Wnt/β-catenin信號通路 Wnts是一類可以傳遞多種力學(xué)信號的分泌性糖蛋白[45]，它通過胞膜受體以依賴或非依賴β-catenin的方式激活多個信號通路，進而調(diào)控細胞的增殖與分化。多項研究表明，Wnt信號通路在微重力環(huán)境下對骨細胞的增殖與分化過程發(fā)揮關(guān)鍵的信號調(diào)節(jié)作用。楊先炯等[46]模擬微重力環(huán)境培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細胞，發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境下調(diào)Wnt3a和胞質(zhì)中β-catenin的表達，Wnt信號通路下游基因Cyclin D1的表達也被抑制，提示W(wǎng)nt3a/β-catenin信號通路參與了微重力環(huán)境誘導(dǎo)的間充質(zhì)干細胞增殖抑制。Li等[47]的大鼠尾吊模型研究同樣證實了尾吊大鼠中的Wnt信號通路受到抑制，而Wnt信號通路抑制物DKK4出現(xiàn)高表達，LncRNA-H19出現(xiàn)低表達。進一步研究發(fā)現(xiàn)，尾吊造成的LncRNA-H19低表達是DKK4上調(diào)和Wnt信號通路被抑制并引起骨丟失的重要原因。一項研究發(fā)現(xiàn)，模擬微重力環(huán)境干擾了骨細胞的細胞骨架，抑制了β-catenin的核轉(zhuǎn)位，Wnt/β-catenin信號通路陽性調(diào)節(jié)因子Smads表達被降低，而負性調(diào)節(jié)因子NMP4/CIZ表達增加[48]。有研究報道顯示，三維回轉(zhuǎn)儀處理的破骨細胞產(chǎn)生的衍生外泌體OC-Exos通過干擾Wnt/β-catenin信號通路而抑制了MC3T3-E1細胞的成骨分化[49]?？傊?，微重力環(huán)境下Wnt/β-catenin信號通路對骨組織細胞的調(diào)控機制十分龐雜，微重力環(huán)境會對Wnt信號通路的多個上游和下游基因產(chǎn)生影響，從而調(diào)節(jié)骨細胞的增殖與分化。

4 結(jié)論與展望

雖然宇宙飛船有效阻擋了溫度和輻射等極端環(huán)境，但是失重狀態(tài)卻難以改變，其中失重導(dǎo)致的骨丟失更是人類關(guān)注的重大問題之一。在微重力環(huán)境下，機體骨鈣代謝紊亂，承重骨發(fā)生明顯的骨丟失并且難以恢復(fù)，這種失重造成的骨丟失甚至骨質(zhì)疏松嚴重威脅著宇航員的身體健康，阻礙航天事業(yè)的發(fā)展。多年以來，航天醫(yī)學(xué)專家不斷追尋微重力環(huán)境誘導(dǎo)骨丟失的形成機制，從臨床、動物和細胞3個方面結(jié)合分析來尋求空間骨丟失的成因和解決方法。微重力環(huán)境引起骨質(zhì)疏松的原因與骨形成的減少和骨吸收的增加密不可分，并且涉及RANK/RANKL/OPG、BMP/Smads、Wnt/β-catenin等多條信號通路，但由于空間環(huán)境的多樣性和骨組織代謝的復(fù)雜性，失重性骨丟失還需要國內(nèi)外學(xué)者研發(fā)出更貼合空間飛行狀態(tài)的地面模擬裝置，并進行更深入探索，以保障宇航員的身體健康和工作效率。