航天失重對人體的生理影響及對抗研究進(jìn)展

呂松澤，李小濤，王惠娟，王顏晴，張劍鋒，劉書娟

(1西安電子科技大學(xué)特殊環(huán)境生理與體能訓(xùn)練軍民融合創(chuàng)新研究中心，陜西 西安710126； 2中國航天員科研訓(xùn)練中心航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

中國載人航天已進(jìn)入空間站時代，長期航天飛行將變得更為頻繁，同時航天員的安全與健康保障也面臨更高挑戰(zhàn)[1-2]。重力環(huán)境可導(dǎo)致人體組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的適應(yīng)，但這種去重力性適應(yīng)將使航天員重返重力環(huán)境時面臨諸多危險，因此必須采取措施對抗失重所致的不良生理效應(yīng)[3]。雖然運(yùn)動鍛煉是當(dāng)前最為有效的失重對抗策略，但其并不能解決所有問題，且耗時較多，消耗資源過多。因此，采取多種策略聯(lián)合應(yīng)對的系統(tǒng)與整合，或許是未來失重防護(hù)的必經(jīng)之路[4]。本文重點(diǎn)闡述肌肉、骨骼、心血管及神經(jīng)等運(yùn)動相關(guān)系統(tǒng)的去重力適應(yīng)性改變，同時回顧包括運(yùn)動鍛煉在內(nèi)的失重對抗措施和防護(hù)效果，并提出失重防護(hù)研究的未來發(fā)展方向。

1 航天失重對人體的生理影響

1.1 航天失重對肌肉骨骼的影響

骨骼的主要功能是支撐各組織器官并完成身體活動，失重環(huán)境下的支撐和杠桿作用使骨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生廢用性改變的可能性大大減小。進(jìn)入太空失重環(huán)境數(shù)日內(nèi)，尿鈣排泄量可增加60%～70%[5]。隨著飛行時間的延長，骨礦物質(zhì)流失不斷增加，其中跟骨骨質(zhì)在太空飛行2個月后丟失4.5%，4個月后丟失7.9%[6]。人體椎骨骨密度在太空飛行2～4個月減少0.67%～0.93%，5～7個月減少0.3%～10.8%[7]。由于個體差異和測量方法的不同，骨質(zhì)丟失的絕對值可能有一定差異，但太空失重環(huán)境可能比地基模擬失重降幅更大[8]。脊柱、骨盆和股骨等主要承重點(diǎn)的骨密度均有明顯下降，上肢骨密度下降幅度很小，而顱骨骨密度有一定程度增加[9-10]。股骨骨松質(zhì)部位骨小梁區(qū)更易受到失重的影響，其骨密度的損失大于股骨皮質(zhì)[6]。

在太空失重環(huán)境中，人體不需要克服重力維持身體直立或平衡，因此骨骼肌會發(fā)生廢用性適應(yīng)。來自太空飛行的報告顯示，航天員股四頭肌和小腿三頭肌體積在飛行8 d后分別減少6.0%和6.3%，飛行16 d后分別減少高達(dá)15.4%和15.9%[11-12]。在112～196 d的長期飛行中，航天員的腓腸肌和比目魚肌分別減小了24%和20%[10]。CHANG等[13]在對國際空間站(International Space Station，ISS)駐留6個月以上的航天員的腰椎旁肌進(jìn)行評估時發(fā)現(xiàn)，在飛行結(jié)束后經(jīng)過46 d的恢復(fù)仍然不能達(dá)到飛行前的水平。BURKHART等[14]通過對17名長期太空飛行航天員的數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)，多裂肌、豎脊肌、腰方肌和椎旁肌在飛行后分別下降4.6%、8.4%、5.9%和8.8%，其中椎旁肌在返回地球后需要1年左右時間才得以恢復(fù)，腰方肌和腰大肌則需要更長的恢復(fù)時間，因此可能造成航天員的腰部疼痛問題。CHANG等[13]報道，在ISS駐留6個月的航天員足部跖屈時小腿三頭肌最大等長收縮力下降高達(dá)37.6%，且下降幅度與飛行持續(xù)時間密切相關(guān)。

1.2 航天失重對體液及心血管功能的影響

太空失重期間與地面平臥位相似，沿身體縱向的重力作用為零，體液和血液沿身體均勻分布，全身流體靜壓梯度消失，體液頭向轉(zhuǎn)移[15]。進(jìn)入太空失重環(huán)境初期，與飛行前相比，航天員前額厚度增加7%、眼壓增加92%、心臟每搏射血量(stroke volume，SV)隨液體頭向轉(zhuǎn)移暫時增加[16]。在失重環(huán)境中，心臟不需要加大收縮力克服重力維持動脈血壓向頭部輸送血液。因此，心臟在航天飛行8～10 d后就可能產(chǎn)生廢用性萎縮，幅度高達(dá)10%[17]。在太空失重時人體體液及心血管功能的反應(yīng)可能與頭低位臥床和浸水模擬失重有一定差異[18]。在太空飛行期間，盡管體液向上轉(zhuǎn)移，但中心靜脈壓(central venous pressure，CVP)仍然降低[19]。CVP的降低可能是由于胸腔和縱膈失去重力壓迫導(dǎo)致胸部形狀改變和胸腔內(nèi)部壓降低引起的[20]。此外，太空飛行期間并未觀察到明顯的排尿增多現(xiàn)象，但由于液體攝入的進(jìn)一步減少，體液呈現(xiàn)負(fù)平衡；同時，由于體液負(fù)平衡和體液向毛細(xì)血管外組織間隙的轉(zhuǎn)移，8～12 d的太空飛行可導(dǎo)致血漿容量減少17%左右[21]。

在失重條件下，SV和交感神經(jīng)活性相反，SV降低而交感神經(jīng)活動張力增加。NORSK等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在太空飛行3～6個月后，SV和心輸出量(cardiac output，CO)增加了35%和41%。多數(shù)研究認(rèn)為，CO在最初迅速增加后會在幾日內(nèi)緩慢下降并趨于地面直立位[23]。長期航天飛行后，即使平臥位，SV也顯著減少，同時交感神經(jīng)活動張力增加，但無論是在太空飛行時還是在航天返回后，SV和交感神經(jīng)及心率關(guān)系始終保持不變[24]。太空飛行2周后航天員的全身血管阻力有所減少，但是與地面水平臥位相比無顯著性差異，而在更長時間的飛行中，全身血管阻力下降幅度可達(dá)39%[25]。短期太空失重暴露可能導(dǎo)致航天員運(yùn)動耐力和立位耐力下降，甚至可能出現(xiàn)直立體位性低血壓、突發(fā)性暈厥等嚴(yán)重威脅健康和安全的情況[15,19,22]。上述情況可能與血容量減少、心臟功能減退以及血管收縮反應(yīng)能力降低密切相關(guān)[26]。

1.3 航天失重對腦組織的影響

長期航天失重環(huán)境暴露可能導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)改變。KOPPELMANS等[27]對27名返回后航天員的核磁共振掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了回顧性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)廣泛的腦皮質(zhì)灰質(zhì)減少，其中涉及顳葉和額葉頂部以及周圍的大片區(qū)域，且長期飛行的改變大于短期飛行；內(nèi)側(cè)初級軀體感覺和運(yùn)動皮質(zhì)內(nèi)也有雙側(cè)局灶性灰質(zhì)減少。VAN OMBERGEN等[28]研究了長期航天飛行期間中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)可塑性變化，并得出小腦、皮質(zhì)運(yùn)動區(qū)和前庭相關(guān)通路高度參與了失重引起的結(jié)構(gòu)功能重塑的結(jié)論，進(jìn)一步證實(shí)這些腦組織相關(guān)區(qū)域確實(shí)受到實(shí)際和模擬太空飛行的影響，相關(guān)研究還在繼續(xù)進(jìn)行中。

1.4 航天失重對神經(jīng)視覺系統(tǒng)的影響

近期美國宇航局的相關(guān)研究報告顯示，在ISS長期駐留的航天員飛行返回后眼部發(fā)生了不同程度的屈光視力下降、視盤水腫、眼球扁平化、脈絡(luò)膜皺褶和眼底的棉絮斑等一系列生理病理改變，這些改變被稱為太空神經(jīng)視覺綜合征(spaceflight associated neuro-ocular syndrome，SANS)[29]。2016年，美國宇航局對上述癥狀的臨床、超聲、光學(xué)相干斷層成像和眼底檢查結(jié)果進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)64名航天員中有10人出現(xiàn)了椎間盤水腫，7人出現(xiàn)眼底棉絮斑，另外一批檢查的47名航天員中11人出現(xiàn)脈絡(luò)膜皺褶，12人出現(xiàn)眼球扁平化改變，9人出現(xiàn)屈光不正，SANS可能與太空飛行持續(xù)時間密切相關(guān)[30]。SANS的確切原因尚未闡明，可能與體液頭向轉(zhuǎn)移引起的顱內(nèi)壓升高有關(guān)[29-30]。

2 空間站常規(guī)失重對抗策略

2.1 基于運(yùn)動鍛煉的失重對抗

2000年ISS首次進(jìn)行長時間太空飛行，同時使用太空跑步機(jī)和太空自行車進(jìn)行有氧鍛煉，并采用臨時性飛輪抗阻設(shè)備進(jìn)行抗阻鍛煉，航天員用于運(yùn)動前后準(zhǔn)備整理和運(yùn)動鍛煉的時間為6 d/周、2.5 h/d[31-32]。但6個月的太空飛行后腰椎骨密度仍降低4%，股骨密度降低10%[7]。與此同時，3～6個月的太空飛行導(dǎo)致最大肌力下降17%[33]。因此，長期的太空飛行中單純有氧鍛煉并不能有效地防止肌肉力量下降和骨質(zhì)丟失。即便跑臺聯(lián)合抗阻鍛煉也不能阻止肌肉體積和峰值功率下降[33-34]。經(jīng)過6個月的太空飛行，腓腸肌和比目魚肌的體積分別萎縮了10%和15%，其峰值功率輸出在太空飛行后下降32%[35]，等速肌力測試下降幅度高達(dá)31%，最大等長收縮能力下降幅度高達(dá)35%[36]。

2008年ISS安裝了升級版抗阻鍛煉設(shè)備，其最大阻力負(fù)荷2 675 N，在深蹲、單腿深蹲、提踵、單腳提踵、硬拉、羅馬尼亞硬拉、直立劃船和俯身劃船等鍛煉模式的基礎(chǔ)上，又增加了后蹲、寬站距深蹲、相撲硬拉、聳肩、實(shí)力推，臥推、肱二頭肌彎舉等鍛煉模式[32]。新的鍛煉設(shè)備對肌肉萎縮和骨質(zhì)丟失的防護(hù)效果有較為明顯的提升，然而并不能有效對抗椎骨的骨質(zhì)丟失[32]。最近幾年，ISS采取SPRINT高強(qiáng)度鍛煉替代了原有鍛煉方案，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新的方案并不比傳統(tǒng)方案更有效，只是有效節(jié)省了用于鍛煉防護(hù)的時間[37]。

2.2 基于藥物的失重防護(hù)

ISS當(dāng)前采用抗阻鍛煉聯(lián)合藥物對抗失重性骨質(zhì)疏松，口服藥物包括雙膦酸鹽、鈣和維生素D[32]。雙膦酸鹽可通過阻止破骨細(xì)胞活化減緩骨吸收、改善骨密度和降低骨折率。通常飛行前3周開始服用并持續(xù)整個飛行期，服用劑量通常為70 mg/周，同時每日服用400～800 IU維生素D3和1 000 mg以上鈣劑[32]。4～6個月太空飛行期間以上策略雖然基本維持了骨密度，有效避免了下肢的骨質(zhì)丟失，但并不能完全防止肌肉和心血管系統(tǒng)功能的下降[38]。

2.3 基于下體負(fù)壓的失重防護(hù)

下體負(fù)壓(lower body negative pressure，LBNP)是對身體下部施加負(fù)壓以引起體液向足部轉(zhuǎn)移。有研究認(rèn)為，負(fù)壓達(dá)到-40 mmHg時，腎素血管-緊張素-醛固酮系統(tǒng)才被激活[39]。和平號空間站曾試用過LBNP裝置，但因其內(nèi)部未安裝鞍座以支撐人體，導(dǎo)致負(fù)壓時腳觸及腔室底部小腿肌肉產(chǎn)生收縮，這種收縮可能減弱了體液的足向轉(zhuǎn)移效果[39]。在后續(xù)的航天飛行中進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，并與水鹽補(bǔ)充聯(lián)合使用，作為失重生理效應(yīng)的對抗策略；在著陸前的最后2～5 d內(nèi)，攝入含6～9 g NaCl 1 000 mL左右的生理鹽水，并進(jìn)行LBNP鍛煉，可一定程度改善返回后的立位耐力不良[40]。與無LBNP和等滲生理鹽水?dāng)z入的航天員相比，著陸前4 h暴露在-30 mmHg的LBNP下，心率增加和收縮壓降低幅度較少[41]。但該方案需要在航天返回前對航天員進(jìn)行長達(dá)5 h干預(yù)，因此存在諸多不便。LBNP聯(lián)合跑臺鍛煉也曾被建議用作肌肉骨骼及心血管系統(tǒng)的對抗策略[42]，然而其龐大的體積存在空間資源和工程等問題。

3 基于人工重力效應(yīng)的新型防護(hù)策略

3.1 基于短臂離心機(jī)的人工重力

人體短臂離心機(jī)轉(zhuǎn)動時的慣性離心力可以產(chǎn)生人工重力[43]。地面模擬失重實(shí)驗(yàn)證實(shí)，間斷性人工重力暴露可有效防止心血管功能失調(diào)，并在一定程度上維持人體立位耐力，但單純?nèi)斯ぶ亓\(yùn)動能力下降防護(hù)效果有限，尤其不能維持有氧耐力[44-46]。基于人工重力的運(yùn)動鍛煉，在對抗有氧能力降低的同時可有效對抗心血管功能紊亂，因此這可能是解決失重問題的根本途徑[45-47]。但在航天器上安裝這種裝置是項(xiàng)巨大的工程挑戰(zhàn)?；蛟S未來在月球或其他星球建立太空基地后，將短臂離心機(jī)和運(yùn)動鍛煉結(jié)合，將是完美的失重對抗策略。

3.2 基于血流限制的人工重力效應(yīng)

血流限制(blood flow restriction，BFR)是將充氣袖帶或彈力帶等長度可調(diào)材料繞于肢體根部，通過調(diào)節(jié)壓力或圍度對肢體施加壓力，促使動靜脈血流部分阻斷以調(diào)節(jié)該肌肉群血流量的方法[48-50]。失重導(dǎo)致的血液頭向分布，可能是導(dǎo)致人體心血管功能紊亂、顱內(nèi)壓升高及SANS的主要原因。而基于大腿根部加壓套帶的BFR可促使血液滯留下肢，從而模擬作用于人體體液和心血管的重力效應(yīng)。因此，BFR或許可在一定程度上緩解顱內(nèi)壓及眼壓升高導(dǎo)致的腦組織和神經(jīng)視覺損害的發(fā)生。姜世忠等[51]研究證實(shí)，BFR可對心血管系統(tǒng)施加一種強(qiáng)有力的類似重力的刺激，在一定程度上減弱失重導(dǎo)致的體液重新分布的頭向轉(zhuǎn)移，從而可能達(dá)到改善心血管功能的作用。IIDA等[52]研究發(fā)現(xiàn)，BFR可在一定程度上減少頭面部充血等不適，通過提高心血管總外周阻力、減少SV與CO等改變血流動力。

近期大量研究證明，基于BFR的運(yùn)動鍛煉在較低負(fù)荷的運(yùn)動刺激下即可達(dá)到與大負(fù)荷運(yùn)動鍛煉同樣的訓(xùn)練效果，從而極大程度地降低高強(qiáng)度大負(fù)荷訓(xùn)練可能誘發(fā)的運(yùn)動損傷風(fēng)險[53-54]。ABE等[55]研究發(fā)現(xiàn)BFR結(jié)合小負(fù)荷的慢跑或快走，可有效提升有氧代謝能力。SCHOENFELD等[56]研究發(fā)現(xiàn)，采用30%最大負(fù)重的抗阻訓(xùn)練，即可有效提高肌肉力量，同時增加肌肉體積。LOENNEKE等[57]認(rèn)為小負(fù)荷BFR訓(xùn)練誘導(dǎo)的肌肉質(zhì)量和力量增加與高強(qiáng)度訓(xùn)練方案相當(dāng)。此外，在航天飛行器中使用這一鍛煉也可以大幅度降低抗阻鍛煉設(shè)備的最大阻力參數(shù)需求，從而降低運(yùn)載負(fù)荷，減少對航天器空間資源的占用。

4 結(jié)語

航天飛行面臨的失重會對人體生理系統(tǒng)功能造成一系列不良影響，其導(dǎo)致的心血管功能紊亂、肌肉萎縮、骨質(zhì)丟失等，可能嚴(yán)重影響航天員太空出艙活動、緊急突發(fā)狀況的應(yīng)急操作及返回地面后的工作和生活，甚至危及航天員的安全。雖然當(dāng)前采用的運(yùn)動鍛煉失重防護(hù)可以在一定程度上維持人體的有氧運(yùn)動能力，抗阻鍛煉聯(lián)合藥物的對抗方案能在一定程度上抵消骨密度的流失和肌肉體積的減小，但兩者均不能完全對抗失重導(dǎo)致的不良心血管效應(yīng)，航天員返回后仍有發(fā)生立位耐力不良導(dǎo)致暈厥的風(fēng)險。基于人體短臂離心機(jī)的人工重力系統(tǒng)可能是未來對抗失重的根本途徑，但因工程原因，目前還暫時無法實(shí)現(xiàn)；而基于加壓套帶的血流限制可有效緩解失重導(dǎo)致的體液頭向分布，同時有可能在一定程度上緩解SANS的癥狀。未來基于運(yùn)動鍛煉的失重防護(hù)方案需進(jìn)一步優(yōu)化，或許運(yùn)動鍛煉結(jié)合血流限制可達(dá)到更好的失重對抗效果。