高载荷(+Gz)作用及失重环境对飞行员腰椎退变的影响

夏子寰，郑 超，崔玉明，黄蓉蓉 综述 伍 骥 审校

1安徽医科大学，安徽合肥 230032；2空军总医院，北京 100142

脊柱退行性病变是和平时期我空军飞行人员新机型改装不合格、暂时停训和非战斗停飞减员的主要原因。美国近10年统计数据表明： 在空军停飞病种中脊柱退变性疾病位居第三位。国外相关流行病学调查显示： 在飞行员肌肉骨骼疼痛症状中，下腰痛占54% ~ 86%，而腰椎退行性病变所导致的腰椎滑脱、椎间盘突出、椎管狭窄、小关节突紊乱等是引起飞行人员下腰痛主要病因。而国内空军总医院最新统计数据显示[1]： 脊椎退变性病变为现役飞行员停飞原因的第三位，主要包括颈椎病及腰椎间盘突出症。在2005 - 2010年的新型歼击机飞行员和直升机飞行员改装体检和医学鉴定及随访中发现[2-3]，颈腰椎的退变性疾病是导致飞行员飞行不合格或暂时飞行不合格的首要病种。根据空军总医院对不同年龄段飞行员中长期(超过4年)的随访观察发现：飞行人员的脊柱呈现早熟老化现象，尤其是职业早期较为明显。腰椎退行性病变以腰5骶1最为常见，其次是腰4-5，腰3-4节段。病变的出现与飞行中的失重及高载荷(+Gz)环境密切相关[4-5]。+Gz条件下椎间盘结构可能产生生物力学及生物化学的变化，继而导致椎间盘的病理改变，表现为： 椎间盘病变、脊椎骨赘、韧带增厚、脊髓和神经根受压等，这在西方国家的临床航空医学流行病调查中也得到证实[6-7]。失重环境往往被认为是太空飞行中宇航员肌肉骨骼系统产生病理生理变化主要因素。最近的国外文献报道，在模拟失重环境中，小鼠椎间盘蛋白多糖和胶原含量也明显降低，这与椎间盘退变的病理改变是相一致的。在飞行机训练过程中，飞行员不仅要承受高加速度的负荷，同时也受到失重条件的影响。在两种致病因素的环境中反复暴露，极有可能对飞行员的腰椎退变产生不同于普通人群的加速影响。本文就目前国内外关于飞行人员高载荷及失重环境对于腰椎退变的影响研究及进展作一综述。

1 飞行人员腰椎退行性疾病的国内外流行病学调查

近10年的临床航空医学流行病学调查结果显示： 在美国，因脊柱退变性疾病导致现役飞行员停飞的占据各大停飞病种的第三位，我国最新研究资料同样为第三位。

腰椎退行性病变是导致下腰痛症状的主要原因之一，一项针对33名西班牙空军飞行员的调查显示，85%的飞行员出现过背部疼痛，腰骶部疼痛的高达68%，背部非局限性疼痛的为39%。Sovelius等回顾了14名患有椎间盘病变的西班牙空军飞行员，病变位于腰4-骶1的为12例(86%)。Simpon和Porter[8]对英国174名飞行员肌肉骨骼疼痛发病率进行研究，结果显示： 53%的飞行员出现肌肉骨骼疼痛不适症状，其中以下腰痛发病率最高，占所有疼痛发病的54% ~ 86%。

国内曾有对歼击机飞行员腰椎退行性病变进行中长期随访观察(4年以上)，结果发现飞行人员发生腰椎退行性病变的时间较普通人员及地勤人员要早，患病率高，疾病影响时间长。腰椎退行性病变的发生部位以腰5骶1最为常见，其次是腰4-5，腰3-4[4]。空军总医院在对261名歼击机飞行人员的体检中发现脊柱退变性病症188例，其中仅腰椎间盘突出等87例，占所有脊柱疾病的33%，因此而飞行不合格的飞行员11名，不合格率为6%[9]。对另外的102名新型歼击机飞行员改装体检不合格的原因进行分析，发现因腰椎退变性疾病而改装不合格者为16例，比例为15.7%[10]。在空军总医院长达10年的数十批高性能战斗机飞行员改装体检和医学鉴定中，发现腰椎的退变性疾病是飞行员整个骨骼肌肉系统的首要病种。

2 腰椎退行性病变的影像学研究

腰椎退变从病因学上其发病机制十分复杂，具体原因仍不十分明确，总体来讲，是由于遗传、衰老等自然因素及机械负荷、营养供应因素等共同作用的结果[11]。而最新研究发现，在腰椎间盘退变的各种因素中，机械负荷和营养供应起着非常重要的作用。影响飞行员脊柱退变的原因有高载荷(+Gz)作用、失重作用、坐舱环境、飞行器震动、个体耐受等因素[5]。机械负荷增加、力学方式变化，腰椎生物力学及椎间盘细胞流体力学的失衡，进而出现营养供应障碍和细胞分子生物学水平的病理改变。目前普遍认为高载荷(+Gz)和失重环境在各种影响因素中占主要作用，可能是影响飞行员腰椎退变的直接原因。

对于腰椎退变的影像学研究，多为飞行员体检、随访及因不适症状就诊时的X线片、CT及MRI的回顾性分析研究。也有Sovelius等[12]人所做的前瞻性对比研究，该类研究可准确地反映飞行人员长期暴露于高载荷及失重条件下所致的腰椎退变的患病率或发病率，并可与一般人群进行比较。同时影像学研究可以准确、直观地观察到高载荷及失重作用所致的腰椎各结构的变化及退变程度。但由于目前尚缺乏控制变量的单纯随机对照研究，无法说明高载荷或失重单一因素对于腰椎退变的影像学改变的影响。故认为飞行人员与一般人群相比，为承受高载荷与失重因素反复交替暴露的综合影响。高载荷或失重的单独效应在此部分不做分述。

高载荷(+Gz)及失重环境是飞行人员腰椎退变特有致病因素。欧洲早期研究发现： 高载荷(+Gz)及失重不仅可以引起飞行员急性脊柱损伤，导致战斗力突然下降，还可能造成机毁人亡的重大事故。更是引起飞行员慢性脊柱退变的主要因素[13-15]。大量研究表明高载荷及失重环境引起的腰椎损伤及退变主要位于下位颈椎及腰椎[16-20]。退变主要表现为明显的骨赘形成、腰椎间盘突出、脊髓受压和神经根孔狭窄[14,19]。同时研究发现，高性能战斗机飞行员的脊柱病变及慢性损伤的程度与飞行时间的长短直接相关，年轻的高性能战斗机飞行员脊柱退变性损害比飞行时间长的飞行员轻，发生率也较低[15,19]。Sovelius等对12名芬兰特技飞行员进行了长达13年的核磁共振前瞻性对照分析，结果发现飞行员长期暴露在高载荷及失重的环境中，腰椎退变情况有增加的趋势，其中以腰4-5最多见。研究所见退变增加趋势与对照组之间比较并无统计学意义。作者认为可能由于单纯的影像学分级并未能准确反映出脊柱退变的显著程度，于是该文献指出不能单纯通过核磁检查进行诊断及随访，同时也要根据飞行员的临床症状[12]。特技飞行中高载荷及失重使飞行员腰椎患骨软骨病加重了1.5 ~ 1.75倍[21]，说明高性能军用飞机与飞行员脊柱的损伤和退变有明显的关系，飞机性能越高，飞行员脊柱退变的发生率也越高，程度也越重[8,22]。有证据表明在反复的高载荷及失重作用下，可引起飞行员脊柱过早的退变，特别是椎间盘[8,23]。

国内研究结果与国外相似，其中腰椎退变及椎间盘突出所占比例更高[10,24]。空军总医院朱克顺、伍骥等对歼击机飞行员外科体检261人进行常规颈、胸、腰正侧位以及腰椎双斜位计算机X线摄影术检查，部分飞行员进行腰椎CT扫描。所有CR和CT片均在隐去受检者身份情况下由相关专业人员读片。结果显示： 腰椎间盘突出者49例，骶椎隐裂者37例，颈椎退变者33例，腰椎峡部裂者24例。其中飞行不合格原因及所占比例为： 腰椎峡部裂伴Ⅰ°滑脱者9例(45%)，颈椎病5例(25%)，腰椎间盘突出症2例(10%)[9]。刘红巾、徐先荣等对2004 - 2008年新机改装资料进行回顾性分析显示：飞行不合格飞行员中，外科病症最多为26例(其中颈腰椎病19例，腰5双侧椎弓峡部裂伴Ⅰ°滑脱者12例，颈、腰椎间盘突出6例，环枢关节半脱位1例，左肩关节习惯性脱位1例，右膝骨性关节炎1例，肾结石3例，先天性心脏病2例)[10]。多组研究结果均表明：腰椎峡部裂及腰椎间盘突出是我军飞行员飞行不合格的主要因素。既往研究证明高载荷及失重作用是加速脊柱退变主要因素之一，并可引起和加重脊柱的病变和损伤[14,25-27]。

高载荷及失重环境对飞行员脊柱可以引起明显的慢性损伤和退变，但最先受到高载荷及失重影响的是脊柱的哪些结构？对此外军进行了有关的研究。1)椎间盘退变：椎间盘退变是整个脊柱退变性病变的始动环节。外军通过CT扫描和MRI等有关的检查方法，发现飞行员脊柱损伤主要表现于椎间盘，其形式主要是椎间盘退变、突出和脱出[8,22-23,28]。德国空军航空医学研究所的一份调查表明，由椎间盘病变导致的脊椎疼痛，减少了飞行员的飞行时间，甚至导致停飞[29]。2)脊椎骨赘： 外军还发现反复暴露于及失重环境中，引起高性能战斗机飞行员脊柱过早出现骨赘[8,22,30-31]。3)韧带增厚： 反复接受高载荷及失重作用后，不仅引起了椎间盘退变、骨赘形成，同时还导致了脊柱韧带的增厚[8,22,30-31]。4)椎管和神经根孔狭窄：椎间盘的退变、突出和脱出，脊椎骨赘的形成，脊椎韧带增厚等的广泛出现，进一步导致了椎管退变性的狭窄[8,22,30]。5)脊髓和神经根受压： 椎间盘突出和(或)脱出，脊髓骨赘的形成，韧带增厚，退变性椎管狭窄，导致了脊髓和(或)神经根受压[22,31]。

3 高载荷对腰椎退行性病变的病理生理学研究

已有大量研究表明高载荷作用可引起急性脊柱损伤，加速脊柱退变，引起腰痛不适等症状[8]。同时大量影像学研究也已证明高载荷可引起腰椎间盘退变、骨赘增生、小关节突关节退变等一系列改变[11-12,30,32]。Cs-Szab等对椎间盘退变进行相关分子生物学研究发现：Ⅰ型胶原在椎间盘发生严重退变时表达在髓核与纤维环内均明显增加，Ⅱ型胶原在轻度退变时增加而在严重退变后表达下调[28-29]，退变椎间盘中炎性因子增多，基质金属蛋白酶(MMPs)活性增加，基质金属蛋白酶是一类结构中含有Zn2+、Ca2+的蛋白水解酶类，是椎间盘基质的主要降解酶，几乎可以降解细胞外基质的所有成分。基质金属蛋白酶和金属蛋白酶组织抑制因子失衡是导致基质过度降解的根本原因[33]。但国内外目前对于高载荷引起的腰椎退变的组织学、病理生理学及分子生物学研究尚缺乏。对于长期反复暴露于高载荷作用所导致的腰椎退变的分子生物学变化及机制仍有待进一步研究。

空军总医院对+Gz重复暴露的大鼠腰椎间盘的胶原蛋白分布进行试验研究，结果发现： +6Gz暴露30 d后可引起大鼠腰椎间盘胶原蛋白排列紊乱，+10Gz重复暴露后，就会加快上述排列变化出现的时间，提示椎间盘退变的程度更严重。高载荷(+Gz)条件下飞行，飞行人员姿势相对固定，腰椎间盘受到的垂直轴向压力、水平方向扭转力和矢状位上切力增加，同时力学分布不均匀，直接引起椎间盘的负荷增大，细胞流体静力学变化，加速了椎间盘的退变进程。

目前，空军总医院拟下一步行大鼠反复+Gz暴露实验，模拟飞行员长期反复高载荷作用，加速大鼠腰椎退变，并进行退变腰椎间盘的分子生物学研究。

4 失重对腰椎退变的影响及病理生理学研究

关于失重环境对人体骨骼、脊柱影响的试验研究一般针对于太空飞行及宇航员。失重环境可以引起人体内环境、代谢等多系统的改变，使骨质降低、骨量减少，延迟软组织、骨折的愈合。失重环境直接降低了重力对机体变形和机械作用，改变了机体正常的生理条件，使机械感受器传入冲动减少，降低血管流体静压，血液和体液头向分布，血供减少[34]。近年来，国外有关失重对椎间盘的病理影响研究也逐渐增加，Sayson和Hargens等[35]研究宇航员在失重环境中下腰痛的病理生理学变化时发现，宇航员在飞行后椎间盘突出的发病率较高，是引起下腰痛的主要原因。失重环境中，腰椎的屈曲固定体位增加了腰椎间盘前部的压力，减少了椎间盘容积，刺激Ⅰ型、Ⅱ型机械刺激受体的表达，进而在脊髓后角产生P物质等炎性介质，导致疼痛发生。Yasuoka等[36]模拟微重力条件下小鼠腰椎间盘髓核和纤维环组织中蛋白多糖(proteoglycan，PG)含量和蛋白多糖相关mRNA基因表达的变化，发现尾部悬吊3周小鼠组中腰椎间盘髓核和纤维环组织中黏多糖(glycosaminoglycan)含量显著降低(27% ~ 42%)，基质金属蛋白酶(MMP3)的mRNA基因水平显著提升。蛋白多糖的调节在维持腰椎间盘应有的张力中起重要作用，这可能与蛋白多糖相关的分子水平基因表达有关。一般认为，在失重环境下，椎间盘承受压力低，相应的椎间盘细胞也承受着较低的流体静力压力，这种作用于细胞间的低流体静力学压力导致椎间盘的退行性病理生理改变，最终引起椎间盘蛋白多糖和胶原蛋白的比例发生改变，Hutton等[37]研究尾部悬吊小鼠腰椎间盘组织中蛋白多糖和胶原含量的改变，结果显示对比对照组，4周悬吊组中蛋白多糖含量有显著性降低(35%)，而2周组与4周组、2周组与对照组的蛋白多糖含量相比无统计学差异。胶原蛋白含量在三组中均无统计学差异。

对于失重环境对腰椎退变的影响，国内多为对于失重暴露后腰椎骨量、骨质及生物力学变化等特征的研究。万玉明和崔伟[38]采用尾部悬吊法模拟微重力条件饲养大鼠21 d，解悬7 d、21 d并分别与非悬吊对照组对比，结果发现大鼠腰椎矿盐含量在悬吊21 d后有非常显著性统计学意义的降低，解悬7 d后未见恢复，解悬21 d后有恢复的趋势，但仍显著低于对照组。骨钙素含量在悬吊21 d后显著降低，并且在整个恢复期中未见明显变化。同时，悬吊21 d后大鼠腰椎载荷、应力、强度及硬度均较对照组有明显降低。吉林大学中日联谊医院臧虎、马洪顺等经过多组多次实验证实：失重环境下，骨微观结构改变，骨小梁变细、变薄，排列紊乱，骨密度减低，骨质疏松。失重所致骨质疏松对骨的胶原纤维和弹性纤维造成损坏，弹性纤维和胶原的强度和刚度降低。骨应力松弛、蠕变流变学指标降低，骨的机械支撑功能减退[39-41]。傅骞等[42]研究尾部悬吊3周大鼠发现： 模拟失重大鼠全身骨矿物质密度(bone mineral density，BMD)变化呈现特定趋势，头部BMD提高，上肢及第二胸椎BMD保持不变，第四腰椎及后肢BMD明显下降。这些改变可能为飞行员腰椎急性损伤、腰椎峡部裂及腰椎退变加速的病理学基础。目前国内尚缺乏对于模拟失重所致腰椎退变的分子生物学研究。空军总医院拟进行尾部悬吊大鼠模拟失重环境实验，进行模拟失重对腰椎退变的影响的分子生物学研究。

5 结语与展望

脊柱退变性疾病直接导致的飞行员停训停飞已成为国际航空航天医学高度关注的课题。飞行人员飞行相关性下腰痛，脊柱退变加速病因十分复杂，为高载荷(+Gz)作用、失重作用、坐舱环境、飞行器震动、飞行时间、机种等多因素综合作用结果，目前普遍认为高载荷(+Gz)和失重环境在各种影响因素中占主要作用。尽管目前对于高载荷及失重环境影响腰椎退变的机制尚未完全阐明，但大量的研究已使大家对高载荷及失重对于腰椎退变的影响有了较深入了解，并为更深层次的研究提供了可靠的理论基础和可行的实验方法。目前我国尚未开展对+Gz或失重环境下人体脊柱退变性改变的系统研究，更缺乏将两种危险因素(+Gz和失重)结合起来进行腰椎退行性病变的研究，进而缺乏针对飞行员及航天员腰椎退变性病变的病情评估、诊疗手段、改进训练方式和研究预防措施的试验依据。空军总医院拟通过模拟+Gz和失重环境下动物腰椎退变的形态学、组织学、病理学、分子生物学变化，探索+Gz和失重环境下腰椎退变发生机制。此研究可为飞行员腰椎退变预防措施的提出，保护我国飞行员(包括民用航空飞行员)和航天员脊柱，减少其退变发病率，降低停飞率等提供理论依据。

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