失重环境对消化系统创伤和应激损伤及修复研究进展

李彬彬，陈正阳，郭 松，孙宏伟，崔 彦

李彬彬，安徽医科大学解放军306临床学院普通外科 北京市 100101

陈正阳，郭松，北京大学解放军306医院教学医院普通外科 北京市100101

孙宏伟，崔彦，解放军第306医院普通外科 北京市 100101

核心提要： 本文复习相关文献, 综述了近年来微重力和消化系统关联性研究进展, 就失重环境对消化系统创伤和应激损伤与修复等方面的研究进展作一综述, 为进一步相关研究提供依据和思路.

0 引言

自上世纪90年代以来, 中国载人航天事业发展迅猛, 航天医学研究亦取得长足进步. 研究证实, 失重环境对机体各系统器官产生了一系列不良影响. 由于消化系统结构和功能的复杂性, 失重对消化系统的影响具有一定特殊性[1-3]. 保障航天员在执行航天任务及参加模拟失重训练过程中消化系统的稳定状态, 明确微重力环境对消化系统创伤与应激损伤及修复的特点和机理及应对措施, 亟待深入研究[4]. 本文围绕失重环境对消化系统创伤和应激损伤及修复的研究新进展作一论述.

1 失重环境对口腔的影响

口腔是消化系统的起始部位, 口腔健康对于航天员来说至关重要. 怀旭等[5]研究地面模拟失重状态对唾液分泌型免疫球蛋白A(salivary secretory immunoglobulin A,SIgA)分泌的影响, 14名男性志愿者头低位-6°模拟失重30 d, 分别在实验前3天、第3天、15天、30天及实验后恢复第3天对受试者采集10 min唾液, 测定SIgA含量并计算SIgA分泌率, 发现受试者唾液流量表现出先下降再恢复的特点, 唾液SIgA浓度和分泌率明显增加, 受试结束后各指标恢复到受试前水平, 研究结果提示受试者对失重环境产生免疫应激和适应性反应. Mednieks等[6]研究微重力对唾液腺分泌蛋白的影响, 对搭乘美国空间飞行器小鼠的唾液蛋白组成分变化进行分析, 发现实验小鼠腺泡细胞分泌的淀粉酶和脯氨酸富集蛋白的含量较对照组明显降低, 分析可能与模拟失重环境对cAMP信号调节通路有关, 并认为特殊唾液蛋白的生化检测可作为空间飞行及地面事件应激的潜在生物学指标. 李彦等[7]研究微重力环境下Smads信号通路对人牙周膜干细胞成骨向分化的影响, 发现实验组Smads 2、3、4 mRNA的表达量与对照组相比明显增加, 在2 h达到峰值, 随后呈下降趋势； p-Smads(磷酸化Smads)表达量呈上升趋势,2 h达峰值； 加入Smads抑制剂后p-Smads表达下降, 同时成骨标志物胶原蛋白1(collagen1, COL1)、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)、骨钙素(osteocalcin, OCN)表达量明显降低, 研究结果表明, 在模拟微重力环境下,Smads信号通路参与并促进人牙周膜干细胞成骨向分化, 这与Li等[8]研究的结果基本一致. 研究还发现, 模拟微重力环境下人类牙髓干细胞的增殖和粘附能力增强,而细胞的迁移能力降低, 同时, 整合素α6、整合素α5、整合素β1、层粘连蛋白β1、细胞粘合素C等表达明显升高[9]. 另外, 袁林天等[10]研究模拟失重条件下钙、磷代谢变化及转化生长因子β1(transforming growth factor-β,TGF-β1)、c-fos及Ⅰ和Ⅳ型胶原蛋白在牙髓、牙周组织中的功能效应, 发现失重引起牙本质矿化不良, 1.5 G对抗措施能改善其对牙体组织矿物质代谢带来的不利影响, 并认为TGF-β1、c-fos和胶原Ⅰ分泌减少是导致矿化不良的重要原因. Rai等[11]通过男女各10名志愿者-6°头低位卧床30 d试验研究发现, 无论男性或女性下颌骨和牙槽骨的骨密度、骨矿物质含量均较正常对照组显著降低, 而龈沟液中组织蛋白、骨钙蛋白、基质金属蛋白酶-8(matrix metalloproteinase-8, MMP-8)和基质金属蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9, MMP-9)含量较对照组显著增高, 结论认为组织蛋白、骨钙蛋白可能与微重力环境导致骨丢失有关； 而基质金属蛋白酶MMP-8和MMP-9是机体的防御蛋白, 其含量增高可能与微重力环境导致细菌的毒力增加有关. 汤楚华等[12]研究模拟失重后再超重对猴牙龈组织的影响, 发现模拟失重30 d后再超重环境中猴牙龈组织结构未见明显改变, 但牙龈组织趋化因子CCL20(chemokine ligand 20, CCL20)及趋化因子受体6(chemokine receptor 6, CCR6)表达明显增强. 师天鹏等[13]研究30 d头低位卧床对男性牙龈色彩的影响,分别在实验前3 d、实验第20天、第30天及实验后第3天检测游离龈和附着龈的色彩, 发现与实验前相比, 在实验的第20天和第30天游离龈和附着龈发生明显的炎症反应, 这说明微重力可引发或加重口腔炎症. 张凯等[14]研究模拟失重对大鼠咬肌超微结构的影响, 发现实验组大鼠咬肌的肌纤维在1 wk时出现了部分溶解现象, 而咬肌溶解情况在第2周得到减轻, 于第4周基本缓解, 认为模拟失重环境对大鼠咬肌造成的损伤随时间延长可发生逆转. 一系列研究表明, 失重对口腔微生态、唾液成分、牙龈组织、咀嚼肌等确有重要影响, 但具体机制有待于进一步的研究.

2 失重环境对胃肠道损伤和修复的影响

2.1 失重环境对胃肠的影响 胃肠道黏膜在各种应激反应过程中容易产生大量氧自由基, 进而导致胃肠黏膜细胞损伤并引发溃疡形成[15]. 失重环境对于机体来说是一种特殊的应激源. 李成林等[16]进行尾大鼠悬吊法模拟失重实验, 探讨模拟失重条件下健康大鼠肠道黏膜组织中核因子-κB(nuclear factor - κB, NF-κB)的表达变化及其意义, 结果发现0.5 d、1 d、2 d、7 d和21 d模拟失重组大鼠肠道组织NF-κB表达水平均显著升高, 模拟失重0.5 d组肠道组织NF-κB表达开始升高, 2 d组达高峰, 随模拟失重时间的延长, NF-κB表达水平依次下降, 21 d组仍然高于相应对照组. 结论认为, 尾悬吊模拟失重大鼠肠道组织NF-κB表达水平明显上调, 提示肠道组织NF-κB表达变化与失重应激反应和失重耐受有密切关系. 郭彪等[17]研究尾悬吊模拟失重环境中大鼠血清胃泌素含量波动和胃黏膜腺区热休克蛋白70(heat shock protein70,Hsp70)表达变化, 发现尾悬吊早期大鼠胃黏膜屏障会受到源自局部和全身性的应激损伤, 而在失重暴露急性期之后机体则可通过多种机制对失重得以适应. 进一步研究发现, 尾悬吊模拟失重对大鼠胃黏膜组织超微结构和氧化应激状态亦产生重要影响, 透射电镜下可见尾悬吊模拟失重大鼠胃黏膜部分腺细胞核皱缩畸形, 染色质浓缩边聚、线粒体肿胀、嵴断裂、溶解、空泡变性和粗面内质网扩张； 其次, 实验组大鼠胃黏膜组织中NOS2和COX2表达呈现出一定规律的波动, 并与NO含量变化趋势具有一致性, 这可能与胃黏膜组织中存在急相失重应激反应向慢相失重应激反应的过渡, 在应激消耗与提升应激耐力之间、应激损伤与应激复原之间存在交织和综合效应关系. 结论认为, 持续尾悬吊可造成细胞膜脂质过氧化物堆积, 胃黏膜细胞超微结构出现应激损伤改变, 胃黏膜层变薄, 分泌及屏障等功能受损, 进而有可能形成不可逆的不良后果[18]. 王利芳等[19]通过大鼠实验研究失重对消化系统功能的影响, 观察模拟失重条件下大鼠胃黏膜瘦素及瘦素受体表达的变化, 发现瘦素及其受体免疫反应阳性细胞均分布于胃底腺的中下部区域, 阳性物质主要定位于主细胞和壁细胞, 并且模拟失重大鼠胃黏膜瘦素免疫反应阳性细胞密度显著增加, 因此认为28 d尾悬吊模拟失重可致大鼠胃黏膜瘦素及其受体表达增加, 提示瘦素可能参与失重过程中消化道功能紊乱的调节.

胃肠道不仅消化和吸收营养物质, 而且还具有高效的屏障功能. 研究证实, 失重对胃肠黏膜结构、屏障功能、通透性、微生态等均造成一定影响. Rivera等[20]进行地面模拟失重动物实验研究, 发现微重力环境下胃肠道蠕动紊乱和菌群移位, 肠黏膜屏障受到损害, 导致内毒素成分进入门静脉而对肝脏造成损伤. 周金莲等[21]研究进一步证实, 尾悬吊模拟失重可导致大鼠门静脉内毒素血症. 内毒素是存在于革兰氏阴性杆菌菌体细胞壁内的脂多糖, 其在细菌死亡、细胞壁崩解时释出. 消化道革兰氏阴性菌主要寄生在回肠和结肠. 分析认为, 在失重不良刺激作用下, 胃肠道应激反应、蠕动紊乱、血管床瘀血和微生态失调等一系列因素造成肠黏膜屏障受损, 使得细菌和细菌产物更容易进入门静脉. Ying等[22]的研究表明, 尾悬吊模拟失重14 d和21 d小鼠的小肠黏膜紧密连接蛋白表达显著下降, 导致小肠黏膜通透性增加, 影响肠道微环境稳定, 损害肠黏膜屏障, 导致毒素或微生物及代谢物移位, 引发局部及全身反应, 导致不良后果. Smith等[23]报道, 在美国宇航局的极限环境任务Ⅴ中, 通过对4男2女14 d空气饱和潜水研究表明, 航天飞行与潜水任务均使乘员能量摄入减少并导致体重下降, 认为该地基模拟环境可作为评估机体生理效应和营养状态及研究针对性措施的有效模型. Shi等[24]进行后肢悬吊小鼠模拟微重力实验, 研究发现微重力条件导致小鼠肠道微生态失调, 厚壁菌增多, 拟杆菌减少, 结肠上皮细胞内稳态发生变化, 上皮细胞复制率降低, 杯状细胞数量减少, 防御和炎症反应相关基因表达减少, 右旋糖酐硫酸钠的肠上皮损伤敏感性增加, 胃肠动力受影响, 屏障功能受损, 结肠炎易感性增加, 因此强调长期空间飞行过程中评估航天员肠道微生态稳定的必要性. 鲍时明等[25]研究模拟失重环境对腹腔感染大鼠肠黏膜屏障的损害作用及抗感染治疗效果, 发现模拟失重大鼠回肠黏膜和黏膜下层出现明显的间质水肿和血管充血, 黏膜层炎性细胞浸润, 肠绒毛排列紊乱, 黏膜上皮脱落, 部分黏膜固有层腺体局灶性坏死； 模拟失重大鼠回肠黏膜Occludin和ZO-1蛋白表达稀少, Occludin和ZO-1蛋白表达量处于低谷水平； Fas、Fasl和Bax mRNA表达增强,经尾静脉注射盐酸莫西沙星氯化钠注射液治疗组大鼠回肠黏膜病变较轻及相应指标明显缓解, 故认为模拟失重环境导致盲肠结扎穿孔术所致腹腔感染大鼠肠黏膜屏障损害进一步加剧, 静脉用盐酸莫西沙星对其有确定治疗效果.

2.2 失重环境对肠道微生物的影响 人体肠道内寄生有大量的微生物, 肠道菌群的稳态性对机体营养、代谢、免疫等至关重要. 在肠道微环境中, 微生物菌群可以直接或间接影响机体的生物化学、生理和免疫途径, 具有调节肠道屏障功能的重要作用[26,27]. 有关空间环境及模拟微重力环境对微生物生物学性状的影响、应用及其分子遗传机制等一直是该领域研究的热点问题. 有关失重导致肠道微生态失调的国内外早期研究, 笔者早先作过综述[3]. Ritchie等[28]进行微重力、饮食铁以及放射线等影响结肠菌群和结肠功能的动物实验, 发现空间飞行和地面模拟微重力均引起梭状菌增加, 乳杆菌减少, 提示重力对结肠菌群产生重要影响. Li等[29]研究报道, 模拟微重力环境影响小鼠小肠菌群及免疫系统, 造成肠道微生态紊乱, 并强调应对长期空间飞行过程中炎性肠病进行研究评估. Yang等[30]研究发现, 模拟微重力环境中小鼠肠道菌群移位, 脆弱拟杆菌、大肠杆菌、巨核梭杆菌数量增加, 双歧杆菌数量减少, 而肌肉注射雌激素具有抑制大肠杆菌和降低脂多糖血浆浓度的作用. Jiang等[31]研究发现21 d回转器模拟微重力可加速白色假丝酵母菌SC5314的生长速度, 促进菌丝生长, 同时能增加菌株对氟康唑的敏感性.

大肠埃希菌是最常见的条件致病菌. Li等[32]研究搭载飞船17 d的大肠埃希菌菌株LCT-EC52和LCT-EC59,发现空间环境中菌株在代谢、转录和蛋白组水平发生广泛而显著的变化, 这对认识大肠杆菌的空间适应变异及危害有重要意义. 刘蓉等[33]采用二代测序技术研究模拟失重下空间诱变大肠杆菌(T1-13)感染巨噬细胞RAW264.7后差异表达的miRNAs及其意义, 发现模拟失重下空间诱变大肠杆菌感染巨噬细胞后miRNAs表达出现显著差异, 这些miRNAs可能通过调控丝裂原活化蛋白激酶、WNT以及TGF-β等通路参与失重条件下炎症反应的发生. 姚静等[34]观察空间诱变大肠杆菌感染尾吊模拟失重小鼠后炎症反应变化, 发现空间诱变大肠杆菌感染尾吊小鼠后可显著升高血浆及肠道组织中炎症因子表达, 导致更严重的肠道黏膜屏障受损, 这提示尾悬吊模拟失重动物感染诱变大肠杆菌可加重机体的炎症反应.

嗜酸乳酸杆菌作为一种人类典型的益生菌, 在微重力环境下亦发生重要变化. Shao等[35]研究表明, 在模拟微重力条件下尽管其形态未发生重要变化, 但生长周期加速, 耐酸能力加强, 对头孢阿列辛、硫酸庆大霉素、青霉素钠盐等的敏感度下降, 并通过调节肝HepG2细胞中胆固醇代谢基因CYP7A1、ABCB11、LDLR和HMGCR的表达而提高嗜酸乳酸杆菌体外降胆固醇的能力.

一系列研究表明, 在空间飞船特殊环境中, 局限性的生活方式、极端的环境应激等众多因素会打破机体与微生物之间的平衡, 微生物群发生变化及变异, 部分微生物的毒力增强, 机体免疫系统失调, 众多因素导致航天员面对微生物感染的风险增加. 微重力对肠道微生物的影响列表见表1. 显然, 通过饮食和益生菌疗法维护航天员肠道微生态非常重要[36,37].

3 失重环境对肝脏损伤和修复的影响

肝脏的功能极其复杂, 研究失重对肝脏造成的损伤及机制相对较为困难. 在失重环境中, 肝脏受到瀑布式的直接和间接的应激作用, 正常生理机能受到影响. 国内外学者早年在失重影响肝功能方面进行过一系列实验研究[3]. 后续有学者进行尾悬吊同时进行对抗训练2 mo的模拟失重动物实验, 进一步证实, 长时间失重对肝脏造成明显损伤, 触发肝细胞凋亡, 而对抗训练在一定程度上具有改善肝脏损害的作用[38].

微重力环境还可以对肝脏代谢造成一定的影响.Anselm等[39]研究搭载飞船“Bion-M 1”30 d飞行小鼠的肝脏代谢特点, 蛋白组学分析结果显示218种蛋白上调,224种蛋白下调, 7 d地面适应后氨基酸代谢相关蛋白水平呈现高表达, 过氧化物酶增殖激活受体通路恢复正常, 前者提示糖异生过程加速, 后者提示肝脏的脂质过氧化应激反应减轻, 而且, 在跨膜蛋白和CYP超家族蛋白恢复的基础上, 胆汁酸分泌趋于正常, 研究结果提示,30 d飞行小鼠返回地面后一周内肝脏的药理反应复原,肝脏脂质氧化毒性下降, 糖异生波动, 葡萄糖摄取应予监测. Jonscher等[40]应用代谢组学和转录组学技术以及拉曼显微镜, 研究搭载Space Transportation System -135太空飞行13 d小鼠的肝脏脂代谢特点, 发现失重小鼠体重减轻, 脂类重新分布, 肝细胞内视黄醇生成和储存缺乏, 后者与过氧化物酶体增殖物激活受体-α介导通路和肝星状细胞激活有关, 伴有胆汁酸分泌增加及肝损害早期特征, 分析认为, 虽然13 d短期太空飞行不足以形成肝组织纤维化, 但视黄醇生成和储存缺乏, 加之细胞外基质重构标记物的变化, 提示长期太空环境暴露下肝脏有可能发生进行性损害, 增加罹患非酒精性脂肪肝的风险.

失重不仅影响肝细胞代谢, 同时也可以改变肝细胞的增殖能力. Chen等[41]研究发现, 悬尾模拟微重力14、28和42 d动物的肝细胞增值因子Ki67、PCNA和PH3等表达显著下降, 细胞周期调节因子Ccna2、Ccnd1、Cdk1、Cdk2和cyclin D3等亦显著下调, 进一步研究发现, 失重环境下肝细胞增殖受到抑制与miR-223表达上调有密切关系, 而miR-223抑制肝细胞增殖的直接靶点为细胞周期蛋白依赖激酶2(cyclin-dependent kinase 2,CDK2)和促血管增生卡林蛋白1, 后者与阻滞肝细胞增殖的p27呈负相关系. 亦有学者研究CL-1肝细胞跟人肝星形细胞(hepatic stellate cells, HSC)进行微载体微重力共培养来提高CL-1肝细胞的活力与功能的可行性, 结论认为, 人肝细胞、HSC微载体微重力共培养研究有利于维持及增强旋转生物反应器的肝细胞活力及功能, 对人工肝的培养模式发展具有重要意义[42]. 田西朋等[43]探讨细胞回旋培养系统模拟微重力对小鼠肝kupffer细胞增殖及相关基因表达的影响, 结果显示小鼠肝kupffer细胞在失重应激损伤期, 其增殖功能受到抑制, 一定时相后其增殖能力伴随相关基因变化得以恢复并被激活强化,提示肝脏kupffer细胞可能在分子基因水平通过调整吞噬和分泌机制, 在刺激应答、调节炎性反应介质、维护细胞功能、防御级联损伤等环节中发挥作用, 这对失重乃至机体内外各种不良环境和应激情况下肝脏kupffer细胞发挥免疫调节、抵御感染及损伤修复等方面具有重要意义.

表1 微重力对肠道微生物的影响

对失重环境影响肝脏的情况采取针对性措施, 亦是学术界探讨的重要问题之一. 宋艳等[44]观察预针刺和针刺治疗对模拟失重大鼠肝脏超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-PX)活力、丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量及Hsp70表达的影响, 大鼠尾部悬吊4 wk复制模拟失重模型, 预针刺组在尾部悬吊前1 wk, 电针刺激双侧“肾俞”、“脾俞”和“三阴交”穴, 30 min/次,每日1次, 发现预针刺可以明显抑制大鼠尾部悬吊引起的肝HSP 70表达的上调, 其他指标亦有不同程度的改善, 提示预针刺可能有利于提高肝脏的抗氧化能力. 邓忠伟等[45]采用尾悬吊法建立模拟失重Wistar大鼠模型,盲肠结扎穿孔术(cecal ligation and punctur, CLP)建立腹腔感染模型, 研究模拟失重环境下腹腔感染大鼠肝脏微循环变化及经尾静脉注射盐酸莫西沙星抗感染治疗效果, 研究结果提示模拟失重环境下CLP所致腹腔感染可造成肝脏微循环障碍, 静脉用盐酸莫西沙星对改善肝脏微循环障碍及损伤有确定效果.

肝脏作为人体最重要的生化代谢和免疫调节以及解毒器官, 在机体应对特殊环境及生理病理演变过程中起着至关重要的作用[46]. 一系列研究表明, 长期太空飞行对机体多系统器官造成一定影响, 肝脏是最容易累及的器官之一. 相关机理研究及针对性措施方面, 尚待深入研究.

4 失重环境下对胰腺损伤和修复的影响

胰腺为人体主要的分泌性腺体, 主要包括外分泌和内分泌两大功能[47]. 尽管失重对胰腺影响的研究报道不多,但前期研究表明失重对胰腺体积和重量、血清淀粉酶和脂肪酶、胰岛素和胰高血糖素及生长抑素分泌、血糖代谢以及胰腺组织应激反应等造成明确影响[3]. 进一步研究表明, 失重对胰腺确有重要影响. Proshchina等[48]观察搭载飞船Bion-M1 Space Mission的小鼠, 研究长时间空间飞行对胰腺的影响, 通过形态计量及统计学分析, 发现小鼠的胰岛体积与体重密切相关, 无论作为搭载空间飞行动物还是地面对照动物, 运动机能减退及强化营养对此起重要作用. 借助微重力三维培养技术亦可观察细胞与细胞以及细胞与环境之间的交互关系.Samuelson等[49]研究发现, 相比二维培养, 在微重力三维培养环境中, 胰腺前体细胞的生长和功能得到改善, 细胞增殖加速, 转录信号强化, 基因转译改善, 细胞对葡萄糖刺激发生反应, 研究结果提示微重力三维培养器堪比具有糖尿病治疗潜在价值的胰腺细胞壁龛. 上述研究结果表明, 失重对胰腺组织结构和功能均可造成一定的影响, 但具体机制有待进一步探讨.

5 展望

随着我国载人航天事业的迅猛发展, 航天医学研究和保障面临重大的机遇与挑战. 失重作为一种极为特殊的环境因素, 可造成消化系统一系列生理性和/或病理性改变, 包括对消化液和消化道激素分泌、胃肠黏膜屏障、口腔和肠道微生态、胃肠道血液及淋巴循环、药物药动学和药效学以及肝脏和胰腺等的影响. 如何保障航天员在执行航天任务及参加模拟失重训练过程中消化系统的稳态平衡, 意义重大. 由于消化系统结构和功能十分复杂, 国内外在这方面的研究相对滞后. 失重环境对消化系统创伤和应激损伤及修复的特点和机理以及应对措施, 将是下一步研究的重点.