失重肌萎缩的营养防护策略

郭 娴， 唐玉婷， 汪 毅， 刘书娟， 张剑锋， 李志利， 戴小倩， 王颜晴， 王惠娟

（1.北京体育大学， 北京 100084； 2.中国人民大学体育部， 北京 100872； 3.中国航天员科研训练中心航天医学基础与应用国家重点实验室， 北京 100094）

1 引言

中长期航天飞行期间，失重、密闭、隔离环境将对航天员运动系统、神经系统、心血管系统、免疫系统功能等造成一系列的影响。 身体质量特别是瘦体重的损失是航天飞行中的一种常见现象。 此外，空间飞行时间延长，航天员肌肉发生萎缩，特别是抗重力肌肉，如比目鱼肌、背部的深层肌肉等出现肌肉质量和力量的持续下降。

失重性肌萎缩的产生机制有多种，主要表现为肌肉体积和横截面积减小、质量减轻、力量减弱。 伴随着肌纤维类型的改变，Ⅰ型肌纤维数目减少，Ⅱ型肌纤维数目增多，甚至出现Ⅰ型肌纤维向Ⅱ型肌纤维的转变增多。 另外，由于航天员胃肠道消化吸收功能的减弱、神经内分泌的变化等综合因素，导致食物摄入量比地面减少20%～25%。 同时航天员进行失重防护锻炼会增加能量消耗，如果不能伴随能量摄入的补偿性增加，可能会加剧营养状况不均衡，导致体重减轻、肌肉质量丢失和体能下降。

航天员营养保障对维持长期空间驻留和返回后恢复骨骼肌健康具有重要意义，目前已有多项营养干预措施用于克服失重和模拟失重造成的肌萎缩。 建立最佳的营养补充策略，充分考虑空间环境下营养保障工作的复杂性和可接受性，可以提高失重状态下肌萎缩的营养防护效果。 本文综述了不同的营养干预措施对航天飞行、头低位卧床和肢体固定期间肌肉萎缩的作用，旨在阐明失重和模拟失重过程中肌肉萎缩的营养支持作用。

2 失重状态下肌萎缩的发生机制

目前人体实验和动物实验都证明失重对骨骼肌的影响主要以抗重力肌，尤其是比目鱼肌的萎缩程度最高，同一肌肉中以慢肌纤维的萎缩程度最大，另外，骨骼肌还容易发生明显的Ⅰ型肌纤维向Ⅱ型肌纤维的转变。

失重性肌萎缩以抗重力肌萎缩为主，近年来研究表明由于抗重力肌肌梭的重力刺激减少或消失，肌球蛋白重链Ⅱ亚型基因表达发生变化导致钙超载，使外周感受器⁃中枢神经⁃肌肉间的反馈调节出现异常，传入冲动活动减少，造成骨骼肌兴奋性下降。 失重环境下，抗重力肌超微结构发生变化，表现为肌核数量及作用域的改变，A 带区线粒体增加，而Ⅰ带区的线粒体减少，线粒体通过激活JNK 信号转导通路导致细胞凋亡，引发肌丝收缩速度变化，造成肌肉力量和功能发生改变。

另外，研究发现，失重环境下肌肉蛋白质合成速率降低和分解速率的升高也是造成肌萎缩的关键原因。 IGF⁃1／PI3K／AKT／mTORC1 是在翻译起始水平调控蛋白质合成的典型信号通路，胰岛素、生长因子或氨基酸与IGF⁃1 的结合都会导致PI3K 的激活，增加AKT 活性，刺激蛋白质的合成。 AKT 除了刺激蛋白质合成外，还可以抑制O型叉头转录因子（FOXO） 家族来抑制蛋白质降解。

失重环境下，由于mTORC1 的上游调节因子如AKT、S6K1 等下调，造成了蛋白质的合成速率下降，另外失重环境下伴随着钙蛋白酶系统、细胞凋亡、自噬⁃溶酶体系统和泛素蛋白酶体途径上调，加速了蛋白质的降解。 钙蛋白酶介导的肌原纤维成分的蛋白水解，在失重造成的肌肉丢失情况下被激活，进而导致骨骼肌质量的丢失。 在自噬⁃溶酶体系统中，Ulk1⁃Atg13⁃FIP200 在自噬的启动中起关键作用，而AMP 激活的蛋白激酶（AMPK）作为重要的能量感受器，可将Ulk1 磷酸化激活启动自噬。 当处于失重环境下，肌肉收缩减少或停止而导致ATP 积累和AMP 降低，进而造成AMPK 磷酸化水平降低，从而抑制了肌细胞的自噬，而自噬的减少，又进一步促发了受损的蛋白积累，造成肌肉的分解代谢加强。 与此同时，AMPK 的去磷酸化消除了对mTORC1 的抑制作用，mTORC1 激活后造成p70S6K 磷酸化水平增加，随着失重的时间延长，p70S6K 过度磷酸化又伴随着E3⁃泛素连接酶—肌环指⁃1 E3 泛素连接酶（MuRF1）表达的增加，从而导致信号转导至AKT 受损，进而导致FOXO3A 去磷酸化，易位至细胞核并激活MuRF1 基因转录，也加强诱导蛋白质的降解途径。 而其被mTORC1 磷酸化导致其抑制mTORC1 途径的主要效应因子为p70S6K和4E⁃BP1， 另 外， mTORC1 信 号 通 路 也 受 到AMPK 的磷酸化调控。

在泛素蛋白酶系统中，骨骼肌中特异性的E3泛素连接酶是最为关键的酶。 失重环境下，MAFbx 和MuRF1 这2 种特异表达的泛素连接酶通过在抗重力肌中的表达升高调节骨骼肌的分解代谢，参与调节骨骼肌萎缩。

除此以外，缺血缺氧环境加速了抗重力肌的氧化应激水平和炎症反应，可通过核因子kB（NF⁃κB）、FOXO 和p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）信号通路激活MuRF1 和MAFbx，促进蛋白质分解。

另外，影响慢肌纤维表达的转录共激活因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ 的辅助激活剂1 α（PGC⁃1α），在失重环境下抗重力肌中基因和蛋白表达水平显著减少，促进了Ⅰ型肌纤维向Ⅱ型肌纤维的转变。

3 失重状态下肌萎缩的营养支持作用

尽管失重状态下肌肉萎缩是多种因素共同作用的结果，但多数学者认为肌肉蛋白质合成和分解代谢失衡是失重性肌萎缩发生的关键原因。 优化肌肉蛋白质合成和分解代谢，对抗失重性肌萎缩的营养策略，应该既能提供足够的营养素摄入和能量以满足骨骼肌的需求，也能考虑到在轨飞行时间、代谢特点和身体消耗而变得个性化，这已成为越来越多国内外研究者的共识。 研究表明，补充蛋白质、氨基酸类、抗氧化剂、维生素D 和肌酸等营养物质，可能是对抗失重状态下肌萎缩的有效干预措施。

3.1 蛋白质、氨基酸类营养物质补充策略

蛋白质／氨基酸、HMβ 等均在肌肉的合成和分解代谢中发挥重要作用，目前鲜有研究太空飞行中补充蛋白质的效果，但通过头低位卧床模拟失重效应试验，蛋白质的效果已有相关研究。

Paddon 等发现，卧床过程中从第1 天直到第28 天补充氨基酸，刺激了蛋白质的合成，使受试者下肢肌肉的质量平均增长了200 g。 Arentson等研究发现，卧床时在不改变总能量摄入的前提下，改善蛋白质的质量（例如摄入亮氨酸、支链氨基酸）可以一定程度上缓解肌肉萎缩。 此外，Jang 等和Taiki 等的动物实验结果也证明，后肢悬吊14 d 的大鼠每日口服600 mg／kg支链氨基酸，可减少比目鱼肌MuRF1 和Atrogin1 mRNA的表达，缓解肌肉蛋白质降解，有效阻止大鼠悬吊过程中比目鱼肌重量的减少。

亮氨酸代谢的第一阶段是可逆转氨化为酮酸α⁃酮异己酸（KIC），KIC 可刺激肌肉蛋白质的合成，甚至同等剂量口服时产生的效果超过了L 型的支链氨基酸。 但是也有研究者认为，肌肉蛋白质合成的增加可能是由于KIC 的可逆转氨作用将其转回了亮氨酸，亮氨酸本身刺激了蛋白质的合成，而不是KIC。 亮氨酸可逆转氨后，KIC 不可逆地代谢为异戊酰⁃CoA，另一小部分转化为β⁃羟基⁃β⁃甲基丁酸（HMβ），目前的研究认为HMβ是一种有效的蛋白质合成促进剂。 Deutz 等的研究中，卧床10 d 的老人每天补充1.5 g HMβ，与对照组相比，可明显阻止瘦体重的下降。 Hao等的动物实验也指出，大鼠后肢悬吊14 d 的过程中，补充HMβ 可以减轻快肌纤维和慢肌纤维面积的减少程度，同时通过降低肌纤维中Bax、caspase⁃3 和caspase⁃9 蛋白含量，抑制了肌细胞凋亡，防止了肌肉萎缩。 HMβ 对骨骼肌的影响主要在于通过泛素依赖的蛋白质水解抑制蛋白质的分解，降低肌肉的降解速度，增强内质网的钙释放，同时刺激卫星细胞，促进肌肉的再生等。

Trappe 等发现60 d 头低位卧床期间，受试者每日摄入1.6 g／kg 蛋白质，与每日摄入1.0 g／kg 蛋白质相比，并未带来防止肌肉围度和力量丢失的有益作用。 Brooks 等也指出，卧床28 d中每天进行15 g 必需氨基酸的补充，大腿肌肉横截面积和肌肉力量仍然分别下降了11%和22%。另外，也有研究提示，满足日常推荐量的膳食蛋白质摄入0.8 g／（kg·d）便可有效预防失重带来的肌肉质量丢失和力量下降。 如若将蛋白质的摄入增加到1.45 g／（kg·d），则可加剧卧床诱导的骨吸收标志物C⁃端肽的增加，带来骨质丢失加剧的新问题，所以在失重条件下，蛋白质的摄入并不是越多越好。

3.2 抗氧化剂补充策略

1991 年，Kondo 等在尾吊大鼠时发现体内增加的活性氧（Reactive Oxygen Species， ROS）和氧化还原作用均在肌肉萎缩中发挥了重要的作用。 长时间限制活动将增加肌纤维膜、肌浆网和线粒体中的ROS，造成氧化应激水平增加，导致关键蛋白水解蛋白的表达增加，造成肌纤维中的蛋白水解增加。 此外，氧化应激还会在起始水平上阻碍mRNA 的翻译，抑制蛋白质合成，进而诱导肌肉萎缩的发生，如图1 所示。

图1 废用性肌肉萎缩ROS 来源示意图［38］（肌细胞膜和肌浆网中NADPH 氧化酶（NOXs）、骨骼肌细胞外空间中的黄嘌呤氧化酶（XO）和线粒体产生）Fig.1 Sources of ROS in disuse muscle atrophy［38］（can be generated by NADPH oxidases （NOXs） in the sarcolemma and the sarcoplasmic reticulum， by xanthine oxidase（XO） in the skeletal muscle extra⁃cellular space，and by mitochondria）

随着研究的深入，研究者发现，补充抗氧化剂，如维生素E、维生素C、白藜芦醇、类胡萝卜素、硫辛酸、多酚、n⁃乙酰半胱氨酸等可以调节肌肉中蛋白质合成和降解的平衡途径，防止肌肉萎缩。 除了补充外源性抗氧化剂，增加内源性抗氧化作用同样对失重状态下肌肉中蛋白质平衡具有重要作用。

3.2.1 维生素类抗氧化剂补充策略

Kondo 等实验证明VE 的补充能够预防尾吊大鼠废用性肌肉萎缩，该途径通过下调肌肉蛋白水解相关基因的表达被证明。 后续Servais指出用高剂量水平VE（60 mg／kg，每周2 次）治疗的动物会增加热休克蛋白72 的表达，并降低包括calpain 和caspase⁃3 在内的几种凋亡蛋白酶的表达。

但是，也存在不一致的研究结果。 Koesterer等的动物研究发现维生素类抗氧化剂鸡尾酒（VE、VC 和胡萝卜素）虽能增强肌肉的抗氧化能力，但并不能防止尾吊引起的肌肉蛋白质丢失。同样地，Arc⁃Chagnaud 等观察了维生素类综合抗氧化鸡尾酒的方式（多酚741 mg，VE138 mg，硒80 μg 和脂肪酸2.1 gW⁃3）对60 d 头低位卧床及其恢复期肌肉的影响，结果表明实验组Pras40 和4E⁃BP1 磷酸化水平在卧床后和恢复期均无变化，也进一步反映了氧化还原平衡机制的复杂性。

3.2.2 白藜芦醇补充策略

白藜芦醇主要存在于花生、松树、桑葚、葡萄皮和红酒中的天然多酚物质。 其在抗炎、抗氧化、抗动脉粥样硬化、抗肿瘤、抗糖尿病中发挥了重要作用。 白 藜 芦 醇 属 于Sirtuin⁃1 的 激 活 剂，Sirtuin⁃1 与骨骼肌前体细胞的增殖有关。 通过激活Sirtuin⁃1，从而激活PGC⁃1α。 Bennett 的动物研究表明，每天125 mg／kg 白藜芦醇的补充可促进后肢悬吊时肌肉质量的恢复，同时增加了IIA和IIB 型肌纤维的横截面积。 Momken 等分别在悬吊前4 周和悬吊期间给大鼠每天补充400 mg／kg 白藜芦醇，白藜芦醇通过维持比目鱼肌Sirtuin⁃1 和COXIV 蛋白质含量，对抗后肢失重造成的质量和收缩力下降。 Mañas的研究结果表明后肢悬吊恢复期小鼠给予20 mg／（kg·d）白藜芦醇治疗后，小鼠下肢快肌纤维横截面积下降减慢，同时显著改善下肢肌肉内祖细胞的数量和活化水平，并增加卫星细胞的计数，增加Sirtuin⁃1 活性和蛋白表达。

目前的研究虽然证明了白藜芦醇对于改善失重状态下肌萎缩可作为一种潜在的补充策略，但其对肌肉质量和力量的有益效果还需要更多的实验数据支持。

3.2.3 姜黄素补充策略

姜黄素是从姜黄中提取的一种多酚类活性成分，具有抗衰老、抗氧化、抗炎、抗病毒、抗肿瘤等作用。 姜 黄 素 通 过 阻 止NF⁃κB、p38MAPK、ERK 激酶等信号途径，对失重状态下肌肉萎缩造成 蛋 白 质 的 代 谢 不 平 衡 发 挥 作 用。Lawler发现小鼠后肢悬吊固定前和固定期间饮食中添加1%姜黄素，不仅可改善肌肉横截面积的下降，同时可增强热休克蛋白的表达，增强蛋白合成信号如Akt、p70S6K 的转导。 Vitadello 等发现姜黄素通过增加大鼠后肢悬吊期间葡萄糖调节蛋白94 的蛋白表达，使比目鱼肌肌肉质量和横截面积的损失减少近30%。

除了在失重过程中对肌肉的蛋白质代谢发挥作用，在失重后的恢复期，姜黄素也可减慢肌肉萎缩的进程。 Vazeille 等和Mañas 等的研究都观察到姜黄素可降低失重后恢复期大鼠、小鼠肌肉蛋白水解，前者还观察到恢复期肌肉功能和肌纤维横截面积的变化，后者认为姜黄素的补充降低了肌肉蛋白水解标记物NF⁃kBp50 的蛋白表达并提高了Sirtin⁃1 的活性。

因此，根据现有研究结果，如果航天员在飞行前、中、后都进行姜黄素的营养补充，将有助于防治失重状态下肌萎缩，这也为对抗能量不平衡的临床治疗提供了新的研究思路。

3.3 维生素D 补充策略

长期太空飞行过程中，血浆钙浓度的升高将使1，25（OH）D合成减少，而缺乏紫外线照射进一步造成维生素D 的耗空。 早年的研究发现，维生素D3 可以促进1，25（OH）D 的形式，刺激骨骼肌非受体蛋白酪氨酸激酶c⁃Src 的酶促活性，激活MAPK 信号转导途径，导致骨骼肌细胞的增殖和生长。 VD 与位于细胞膜表面的VD 受体（VDR）相结合，调节肌细胞中钙的摄取，调节肌细胞的收缩，增加蛋白质合成。 与此同时，VD缺乏通过VDR 降低IGF⁃1 和PGC⁃1α 表达，进而通过MuRF1 和MAFbx 触发肌肉萎缩，如图2所示。

图2 维生素D 缺乏对肌肉蛋白质合成的分解的影响机制［53］Fig.2 Effect of protein synthesis and degradation in vitamin D deficiency conditions［53］

已有随机对照实验和荟萃分析研究表明，VD 的补充对改善与年龄相关、行动受限造成的肌肉功能下降有重要作用。 但是，目前还较缺乏失重／模拟失重模型中采用VD 补充对失重性肌萎缩影响的实证研究。 Ekinci 等对骨折后卧床的老年女性进行了1000 IU／d VD 和蛋白质氨基酸的联合补充，结果发现在补充的第30 d 肌肉力量明显高于对照组。 Bostock 等对受试者的非优势手臂进行了每天9 h，共14 d 的固定，结果表明1000 IU／d的VD 补充并不能改变上肢肌肉力量和肌电图。 另外，刘成林等对尾吊大鼠的实验表明，补充10 000 IU／（kg·d）高剂量的VD 30 d后，大鼠腓肠肌去脂干重显著低于尾吊模拟失重组，并加重了模拟失重大鼠的体重减轻和腓肠肌萎缩。

VD 的补充对于失重状态下促进蛋白质的合成，减缓肌肉萎缩发生的最优剂量是多少，是否能够与其他营养素的补充产生协同作用，还需要更大的样本量和卧床实验临床研究的数据收集。

3.4 肌酸补充策略

细胞内磷酸肌酸含量对于ATP 的再合成至关重要，这一过程由肌酸激酶来催化。 事实上，聚合酶链反应、ATP 和肌酸激酶的改变都可能会调节代谢传感器—AMPK 的活性。 研究发现，肌肉失重导致的肌肉萎缩，减少了肌细胞的能量需求，进而伴随肌内磷酸酶的减少，进一步造成了肌肉的代谢性失调，导致肌肉蛋白质分解代谢增多。 肌酸的补充有益于增加肌细胞的能源供应和保存肌糖原，同时还可发挥抗氧化的作用，降低肌内钙水平和减少细胞凋亡。

目前航天医学领域中对于改善肌肉质量和功能的研究主要集中于下肢承重肌肉，而对于上肢肌肉影响的研究较少。 随着太空驻留时间的延长，下肢承重肌肉和上肢肌肉的问题都不容忽略。 Johnston 等研究了肌酸补充对上肢固定后肌肉质量和功能的影响，在固定后的第15 ～21 d，对受试者给予每次5 g，每天4 次的肌酸补充，结果表明该剂量肌酸能更好地维持上肢的肌肉质量、肌肉强度和耐力。 Hespel 等在右腿固定和恢复期，肌酸补充由20 g／d 逐渐递减至5 g／d，结果固定期仍然出现了肌肉质量和力量的下降，但是恢复期可明显提高股四头肌的横截面积和肌肉力量。

动物研究也有类似的结果。 Aoki 等分别探讨了固定后补充和固定前+固定后同时补充5 g／（kg·d）肌酸对大鼠下肢肌肉质量的影响。 结果发现，提前7 d 补充肌酸可同时使比目鱼肌和腓肠肌的质量丢失最小化，还可使峰值力矩的增长最大化，提出对抗卧床引起的肌肉萎缩采用肌酸补充的策略一定要在卧床前进行。 Marzuca等观 察 到， 后 肢 去 负 荷 大 鼠 给 予 5 d 5 g／（kg·d）口服肌酸的补充，一定程度上可减轻比目鱼肌质量的下降，增加了趾长伸肌中mTOR和4E⁃BP1 蛋白表达，促进了蛋白质合成。

但Backx发现腿部固定前5 d+固定7 d 期间，补充20 g／d 肌酸并没有抑制固定下肢的肌肉质量和力量下降，恢复期也未能产生明显效果。研究结果的不一致可能与固定肢体的时间长短、肌肉萎缩的状态和肌酸补充的剂量有关。

根据现有研究结果，航天员在飞行前、中、后均按照5～20 g／d 剂量的进行肌酸补充，可能有助于维持蛋白质代谢的平衡，对抗肌肉萎缩。

4 总结与展望

本文综述了近年来应用蛋白质、氨基酸类补充剂、抗氧化补充剂、维生素D 和肌酸不同营养干预措施改善失重状态下肌萎缩的效果，可以看出，合理使用上述营养补剂，并配合适当的剂量，可以通过调节IGF⁃1／PI3K／AKT／mTORC1 信号通路刺激蛋白质合成，并抑制泛素蛋白酶系统抑制蛋白质降解，发挥对抗失重引起的肌萎缩作用。

由于多因素参与了失重状态下肌萎缩的发生和发展，对抗失重状态下肌萎缩的策略是否有效，不仅取决于不同的模型、肌肉的类型、肌萎缩的产生程度，也取决于物种的差异。 未来还应着重开展失重肌萎缩营养防护策略的研究：

1）失重状态下肌萎缩个性化营养防护策略的研制与应用。 在评估航天员能量需求和体能防护训练能量消耗的基础上，个性化地安排膳食营养补充和运动营养补充。

2）开发植物天然提取物作为潜在的营养补充剂。 已有研究发现了白藜芦醇、姜黄素在改善蛋白质代谢平衡中的作用，后续可继续发掘其他抗氧化作用的植物天然提取物，应用于失重肌萎缩的营养防护策略。

3）深入研究不同营养补剂的单独和联合作用效果，补充的时间和剂量⁃效应关系，是否存在副作用等，为航天医学营养研发提供更多的理论依据和实践价值。