航天失重对人体的生理影响及对抗研究进展

吕松泽，李小涛，王惠娟，王颜晴，张剑锋，刘书娟

(1西安电子科技大学特殊环境生理与体能训练军民融合创新研究中心，陕西 西安710126； 2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)

中国载人航天已进入空间站时代，长期航天飞行将变得更为频繁，同时航天员的安全与健康保障也面临更高挑战[1-2]。重力环境可导致人体组织结构产生新的适应，但这种去重力性适应将使航天员重返重力环境时面临诸多危险，因此必须采取措施对抗失重所致的不良生理效应[3]。虽然运动锻炼是当前最为有效的失重对抗策略，但其并不能解决所有问题，且耗时较多，消耗资源过多。因此，采取多种策略联合应对的系统与整合，或许是未来失重防护的必经之路[4]。本文重点阐述肌肉、骨骼、心血管及神经等运动相关系统的去重力适应性改变，同时回顾包括运动锻炼在内的失重对抗措施和防护效果，并提出失重防护研究的未来发展方向。

1 航天失重对人体的生理影响

1.1 航天失重对肌肉骨骼的影响

骨骼的主要功能是支撑各组织器官并完成身体活动，失重环境下的支撑和杠杆作用使骨结构产生废用性改变的可能性大大减小。进入太空失重环境数日内，尿钙排泄量可增加60%～70%[5]。随着飞行时间的延长，骨矿物质流失不断增加，其中跟骨骨质在太空飞行2个月后丢失4.5%，4个月后丢失7.9%[6]。人体椎骨骨密度在太空飞行2～4个月减少0.67%～0.93%，5～7个月减少0.3%～10.8%[7]。由于个体差异和测量方法的不同，骨质丢失的绝对值可能有一定差异，但太空失重环境可能比地基模拟失重降幅更大[8]。脊柱、骨盆和股骨等主要承重点的骨密度均有明显下降，上肢骨密度下降幅度很小，而颅骨骨密度有一定程度增加[9-10]。股骨骨松质部位骨小梁区更易受到失重的影响，其骨密度的损失大于股骨皮质[6]。

在太空失重环境中，人体不需要克服重力维持身体直立或平衡，因此骨骼肌会发生废用性适应。来自太空飞行的报告显示，航天员股四头肌和小腿三头肌体积在飞行8 d后分别减少6.0%和6.3%，飞行16 d后分别减少高达15.4%和15.9%[11-12]。在112～196 d的长期飞行中，航天员的腓肠肌和比目鱼肌分别减小了24%和20%[10]。CHANG等[13]在对国际空间站(International Space Station，ISS)驻留6个月以上的航天员的腰椎旁肌进行评估时发现，在飞行结束后经过46 d的恢复仍然不能达到飞行前的水平。BURKHART等[14]通过对17名长期太空飞行航天员的数据比对发现，多裂肌、竖脊肌、腰方肌和椎旁肌在飞行后分别下降4.6%、8.4%、5.9%和8.8%，其中椎旁肌在返回地球后需要1年左右时间才得以恢复，腰方肌和腰大肌则需要更长的恢复时间，因此可能造成航天员的腰部疼痛问题。CHANG等[13]报道，在ISS驻留6个月的航天员足部跖屈时小腿三头肌最大等长收缩力下降高达37.6%，且下降幅度与飞行持续时间密切相关。

1.2 航天失重对体液及心血管功能的影响

太空失重期间与地面平卧位相似，沿身体纵向的重力作用为零，体液和血液沿身体均匀分布，全身流体静压梯度消失，体液头向转移[15]。进入太空失重环境初期，与飞行前相比，航天员前额厚度增加7%、眼压增加92%、心脏每搏射血量(stroke volume，SV)随液体头向转移暂时增加[16]。在失重环境中，心脏不需要加大收缩力克服重力维持动脉血压向头部输送血液。因此，心脏在航天飞行8～10 d后就可能产生废用性萎缩，幅度高达10%[17]。在太空失重时人体体液及心血管功能的反应可能与头低位卧床和浸水模拟失重有一定差异[18]。在太空飞行期间，尽管体液向上转移，但中心静脉压(central venous pressure，CVP)仍然降低[19]。CVP的降低可能是由于胸腔和纵膈失去重力压迫导致胸部形状改变和胸腔内部压降低引起的[20]。此外，太空飞行期间并未观察到明显的排尿增多现象，但由于液体摄入的进一步减少，体液呈现负平衡；同时，由于体液负平衡和体液向毛细血管外组织间隙的转移，8～12 d的太空飞行可导致血浆容量减少17%左右[21]。

在失重条件下，SV和交感神经活性相反，SV降低而交感神经活动张力增加。NORSK等[22]研究发现，在太空飞行3～6个月后，SV和心输出量(cardiac output，CO)增加了35%和41%。多数研究认为，CO在最初迅速增加后会在几日内缓慢下降并趋于地面直立位[23]。长期航天飞行后，即使平卧位，SV也显著减少，同时交感神经活动张力增加，但无论是在太空飞行时还是在航天返回后，SV和交感神经及心率关系始终保持不变[24]。太空飞行2周后航天员的全身血管阻力有所减少，但是与地面水平卧位相比无显著性差异，而在更长时间的飞行中，全身血管阻力下降幅度可达39%[25]。短期太空失重暴露可能导致航天员运动耐力和立位耐力下降，甚至可能出现直立体位性低血压、突发性晕厥等严重威胁健康和安全的情况[15,19,22]。上述情况可能与血容量减少、心脏功能减退以及血管收缩反应能力降低密切相关[26]。

1.3 航天失重对脑组织的影响

长期航天失重环境暴露可能导致大脑结构改变。KOPPELMANS等[27]对27名返回后航天员的核磁共振扫描数据进行了回顾性研究，结果发现广泛的脑皮质灰质减少，其中涉及颞叶和额叶顶部以及周围的大片区域，且长期飞行的改变大于短期飞行；内侧初级躯体感觉和运动皮质内也有双侧局灶性灰质减少。VAN OMBERGEN等[28]研究了长期航天飞行期间中枢神经系统的神经可塑性变化，并得出小脑、皮质运动区和前庭相关通路高度参与了失重引起的结构功能重塑的结论，进一步证实这些脑组织相关区域确实受到实际和模拟太空飞行的影响，相关研究还在继续进行中。

1.4 航天失重对神经视觉系统的影响

近期美国宇航局的相关研究报告显示，在ISS长期驻留的航天员飞行返回后眼部发生了不同程度的屈光视力下降、视盘水肿、眼球扁平化、脉络膜皱褶和眼底的棉絮斑等一系列生理病理改变，这些改变被称为太空神经视觉综合征(spaceflight associated neuro-ocular syndrome，SANS)[29]。2016年，美国宇航局对上述症状的临床、超声、光学相干断层成像和眼底检查结果进行了调查，结果发现64名航天员中有10人出现了椎间盘水肿，7人出现眼底棉絮斑，另外一批检查的47名航天员中11人出现脉络膜皱褶，12人出现眼球扁平化改变，9人出现屈光不正，SANS可能与太空飞行持续时间密切相关[30]。SANS的确切原因尚未阐明，可能与体液头向转移引起的颅内压升高有关[29-30]。

2 空间站常规失重对抗策略

2.1 基于运动锻炼的失重对抗

2000年ISS首次进行长时间太空飞行，同时使用太空跑步机和太空自行车进行有氧锻炼，并采用临时性飞轮抗阻设备进行抗阻锻炼，航天员用于运动前后准备整理和运动锻炼的时间为6 d/周、2.5 h/d[31-32]。但6个月的太空飞行后腰椎骨密度仍降低4%，股骨密度降低10%[7]。与此同时，3～6个月的太空飞行导致最大肌力下降17%[33]。因此，长期的太空飞行中单纯有氧锻炼并不能有效地防止肌肉力量下降和骨质丢失。即便跑台联合抗阻锻炼也不能阻止肌肉体积和峰值功率下降[33-34]。经过6个月的太空飞行，腓肠肌和比目鱼肌的体积分别萎缩了10%和15%，其峰值功率输出在太空飞行后下降32%[35]，等速肌力测试下降幅度高达31%，最大等长收缩能力下降幅度高达35%[36]。

2008年ISS安装了升级版抗阻锻炼设备，其最大阻力负荷2 675 N，在深蹲、单腿深蹲、提踵、单脚提踵、硬拉、罗马尼亚硬拉、直立划船和俯身划船等锻炼模式的基础上，又增加了后蹲、宽站距深蹲、相扑硬拉、耸肩、实力推，卧推、肱二头肌弯举等锻炼模式[32]。新的锻炼设备对肌肉萎缩和骨质丢失的防护效果有较为明显的提升，然而并不能有效对抗椎骨的骨质丢失[32]。最近几年，ISS采取SPRINT高强度锻炼替代了原有锻炼方案，结果发现新的方案并不比传统方案更有效，只是有效节省了用于锻炼防护的时间[37]。

2.2 基于药物的失重防护

ISS当前采用抗阻锻炼联合药物对抗失重性骨质疏松，口服药物包括双膦酸盐、钙和维生素D[32]。双膦酸盐可通过阻止破骨细胞活化减缓骨吸收、改善骨密度和降低骨折率。通常飞行前3周开始服用并持续整个飞行期，服用剂量通常为70 mg/周，同时每日服用400～800 IU维生素D3和1 000 mg以上钙剂[32]。4～6个月太空飞行期间以上策略虽然基本维持了骨密度，有效避免了下肢的骨质丢失，但并不能完全防止肌肉和心血管系统功能的下降[38]。

2.3 基于下体负压的失重防护

下体负压(lower body negative pressure，LBNP)是对身体下部施加负压以引起体液向足部转移。有研究认为，负压达到-40 mmHg时，肾素血管-紧张素-醛固酮系统才被激活[39]。和平号空间站曾试用过LBNP装置，但因其内部未安装鞍座以支撑人体，导致负压时脚触及腔室底部小腿肌肉产生收缩，这种收缩可能减弱了体液的足向转移效果[39]。在后续的航天飞行中进行了相应改进，并与水盐补充联合使用，作为失重生理效应的对抗策略；在着陆前的最后2～5 d内，摄入含6～9 g NaCl 1 000 mL左右的生理盐水，并进行LBNP锻炼，可一定程度改善返回后的立位耐力不良[40]。与无LBNP和等渗生理盐水摄入的航天员相比，着陆前4 h暴露在-30 mmHg的LBNP下，心率增加和收缩压降低幅度较少[41]。但该方案需要在航天返回前对航天员进行长达5 h干预，因此存在诸多不便。LBNP联合跑台锻炼也曾被建议用作肌肉骨骼及心血管系统的对抗策略[42]，然而其庞大的体积存在空间资源和工程等问题。

3 基于人工重力效应的新型防护策略

3.1 基于短臂离心机的人工重力

人体短臂离心机转动时的惯性离心力可以产生人工重力[43]。地面模拟失重实验证实，间断性人工重力暴露可有效防止心血管功能失调，并在一定程度上维持人体立位耐力，但单纯人工重力对运动能力下降防护效果有限，尤其不能维持有氧耐力[44-46]。基于人工重力的运动锻炼，在对抗有氧能力降低的同时可有效对抗心血管功能紊乱，因此这可能是解决失重问题的根本途径[45-47]。但在航天器上安装这种装置是项巨大的工程挑战。或许未来在月球或其他星球建立太空基地后，将短臂离心机和运动锻炼结合，将是完美的失重对抗策略。

3.2 基于血流限制的人工重力效应

血流限制(blood flow restriction，BFR)是将充气袖带或弹力带等长度可调材料绕于肢体根部，通过调节压力或围度对肢体施加压力，促使动静脉血流部分阻断以调节该肌肉群血流量的方法[48-50]。失重导致的血液头向分布，可能是导致人体心血管功能紊乱、颅内压升高及SANS的主要原因。而基于大腿根部加压套带的BFR可促使血液滞留下肢，从而模拟作用于人体体液和心血管的重力效应。因此，BFR或许可在一定程度上缓解颅内压及眼压升高导致的脑组织和神经视觉损害的发生。姜世忠等[51]研究证实，BFR可对心血管系统施加一种强有力的类似重力的刺激，在一定程度上减弱失重导致的体液重新分布的头向转移，从而可能达到改善心血管功能的作用。IIDA等[52]研究发现，BFR可在一定程度上减少头面部充血等不适，通过提高心血管总外周阻力、减少SV与CO等改变血流动力。

近期大量研究证明，基于BFR的运动锻炼在较低负荷的运动刺激下即可达到与大负荷运动锻炼同样的训练效果，从而极大程度地降低高强度大负荷训练可能诱发的运动损伤风险[53-54]。ABE等[55]研究发现BFR结合小负荷的慢跑或快走，可有效提升有氧代谢能力。SCHOENFELD等[56]研究发现，采用30%最大负重的抗阻训练，即可有效提高肌肉力量，同时增加肌肉体积。LOENNEKE等[57]认为小负荷BFR训练诱导的肌肉质量和力量增加与高强度训练方案相当。此外，在航天飞行器中使用这一锻炼也可以大幅度降低抗阻锻炼设备的最大阻力参数需求，从而降低运载负荷，减少对航天器空间资源的占用。

4 结语

航天飞行面临的失重会对人体生理系统功能造成一系列不良影响，其导致的心血管功能紊乱、肌肉萎缩、骨质丢失等，可能严重影响航天员太空出舱活动、紧急突发状况的应急操作及返回地面后的工作和生活，甚至危及航天员的安全。虽然当前采用的运动锻炼失重防护可以在一定程度上维持人体的有氧运动能力，抗阻锻炼联合药物的对抗方案能在一定程度上抵消骨密度的流失和肌肉体积的减小，但两者均不能完全对抗失重导致的不良心血管效应，航天员返回后仍有发生立位耐力不良导致晕厥的风险。基于人体短臂离心机的人工重力系统可能是未来对抗失重的根本途径，但因工程原因，目前还暂时无法实现；而基于加压套带的血流限制可有效缓解失重导致的体液头向分布，同时有可能在一定程度上缓解SANS的症状。未来基于运动锻炼的失重防护方案需进一步优化，或许运动锻炼结合血流限制可达到更好的失重对抗效果。