微重力环境下骨质流失及对抗措施研究进展

杨世超 宋慕格 王龙飞 王中琪 吴西 高玉海,3 陈克明,3*

1.甘肃中医药大学中医临床学院,甘肃 兰州 730000 2.中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院基础医学实验室,甘肃 兰州 730050 3.甘肃省干细胞与基因药物重点实验室,甘肃 兰州 730050

随着航空航天事业的快速发展,人类对太空的探索日益频繁和深入,太空梦、飞天梦越来越近。然而太空飞行期间,航天员暴露在微重力环境,面临着心理和身体的双重挑战[1]。微重力环境会引起贫血、心律失常、心脑血管功能紊乱等一系列生理问题[2-4]。其中,太空环境引起的骨质流失是对宇航员健康威胁最大的医学难题之一。太空微重力环境破坏了宇航员体内的骨稳态,使骨形成减少而骨吸收增加。20世纪70年代中期,人们首次发现微重力环境引起骨量丢失之后,虽然尝试进行了预防性锻炼,但在飞行任务结束后,宇航员的肌肉力量和骨密度等多项健康治标仍会受到影响[5]。如今,研究者致力于探索太空飞行期间人体发生的生理变化并制定相应的对抗措施。在失重状态下,承重骨缺乏机械应力,导致承重骨骨质流失,骨量丢失一直是宇航员所面临的重大健康挑战。

本文将综述微重力环境下引起的骨质流失现状、地面常用模拟技术、机制研究,并对微重力引起的骨量丢失对抗措施加以概述。

1 微重力环境引起的骨量流失

人体在微重力环境中极易发生骨量流失,真实的太空环境最能反映骨骼的变化情况。宇航员骨量流失主要发生在承重骨。一组来自国际空间站的监测数据显示,8名宇航员中,7人的腰椎骨密度下降了2.5%～10.6%,8人的股骨骨密度下降了3%～10%,4人的股骨颈骨密度下降了1.7%～10.5%[6]。另一组执行太空任务的13名宇航员中,脊柱和髋关节骨质为每月流失1%～1.5%,这种骨量流失的速度相当于地面上绝经期妇女的10倍,超过地面上原发性老年骨质疏松1年的骨流失量(0.5%～1%)[7]。如此高的骨量流失率严重影响宇航员执行长期太空飞行任务及进行舱外活动的能力,并且骨量随着任务持续时间持续丢失。通过检测17位宇航员胫骨骨量变化发现,太空飞行前两周骨吸收明显增加,飞行时长大于5个月后骨量显著下降,任务大于6个月时骨量丢失速率加快[8]。

与上述人类的研究结果相一致,通过监测太空实验动物骨骼变化,同样也是负重部位骨量减少最为显著。经历30 d飞行后,小鼠股骨干骺端骨小梁体积减少了64%,骨吸收增加140%,而较少负重的椎骨减少不明显[9]。另外,Coulombe等[10]研究发现,骨量丢失随小鼠的年龄的不同而变化,经历3周左右太空飞行的成熟雄性小鼠(32周)骨小梁厚度减少24.5%,而年轻小鼠(9周)无显著变化。所以,年龄也许是影响宇航员骨骼健康的关键考虑因素。

2 微重力模拟技术

太空实验是研究微重力环境骨量丢失最具生理相关性的方法,但飞行次数有限、样本量小、太空作业任务繁重、研究成本高等多种限制因素,使得研究者倾向于利用地面微重力模拟实验研究骨量丢失。虽然地面模拟重力实验不能真实地反映人体变化的实际情况,但也具有一定的参考价值。以下是地面模拟微重力技术常用的几种方法。

卧床模型被广泛用于模拟微重力对各种生理系统的影响,特别是对骨骼、肌肉和心血管系统的影响。起初是水平卧床休息被用来模拟人体在失重状态下的生理活动,后来发现这种方法未能模拟宇航员在飞行中体液向头部的重新分布。因此,研究人员将床的脚端抬高,使床倾斜,让体液从腿部向头部重新分布,倾斜角度范围为4°～15°,其中6°的倾斜角最接近微重力环境下骨量流失情况[11]。这种头朝下斜卧床模型是迄今为止最常见的人体模拟微重力方法。

干浸技术是受试者身穿防水和高弹性纺织物,仰卧位浸入与人体组织密度相近的液体中,身上的防水和高弹性衣物将受试者全面包裹,使身体表面皮肤受力均匀,织物的高弹性特性,通过漂浮,大大减小了弹性布和皮肤之间的压力,人工创造了接近零重力的条件[12]。这项技术很好地再现了失重的多种影响,例如,缺乏身体运动、消除垂直血管梯度等。此外,干浸可以实现长达56 d或者更长的实验,同时再现与卧床模型实验类似的微重力诱导的生理效应[13]。

尾巴悬吊导致的后肢废用模型即啮齿动物后肢废用是微重力模拟的最常见动物模型,其中大鼠和小鼠最为常用。在实验中将大鼠或小鼠尾部悬吊在纵向穿过笼子的拉线上,使后肢悬空,保持头低位,并使身体纵轴与水平线呈-30 °夹角,使后肢处于无机械负荷的半废用状态[14]。此模型老鼠每月骨质丢失量与实际太空环境很接近,且有望可以预测太空飞行对人类的影响,具有很好的适用性、可重复性,它能够解决因飞行空间有限、费用昂贵等一系列问题[15]。该模型缺点在于,长时间的尾部悬吊,会导致实验鼠的进食量逐渐减少,同时也会影响老鼠的情绪,进而干扰实验结果。

细胞模型主要有两种,自由落体状态和倾斜旋转,分别需要借助自由落体机和回转仪。自由落体状态模型是当细胞在自由落体机中的长真空管自由下落至最终速度时,它们无法对重力做出反应,从而使细胞处于功能失重状态。倾斜旋转模型是借助旋转仪以足够的速度旋转样品来模拟微重力,培养基与旋转容器壁以相同的角速度旋转,产生层流流体,使剪切应力最小化,调节旋转频率还可以防止颗粒沉降,从而使细胞在接近零重力的情况下保持在容器的中心。

3 微重力环境引起的骨量流失的发生机制

细胞和动物模型的建立提高了我们对微重力诱导骨量丢失背后的分子机制的理解,揭示了各种可能的治疗靶点,同时为药物治疗提供了理论依据。

3.1 微重力环境下的骨代谢和钙离子代谢

在微重力环境中,由于承重骨负荷减少,使骨骼发生适应性变化,增加骨吸收并抑制骨形成。在飞行过程中,在血清检测到骨形成相关标志物碱性磷酸酶、1型胶原蛋白和骨钙素分别下降27%、38%、28%[16]。太空微重力环境使糖皮质激素分泌增加,从而抑制成骨细胞活性,影响骨代谢效率,延缓骨再生[17]。

微重力环境下,肠吸收钙离子降低,通过肾脏排泄的钙离子增加,从而使尿钙增加,导致骨质流失,并且男女性别之间并无明显差异[18]。

3.2 骨腔隙-小管系统

骨腔隙-小管系统(LCS)中的溶质转运是骨细胞机械传感和信号调节的基本途径,微重力条件下传质不足会刺激破骨细胞,这可能是导致骨质流失的根本原因。

研究发现,微重力下溶质转运速率比地面低2～3个数量级[19],而且不同大小的重力溶质转运速率也会不同[20]。Price等[21]结合实验和数学方法将LCS中的溶质转运进行量化和直接观察,为进一步研究机械刺激调节骨细胞反应的机制提供了基础。另外,Rux等[22]发现,骨腔隙长度和老鼠的年龄有关,实验采用荧光染料标记法比较年轻(5月龄)小鼠和老年(22月龄)小鼠,发现骨腔隙长度随着小鼠年龄的增长而减小。

3.3 成骨细胞和破骨细胞

微重力环境中,成骨细胞的增值和分化受抑制,破骨细胞的生成和功能增强。在正常情况下,骨重塑是一个适应性和平衡的过程,其中骨吸收和形成相结合以调节骨组织的稳态。整个过程依赖于成骨细胞和破骨细胞协同作用,分别调节骨形成和骨吸收[23]。

3.3.1成骨细胞在为期4 d的太空飞行中,成骨细胞中的肌动蛋白细胞出现骨架塌陷和黏着斑丧失,由于细胞骨架完整性对于调节细胞周期的基因的信号转导和表达至关重要,因此肌动蛋白细胞骨架结构和细胞黏附的丧失可以阻止成骨细胞在空间中的增殖[24]。骨髓间充质干细胞向成骨细胞的增值和分化,在微重力环境中也会受到抑制[25],成骨细胞分化标志物的基因表达受到抑制,包括骨形态发生蛋白(BMP)和Runt相关转录因子2(Runx2)[26]。另有一项关于初级纤毛的研究,在微重力模拟环境中,成骨细胞上的初级纤毛消失,初级纤毛在骨代谢中起感觉作用,保护初级纤毛,或许能够抑制微重力引起的骨量流失[27]。

长链非编码RNA(lncRNA)是一种长度为200～100 000个核苷酸的非编码RNA,它虽然不编码蛋白,但参与许多重要的生理和病理过程。许多研究表明,在微重力环境中,它与骨质疏松有着密切的联系。成骨细胞机械传感lncRNA中的Neat1在模拟微重力下明显减少,Neat敲除的小鼠体内骨形成受到严重抑制,与对照组相比,骨密度、小梁厚度、小梁体积均降低[28]。在多项微重力模拟实验发现,长链非编码RNA人肺腺癌转移相关转录本1(lncRNA MALAT1),可以通过多个途径促进成骨分化,包括靶向调节miR-494和激活SP1/TLR2/BMP2通路,促进血管生成和成骨分化[29],靶向调节miR-96/Osx轴促进骨髓间充质干细胞成骨分化[30],靶向下调miR-124的表达,促进成骨分化等等[31]。此外,lncRNA H19在微重力模拟环境的表达下调促进了成骨基因的表达[32]。

另外,Piezo1机械传感器在骨形成中起着关键作用。成骨细胞谱系细胞中敲除Piezo1会破坏成骨细胞的成骨作用,并严重损害骨骼结构和强度,在模拟微重力处理通过抑制Piezo1的表达降低了成骨细胞的功能[33]。

3.3.2破骨细胞一项有关破骨细胞的太空实验,在牛骨切片上培养的成熟破骨细胞与它们的相对地面对照相比,分别在第5天和第7天的太空飞行后,出现对微重力的吸收活性增强,并且微重力诱导骨吸收相关基因的表达显着增加,以及胶原蛋白端肽生成增加[34]。与上述太空研究结果相一致,微重力模拟环境同样促进了破骨细胞的生成和功能[35]。

3.3.3其他细胞微重力环境除了影响成骨细胞和破骨细胞,对其他细胞也有一定的影响。在时长28 d微重力模拟实验中,大鼠骨髓间充质干细胞Runx2表达降低,成骨潜力降低[36]。微重力环境还对单核巨噬细胞发育和增值具有抑制作用,并且对单核巨噬细胞向破骨分化具有促进作用[37]。

4 微重力环境引起骨量流失对抗措施

4.1 运动锻炼

人们最早发现太空环境引起骨量丢失之后,便进行运动锻炼来预防骨质疏松。一项太空研究表明,宇航员每日进行2.5 h的运动锻炼可以延缓骨密度度的下降[38]。地面模拟实验有着相同的结果,受试者在为期17周的卧床实验中,运动组的腰椎、髋骨、跟骨、盆骨的骨密度均高于对照组[39]。每日适量的运动锻炼,能够在一定程度上对抗骨质流失,但并不能完全抑制[40]。所以,运动锻炼有必要联合其他方法综合对抗骨质流失,例如双膦酸盐作为运动的补充剂,可以在长期飞行过程中保护骨骼[41-42]。

4.2 饮食补充

太空飞行中失重环境所导致的钙、维生素D和维生素K缺乏,适量的补充这些微量元素能够很好的预防微重力引起的骨质流失[43-44]。而且科学合理的摄入植物和动物的优质蛋白也是维持骨骼健康的重要因素[45]。

4.3 药物治疗

药物治疗对于未来的太空探索至关重要,尤其是因为药效学和药代动力学地面和太空有所不同。已确定多种药物可通过促进成骨细胞分化、成熟和活性以及抑制破骨分化来预防骨质疏松。

分子化合物在治疗微重力诱导的骨量丢失有巨大潜力,可用于预防微重力条件下的骨质流失。通过使用受控的3 D体外细胞模型来模拟失重的实验发现,鸢尾素诱导的骨保护素是地面组的2.8倍,这可能有助于减少微重力条件下破骨细胞的形成[46]。鸢尾素也可以促进成骨细胞的生成,较低剂量的重组鸢尾素通过增加β-catenin的表达在模拟微重力条件下正向调节成骨细胞分化的效果最佳[47]。鸢尾素已被证实可以抑制后肢悬吊小鼠的骨质流失[48]。姜黄素是一种天然的化合物,它可以抑制氧化应激和上调VDR表达,减轻了模拟微重力大鼠的骨质流失,同时它还有良好的抗炎和抗癌特性[49]。褪黑激素可以抑制破骨细胞功能,是一种低风险的抗骨吸收药物。Ikegame等[50]使用金鱼鳞片作为破骨细胞和成骨细胞共存的骨骼模型,在模拟微重力环境下,褪黑激素能够显著刺激降钙素mRNA表达并降低核因子κB配体(破骨细胞生成的促进剂)受体激活剂的mRNA表达,从而抑制破骨细胞功能,同时,褪黑激素也可以提高暴露于太空辐射的细胞存活率,确保细胞的正常增值[51],褪黑激素可能是一种潜在的新药来源。

中医药是我国防治微重力环境骨流失的特色方法,多项研究表明,许多中药及其提取物有着非常好的抗骨质疏松作用,在改善疼痛、提高骨密度等方面具有独特的优势[52-53]。黄芩提取物RSE在后肢悬吊大鼠模型组按50 mg/(kg·d)剂量给药42 d后,骨密度、机械强度等方面比对照组均显著提高[54]。还有骨碎补总黄体酮[55]、淫羊藿苷[56]等多种中药对骨量丢失均具有防治作用。中医针灸也有着很好的效果,将30只大鼠随机分为3组,健康对照组、尾悬吊后肢卸载组、电针治疗组,运用电针刺激BL20、BL23和SP6,每次30 min,持续30 d,电针治疗组BV/TV和Tb.N下降数值明显低于尾悬吊后肢卸载组,大鼠的骨量丢失受到抑制[57]。

4.4 物理治疗

应用一些特殊的装置,例如机械加载装置、低频脉冲电磁场等,都具有对抗微重力环境骨量丢失的作用,因其安全可靠,已被广泛开发于多种类型。

例如,太空飞行期间,使用机械加载装置,每天对宇航员的下肢施加短时间的外部脉冲负荷,之后对宇航员的骨钙和股骨颈进行了飞行前和飞行后BMD测量,与飞行前相比,接收机械刺激的宇航员骨密度在整个飞行期间保持不变,而没有接收机械刺激的宇航员骨密度下降了7%[58]。李文苑等[59]实验发现,应用50 Hz 0.6 mT的低频脉冲电磁场可以有效提高尾吊大鼠的骨密度和生物力学值,促进大鼠血液中骨形成标志物水平,提高成骨细胞含量。陶飞飞等[60]在模拟微重力的环境下,运用变频振动,观察对体外培养的成骨细胞增值和分化的影响,发现90 Hz和5～90 Hz的变频振动对微重力模拟环境成骨细胞的增值功能具有促进作用,45 Hz和5～90 Hz变频振动对微重力模拟环境成骨细胞的分化功能具有一定的保护作用。

5 小结

伴随着航空航天事业的蓬勃发展,人类对太空探索的不断深入,人们对微重力环境引起的骨量流失有了更加全面的认识。航天研究者借助动物、细胞等模型,揭示了微重力引起的骨质流失背后的分子机制,为探寻骨量流失对策提供理论依据,从而制定对抗骨量丢失的方案,保障宇航员的骨骼健康和工作效率。骨质流失源于成骨细胞的骨形成减少和破骨细胞的骨吸收增加,但目前大多文献报道主要集中在破骨细胞。微重力中破骨细胞活性增加的初步观察提出了有希望的治疗目标,因此,破骨细胞在骨质流失中的作用需要进一步阐明。