劉 菁，冷非凡，高玉海，陳克明

近年來人類對(duì)太空環(huán)境的探索逐步加深，國(guó)內(nèi)外航空事業(yè)也不斷取得新的突破，但與此同時(shí)太空微重力對(duì)宇航員身體帶來的健康威脅也愈加明顯，其中骨丟失已成為影響宇航員健康的首要風(fēng)險(xiǎn)。骨骼是支撐機(jī)體和維持生命活動(dòng)的重要器官，它賦予我們基本的形態(tài)并幫助我們完成各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，對(duì)力學(xué)載荷十分敏感，流體剪切力、牽拉力、失重、超重等力學(xué)刺激都可影響骨骼的動(dòng)態(tài)平衡[1]。太空的微重力環(huán)境會(huì)導(dǎo)致宇航員骨丟失，降低骨密度，增加骨脆性，進(jìn)而誘發(fā)骨質(zhì)疏松。微重力環(huán)境引起的骨丟失已成為航天生理學(xué)和空間醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的核心問題?；谝陨媳尘埃疚木C合介紹目前關(guān)于微重力環(huán)境引起骨丟失方面的工作進(jìn)展，以期為相關(guān)防治工作的開展提供一些思路和理論依據(jù)。

1 太空微重力環(huán)境對(duì)宇航員骨代謝的影響

人體骨骼在正常環(huán)境中，由成骨細(xì)胞承擔(dān)的骨形成和破骨細(xì)胞承擔(dān)的骨吸收在大多數(shù)情況下處于動(dòng)態(tài)平衡，而當(dāng)處于太空微重力環(huán)境中，骨骼幾乎完全失去重力作用，為適應(yīng)這一變化而發(fā)生一系列改變，如骨吸收的增加和骨形成的減少[1]。與人體因衰老和性腺功能下降導(dǎo)致的原發(fā)性骨質(zhì)疏松不同，微重力環(huán)境引起的是一種廢用型和繼發(fā)性骨質(zhì)疏松，微重力環(huán)境引起的骨丟失速度比在地面上更快且更難以恢復(fù)。為了探尋太空環(huán)境中骨丟失的具體機(jī)制，多位學(xué)者對(duì)宇航員飛行前后的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行密切追蹤，發(fā)現(xiàn)宇航員任務(wù)結(jié)束后唾液、血液和尿液中鈣離子水平升高現(xiàn)象極為普遍[2]，且有試驗(yàn)結(jié)果表明，尿液中礦物質(zhì)變化較大的宇航員骨礦物質(zhì)密度降低幅度更大[3]，這一現(xiàn)象說明鈣離子的流失似乎是太空環(huán)境中骨丟失的重要環(huán)節(jié)。Smith等[4]認(rèn)為，太空環(huán)境中身體的低負(fù)重增加了骨吸收，這使得大量的鈣從骨骼中釋放出來，從而增加了血鈣濃度，他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)甲狀旁腺激素和1，25-二羥維生素D水平也均被下調(diào)，而維生素D的下調(diào)導(dǎo)致腸鈣吸收的減少，這進(jìn)一步誘導(dǎo)了骨丟失的發(fā)生。然而宇航員并非所有骨骼都會(huì)發(fā)生骨丟失現(xiàn)象，多項(xiàng)研究表明微重力環(huán)境導(dǎo)致的骨丟失有明顯的部位選擇性。在美國(guó)和俄羅斯對(duì)宇航員長(zhǎng)期飛行后不同部位骨骼變化情況的合作研究發(fā)現(xiàn)，腰椎、骨盆等下肢骨出現(xiàn)了骨丟失現(xiàn)象，而顱骨卻出現(xiàn)了增高趨勢(shì)[5-6]。Oganov等[7]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)顱骨和頸椎出現(xiàn)了骨密度增加的趨勢(shì)，宇航員骨丟失現(xiàn)象僅發(fā)生在負(fù)重的下肢骨，這被稱為骨密度移位現(xiàn)象，歸因于骨組織為應(yīng)對(duì)機(jī)械力改變。此外，重力缺乏會(huì)使宇航員承重骨機(jī)械載荷降低，但不同部位承重骨骨丟失有差異，位置越低骨丟失越嚴(yán)重[6]。微重力環(huán)境對(duì)宇航員不同部位骨骼的影響差異顯著，影響方式也復(fù)雜多樣，具體機(jī)制還需進(jìn)一步探究。

2 地面模擬微重力環(huán)境引起的骨丟失現(xiàn)象

盡管在空間站進(jìn)行研究可以直接展示飛行中骨丟失的真實(shí)狀態(tài)，但是由于樣本有限、成本高昂和空間飛行的復(fù)雜性等原因，更多學(xué)者選擇在地面開展模擬微重力環(huán)境的各種實(shí)驗(yàn)來研究微重力環(huán)境誘導(dǎo)骨丟失的機(jī)制和防治措施。目前地面模擬微重力環(huán)境的研究方式主要分為長(zhǎng)期臥床模型、鼠尾懸吊模型和細(xì)胞模型。

2.1長(zhǎng)期臥床模型 多數(shù)人在每日的日常活動(dòng)中有大半的時(shí)間都是在直立狀態(tài)下進(jìn)行的，這時(shí)脊椎是垂直受力的，只有在約8 h的睡眠時(shí)間中脊椎受力方向是水平的，持續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間臥床狀態(tài)會(huì)使體液向上移位，下肢機(jī)械載荷減少。在對(duì)臥床志愿者身體各項(xiàng)指標(biāo)的追蹤中發(fā)現(xiàn)，從臥床休息開始尿液中鈣排泄量就出現(xiàn)增加，同時(shí)鈣吸收減少，骨骼結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，骨密度降低，這與太空微重力環(huán)境造成的廢用型骨質(zhì)疏松極為相似[8]。不僅如此，長(zhǎng)期臥床模型與太空飛行具有同樣的位點(diǎn)特異性。研究發(fā)現(xiàn)，人的腰椎、股骨、脛骨、跟骨等承重骨在長(zhǎng)期臥床后會(huì)出現(xiàn)明顯的骨丟失現(xiàn)象，并且丟失量隨臥床時(shí)間延長(zhǎng)而增多，但顱骨等非承重骨受影響較小[9]。也有研究人員對(duì)24名男性受試者進(jìn)行60 d臥床研究，來評(píng)估他們橈骨和脛骨的皮質(zhì)面積、厚度和骨密度，結(jié)果表明臥床狀態(tài)對(duì)脛骨遠(yuǎn)端的影響最強(qiáng)，骨密度損失的同時(shí)皮質(zhì)面積和厚度也出現(xiàn)減少[10]，而在同年對(duì)24名女性受試者的相同研究中也證實(shí)了這一結(jié)果[11]。但是不同性別受試者在微重力環(huán)境下所受的影響是否相同還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，我們知道，正常狀態(tài)下男性的骨密度和骨含量均高于女性，然而微重力環(huán)境對(duì)骨代謝的影響是否會(huì)因性別產(chǎn)生不同的差異？有研究人員結(jié)合5項(xiàng)臥床研究數(shù)據(jù)就面積骨密度、骨生化和腎結(jié)石風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明男性和女性在臥床休息時(shí)的骨骼反應(yīng)是相同的[12]。

臥床模型在幫助我們更深入了解微重力環(huán)境對(duì)骨密度、骨標(biāo)志物和鈣平衡的影響及其機(jī)制的同時(shí)，還可用臥床模型來尋找應(yīng)對(duì)骨丟失的措施，如臥床期間進(jìn)行跳躍訓(xùn)練可以有效抑制骨丟失[13]，通過側(cè)面交替的阻力振動(dòng)鍛煉也可以有效防止臥床期間的脛骨骨丟失等[14]。臥床模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)時(shí)跟蹤觀察受試者的各項(xiàng)指標(biāo)變化，但是臥床模型不可用于研究宇航員飛行期間電磁輻射和帶電粒子對(duì)其帶來的威脅等其他生理問題。

2.2鼠尾懸吊模型 鼠尾懸吊模型是目前常采用模擬微重力環(huán)境的動(dòng)物模型，在實(shí)驗(yàn)中將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的尾部懸吊，頭部向下傾斜30°，靠前肢支持身體全部重量，后肢則處于無負(fù)荷的半廢用狀態(tài)。尾吊狀態(tài)下的小鼠會(huì)發(fā)生頭部液體的轉(zhuǎn)移和后肢肌肉骨骼的卸載，從而會(huì)在全身多個(gè)生理系統(tǒng)中產(chǎn)生一系列變化來適應(yīng)這種狀態(tài)的改變，如小鼠后肢的卸荷會(huì)導(dǎo)致負(fù)重后軀肌肌肉組織的選擇性萎縮，進(jìn)而減少肌肉通過肌腱附著在骨骼上的力，這就會(huì)誘導(dǎo)該部位的骨丟失。研究發(fā)現(xiàn)，空間飛行和鼠尾懸吊都可以對(duì)高周轉(zhuǎn)率的松質(zhì)骨快速產(chǎn)生影響，而對(duì)我們正常負(fù)荷狀態(tài)的承重骨如脛骨與跟骨影響較大[15]。有趣的是，尾吊小鼠骨吸收指數(shù)和凈骨丟失指數(shù)持續(xù)增加[16]，這進(jìn)一步印證了在宇航員身上觀察到的負(fù)鈣平衡和骨密度下降與骨吸收增加的關(guān)系緊密。而后科研工作者對(duì)懸吊小鼠后肢進(jìn)行詳細(xì)的組織形態(tài)學(xué)分析，結(jié)果證實(shí)骨密度減少是因縱向骨的生長(zhǎng)和骨形成的抑制及骨吸收的增加[17]。

目前，鼠尾懸吊模型已被廣泛用于研究骨骼對(duì)負(fù)重反應(yīng)的生理變化及分子機(jī)制，如失重狀態(tài)下大鼠的骨結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的動(dòng)態(tài)變化[18]，小鼠皮質(zhì)骨骨丟失的機(jī)制[19]，以及X射線輻射與微重力聯(lián)合作用對(duì)骨骼的影響等。Cunningham等[20]對(duì)成年大鼠進(jìn)行尾吊發(fā)現(xiàn)，尾吊后大鼠的骨小梁體積分?jǐn)?shù)會(huì)出現(xiàn)顯著降低。Cabahug-Zuckerman等[21]研究結(jié)果表明尾吊可以降低小鼠血漿中的骨鈣素和堿性磷酸酶水平，小鼠尿鈣增加同時(shí)骨形成相關(guān)指標(biāo)降低，骨吸收指標(biāo)如破骨細(xì)胞數(shù)量等增加。不僅如此，許多試驗(yàn)人員依據(jù)鼠尾懸吊模型中骨丟失的分子機(jī)制，給出了很多治療措施，如本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，50 Hz 0.6 mT的脈沖電磁場(chǎng)可以通過sAC/cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路顯著改善尾吊大鼠的骨丟失[22]，Sun等[23]報(bào)道35 Hz的局部振動(dòng)也可以有效減緩尾吊大鼠的骨丟失現(xiàn)象，以及淫羊藿苷[24]和1,25-二羥維生素D3[25]等藥物可以預(yù)防失重誘導(dǎo)的骨丟失現(xiàn)象。鼠尾懸吊模型是一種較為理想的模擬微重力環(huán)境方法，與航天飛行中觀察到的骨丟失現(xiàn)象高度近似，并且具有廣泛的適用性，它可以幫助我們研究因飛行空間有限和因倫理問題無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，但是缺點(diǎn)在于尾吊對(duì)小鼠脊椎的影響還不夠明確，并且尾吊小鼠的應(yīng)力響應(yīng)不一致及對(duì)小鼠體質(zhì)量、骨吸收等方面的影響差異較大，此外尾吊還會(huì)對(duì)小鼠的情緒產(chǎn)生影響，進(jìn)而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3細(xì)胞模型 成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是參與骨代謝的重要功能細(xì)胞，在骨代謝過程中破骨細(xì)胞貼附在舊骨上進(jìn)行吸收，成骨細(xì)胞合成新骨，骨組織不斷重建來維持人體正常骨量代謝。為更深入了解微重力環(huán)境對(duì)骨代謝的影響機(jī)制，人們進(jìn)行了大量細(xì)胞學(xué)研究。三維回轉(zhuǎn)儀是用來模擬微重力環(huán)境對(duì)細(xì)胞影響的常用工具，研究表明三維回轉(zhuǎn)儀模擬的微重力環(huán)境可顯著抑制成骨細(xì)胞活性和形成鈣化結(jié)節(jié)的能力[26]；Gioia等[27]使用三維回轉(zhuǎn)儀培養(yǎng)人類原代成骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)這種模擬微重力環(huán)境抑制了Runx2和BMP2等基因的表達(dá)并影響了細(xì)胞周期。Yan等[28]發(fā)現(xiàn)，模擬微重力環(huán)境顯著減少了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖，細(xì)胞周期阻滯在G2/M期，且凋亡細(xì)胞增多。張曉鈾等[29]對(duì)模擬微重力環(huán)境下的成骨細(xì)胞周期進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)G1期細(xì)胞數(shù)增多，S期與G2+M期細(xì)胞數(shù)量顯著減少。微重力環(huán)境除對(duì)細(xì)胞活性、周期和凋亡等生理指標(biāo)產(chǎn)生眾多影響外，還改變了成骨細(xì)胞的形態(tài)和細(xì)胞骨架。航天器搭載的成骨細(xì)胞形態(tài)與地面培養(yǎng)的正常細(xì)胞相比，形態(tài)異常，應(yīng)力纖維數(shù)量減少，核結(jié)構(gòu)明顯改變[30]，而地面模擬微重力環(huán)境實(shí)驗(yàn)也觀察到成骨細(xì)胞微絲結(jié)構(gòu)解聚，張力纖維減少且排列紊亂等現(xiàn)象[31]。

以上結(jié)果表明，微重力環(huán)境從多個(gè)方面抑制了成骨細(xì)胞的功能，但在相同環(huán)境中卻發(fā)現(xiàn)了破骨成熟相關(guān)基因表達(dá)量快速增長(zhǎng)的現(xiàn)象[32]，Sambandam等[33]發(fā)現(xiàn)，模擬微重力環(huán)境下c-Jun、MITF和CREB等與破骨細(xì)胞活性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子均出現(xiàn)表達(dá)量的上調(diào)。狄升蒙等[34]使用三維回轉(zhuǎn)儀處理破骨細(xì)胞前體細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)微重力組的G1期細(xì)胞比例增加且抗酒石酸酸性磷酸酶陽性率升高，表明微重力環(huán)境促進(jìn)了破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞的分化。上述研究結(jié)果表明，微重力環(huán)境引起的骨丟失是通過減少骨形成和增加骨吸收共同實(shí)現(xiàn)的，這進(jìn)一步解釋了微重力環(huán)境引起骨丟失的發(fā)生機(jī)制。

3 微重力環(huán)境對(duì)骨代謝相關(guān)信號(hào)通路的影響

3.1RANK/RANKL/OPG信號(hào)通路 多項(xiàng)研究表明，微重力環(huán)境下骨形成標(biāo)志物降低的同時(shí)骨吸收標(biāo)志物顯著增高，而RANK/RANKL/OPG信號(hào)通路在調(diào)控成骨細(xì)胞骨形成與破骨細(xì)胞骨吸收的平衡中起著重要的相互調(diào)節(jié)作用。其中RANKL可以和RANK結(jié)合來促進(jìn)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞分化為成熟破骨細(xì)胞，而成骨細(xì)胞分泌出的OPG可以與RANKL競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合來抑制破骨細(xì)胞分化成熟。微重力環(huán)境會(huì)打破RANK/RANKL/OPG信號(hào)通路的平衡狀態(tài)[34]，如一項(xiàng)鼠尾懸吊模型研究發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)破骨細(xì)胞分化的RANKL、RANK等骨髓細(xì)胞因子含量顯著升高，成骨標(biāo)志物OPG則明顯下降，RANKL/OPG增高使破骨細(xì)胞分化而增強(qiáng)骨吸收[35]；還有研究報(bào)道，尾吊大鼠產(chǎn)生RANKL的骨細(xì)胞數(shù)量增加，從而促進(jìn)了骨小梁表面的骨吸收，誘導(dǎo)了骨丟失[36]?？蒲腥藛T在空間站進(jìn)行的小鼠搭載實(shí)驗(yàn)對(duì)RANKL抑制劑骨保護(hù)素OPG測(cè)試結(jié)果表明，抑制RANKL也許可以作為抵抗太空飛行對(duì)宇航員骨骼健康有害影響的一種可行方法[21]。

3.2BMP/Smads信號(hào)通路 BMP/Smads信號(hào)通路是調(diào)控前成骨細(xì)胞分化、參與骨形成的關(guān)鍵信號(hào)通路，其中BMP是參與骨形成和骨骼修復(fù)的重要轉(zhuǎn)錄因子，它可以通過經(jīng)典的Smads信號(hào)通路促進(jìn)骨形成，BMP/Smads信號(hào)通路是骨骼形成必須的條件，研究發(fā)現(xiàn)敲除Smad1/5/8的小鼠出生時(shí)因軟骨發(fā)育障礙而死亡[37]。多項(xiàng)研究表明，微重力環(huán)境顯著抑制了BMP/Smads經(jīng)典信號(hào)通路包括BMP2蛋白表達(dá)及Smad1/5/8 磷酸化、入核復(fù)合體形成，與此同時(shí)，p-Smad1/5/8的核轉(zhuǎn)位及其轉(zhuǎn)錄活性也被降低[38-39]。Zhang等[39]將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞送上衛(wèi)星并誘導(dǎo)其向成骨細(xì)胞分化，發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境降低了BMP2的表達(dá)和Smad1/5/9的活性，微重力環(huán)境通過BMP/Smads信號(hào)通路抑制了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化。Dai等[40]研究表明，微重力環(huán)境下Runx2對(duì)BMP2的響應(yīng)下調(diào)，前列腺素E合成降低，BMP2合成代謝途徑被顯著減弱。最近研究發(fā)現(xiàn)，抑制miR-494可以促進(jìn)BMP2對(duì)成骨細(xì)胞的誘導(dǎo)作用，部分修復(fù)微重力環(huán)境下成骨細(xì)胞的分化障礙[41]。有研究證明，BMP家族中BMP2不僅可以響應(yīng)力學(xué)刺激[42]，對(duì)細(xì)胞骨架也有一定的調(diào)節(jié)作用[43]。Xu等[44]研究證實(shí)了模擬微重力環(huán)境可以通過解聚微絲骨架進(jìn)而影響B(tài)MP2誘導(dǎo)的Smad1/5/8磷酸化、入核和Smads活性，通過抑制BMP2/Smads信號(hào)傳導(dǎo)影響成骨細(xì)胞的成骨活性。

3.3Wnt/β-catenin信號(hào)通路 Wnts是一類可以傳遞多種力學(xué)信號(hào)的分泌性糖蛋白[45]，它通過胞膜受體以依賴或非依賴β-catenin的方式激活多個(gè)信號(hào)通路，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞的增殖與分化。多項(xiàng)研究表明，Wnt信號(hào)通路在微重力環(huán)境下對(duì)骨細(xì)胞的增殖與分化過程發(fā)揮關(guān)鍵的信號(hào)調(diào)節(jié)作用。楊先炯等[46]模擬微重力環(huán)境培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境下調(diào)Wnt3a和胞質(zhì)中β-catenin的表達(dá)，Wnt信號(hào)通路下游基因Cyclin D1的表達(dá)也被抑制，提示W(wǎng)nt3a/β-catenin信號(hào)通路參與了微重力環(huán)境誘導(dǎo)的間充質(zhì)干細(xì)胞增殖抑制。Li等[47]的大鼠尾吊模型研究同樣證實(shí)了尾吊大鼠中的Wnt信號(hào)通路受到抑制，而Wnt信號(hào)通路抑制物DKK4出現(xiàn)高表達(dá)，LncRNA-H19出現(xiàn)低表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，尾吊造成的LncRNA-H19低表達(dá)是DKK4上調(diào)和Wnt信號(hào)通路被抑制并引起骨丟失的重要原因。一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，模擬微重力環(huán)境干擾了骨細(xì)胞的細(xì)胞骨架，抑制了β-catenin的核轉(zhuǎn)位，Wnt/β-catenin信號(hào)通路陽性調(diào)節(jié)因子Smads表達(dá)被降低，而負(fù)性調(diào)節(jié)因子NMP4/CIZ表達(dá)增加[48]。有研究報(bào)道顯示，三維回轉(zhuǎn)儀處理的破骨細(xì)胞產(chǎn)生的衍生外泌體OC-Exos通過干擾Wnt/β-catenin信號(hào)通路而抑制了MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化[49]?？傊⒅亓Νh(huán)境下Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)骨組織細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制十分龐雜，微重力環(huán)境會(huì)對(duì)Wnt信號(hào)通路的多個(gè)上游和下游基因產(chǎn)生影響，從而調(diào)節(jié)骨細(xì)胞的增殖與分化。

4 結(jié)論與展望

雖然宇宙飛船有效阻擋了溫度和輻射等極端環(huán)境，但是失重狀態(tài)卻難以改變，其中失重導(dǎo)致的骨丟失更是人類關(guān)注的重大問題之一。在微重力環(huán)境下，機(jī)體骨鈣代謝紊亂，承重骨發(fā)生明顯的骨丟失并且難以恢復(fù)，這種失重造成的骨丟失甚至骨質(zhì)疏松嚴(yán)重威脅著宇航員的身體健康，阻礙航天事業(yè)的發(fā)展。多年以來，航天醫(yī)學(xué)專家不斷追尋微重力環(huán)境誘導(dǎo)骨丟失的形成機(jī)制，從臨床、動(dòng)物和細(xì)胞3個(gè)方面結(jié)合分析來尋求空間骨丟失的成因和解決方法。微重力環(huán)境引起骨質(zhì)疏松的原因與骨形成的減少和骨吸收的增加密不可分，并且涉及RANK/RANKL/OPG、BMP/Smads、Wnt/β-catenin等多條信號(hào)通路，但由于空間環(huán)境的多樣性和骨組織代謝的復(fù)雜性，失重性骨丟失還需要國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)出更貼合空間飛行狀態(tài)的地面模擬裝置，并進(jìn)行更深入探索，以保障宇航員的身體健康和工作效率。