趙疆東，張 舒

空軍軍醫(yī)大學(xué) 航空航天生物動力學(xué)教研室，航空航天醫(yī)學(xué)教育部重點實驗室，陜西西安 710032

迄今為止，中國已發(fā)射了6艘載人飛船進入太空。隨著科技的進步，人類涉足太空越來越頻繁，在太空停留的時間也越來越長，“太空移民計劃”離人類也不再遙遠。然而，太空環(huán)境不同于地球，太空中的失重、輻射、晝夜節(jié)律變化和隔離等因素會對人體的各個生理系統(tǒng)產(chǎn)生影響。已有大量研究證明，失重會引起人體出現(xiàn)水和電解質(zhì)代謝紊亂、心血管功能失調(diào)、航天貧血癥、骨質(zhì)丟失、肌肉萎縮、免疫功能下降、空間運動病等[1-3]。俄羅斯的瓦列里·波利亞科夫于1994 - 1995年在“和平號”空間站上連續(xù)停留438 d，創(chuàng)下了人類歷史上宇宙飛行時間的最長紀(jì)錄。研究表明，人類目前可以適應(yīng)1年多的失重環(huán)境，失重不會引起明顯的病理學(xué)變化，失重所引起的生理變化在返回地球后一段時間可以得到部分恢復(fù)。2016年4月，我國科學(xué)家利用微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星-實踐十號首次實現(xiàn)了太空中小鼠胚胎發(fā)育，預(yù)示著哺乳動物(包括人類)的生命有望在太空中得以延續(xù)[4]。盡管如此，人類若要在太空中長期飛行、生活甚至繁衍后代，就必須了解太空環(huán)境對生殖系統(tǒng)的潛在危害。本文就失重及模擬失重對人和動物生殖 系統(tǒng)的影響進行綜述。

1 失重及模擬失重的研究方法

在太空軌道上，利用航天飛行失重環(huán)境開展失重研究，宇宙飛船和國際空間站的空間實驗室是最理想和最真實的失重研究場所，但航天飛行高昂的成本和為數(shù)不多的任務(wù)量，使得我們無法獲得足夠多的數(shù)據(jù)。為此，開展地面模擬失重實驗，可作為有效補充方法，滿足探究長期失重時生物學(xué)效應(yīng)的需要。目前應(yīng)用最廣泛的人體地面模擬失重方法為-6°頭低位臥床實驗，應(yīng)用最廣泛的動物地面模擬失重方法為構(gòu)建尾懸吊模型，應(yīng)用較為廣泛的細胞水平模擬失重方法為回轉(zhuǎn)器和旋壁式生物反應(yīng)器。動物尾懸吊模型指大鼠或小鼠的尾懸吊模型，該方法在1981年由Morey-Holton提出后，經(jīng)空軍軍醫(yī)大學(xué)航空航天醫(yī)學(xué)系改進，建成了保持小動物呈頭低位(約-30°)、尾部無創(chuàng)懸吊可達120 d的長期研究模型[5]?；剞D(zhuǎn)器通過維持生物學(xué)樣品旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的效應(yīng)，使重力矢量隨時間的推移平均近似為零，從而實現(xiàn)對失重環(huán)境和效應(yīng)的模擬[6]。旋壁式生物反應(yīng)器是將細胞培養(yǎng)于微載體上，通過容器旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)懸浮培養(yǎng)。容器旋轉(zhuǎn)時可以使重力矢量持續(xù)隨機分布，并維持微載體進入連續(xù)的類似自由落體的運動狀態(tài)，兩者的綜合作用可導(dǎo)致細胞的表觀重力接近為零 ，從而實現(xiàn)模擬失重[7]。

2 失重對雄性生殖系統(tǒng)的影響

雄性生殖系統(tǒng)主要由內(nèi)、外生殖器兩部分組成?，F(xiàn)有研究表明，失重及模擬失重主要影響雄性內(nèi)生殖器的結(jié)構(gòu)和功能，特別是對睪丸、精子和睪酮的影響。睪丸是雄性生殖系統(tǒng)的核心，主要功能是產(chǎn)生雄性激素和合成精子[8]。睪酮由睪丸分泌，是一種活性最強的雄性激素，具有促進精子生成、刺激生殖器官發(fā)育、維持男性第二性征的作用，是精子存活和活動的必要條件，而精子活力是檢測生育力最重要的指標(biāo)。人體研究發(fā)現(xiàn)，頭低位臥床模擬失重狀態(tài)120 d男性存活精子的活力降低，且形態(tài)和結(jié)構(gòu)改變的精子比例增加[9]。另一項研究通過檢測航天員唾液、尿、血漿中雄性激素含量的變化以及問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)航天員在航天飛行后睪酮水平降低，性沖動減少[10]。

動物研究發(fā)現(xiàn)，尾懸吊鼠模型模擬失重，尾懸吊1周后即可引起雄性動物出現(xiàn)內(nèi)生殖器結(jié)構(gòu)和功能的損傷，并隨尾懸吊時間的延長而加重。尾懸吊1周后，大鼠睪丸生精小管壁發(fā)生損傷[11]；小鼠的睪丸重量與對照組相比顯著降低，睪酮水平明顯降低，且活動精子的平均運動速度顯著降低，表明精子能動性有所損傷[12]。尾懸吊3周后，大鼠睪丸重量顯著減輕，生精小管明顯萎縮，精母細胞明顯減少，附睪無精子，睪酮含量顯著降低，垂體細胞LH-β亞單位陽性細胞數(shù)量顯著增加[13]。尾懸吊4周后，大鼠睪丸重量與對照組相比明顯下降，附睪精子數(shù)量和活動率顯著減少，精子畸形率和凋亡率顯著增加，睪酮含量顯著減少，睪丸組織生精小管萎縮，生精上皮細胞層數(shù)減少，且尾懸吊4周組較尾懸吊2周組變化更明顯[14]。尾懸吊6周后，與對照組相比，大鼠睪丸重量顯著降低，睪丸萎縮，除少數(shù)精原細胞外幾乎所有的生殖細胞均丟失，精子發(fā)生被嚴(yán)重抑制[15]；Tash等[16]的研究也證實，尾懸吊6周后的成年雄性大鼠睪丸重量和精子發(fā)生均顯著降低，生精小管直徑減小，附睪無成熟精子。

胚胎研究發(fā)現(xiàn)，利用回轉(zhuǎn)器在地面模擬微重力的生物效應(yīng)，可使鵪鶉早期胚胎血液和生殖腺內(nèi)的原始生殖細胞數(shù)目減少，睪丸內(nèi)生精小管數(shù)量以及生精小管內(nèi)精原細胞數(shù)量減少，睪丸的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損傷[17]。利用旋壁式生物反應(yīng)器的另一項研究也發(fā)現(xiàn)，小鼠胚胎期12.5～16.5 d睪丸索在微重力條件下解體并發(fā)生重塑，睪丸索數(shù)量減少，而胚胎期睪丸發(fā)育不良可能導(dǎo)致成 年雄性動物發(fā)生生殖缺陷甚至不育[18]。

3 失重對雌性生殖系統(tǒng)的影響

雌性生殖系統(tǒng)同樣由內(nèi)、外兩部分生殖器組成?，F(xiàn)有研究表明，失重及模擬失重主要影響了雌性內(nèi)生殖器的結(jié)構(gòu)和功能，特別是卵巢功能、卵子生成和激素水平等。卵巢是雌性生殖系統(tǒng)中最核心的器官，是人類繁衍后代的基礎(chǔ)。雌二醇是卵巢分泌的活性最強的雌激素，是判斷卵巢功能的重要指標(biāo)之一。Goncharova等[19]納入8名女性志愿者開展了人體頭低位(-6°)臥床實驗研究，發(fā)現(xiàn)臥床120 d后志愿者出現(xiàn)黃體期缺陷癥狀，卵巢顯現(xiàn)出小的功能性包裹性積液。結(jié)束臥床實驗6個月后志愿者卵巢功能才基本恢復(fù)。此研究表明，模擬失重可引起女性生殖系統(tǒng)功能紊亂。地面的動物研究也證實，模擬失重可引起雌性鼠生殖系統(tǒng)功能紊亂。吳嫦麗等[20]利用尾懸吊法模擬小鼠在微重力環(huán)境下卵母細胞的體內(nèi)成熟情況，發(fā)現(xiàn)尾懸吊1周小鼠卵母細胞的平均排卵數(shù)和成熟率均顯著低于對照組，而卵母細胞的突起率和卵周隙顆粒率均顯著高于對照組，表明模擬失重能夠抑制雌性小鼠的生殖功能。賈木天等[21]的研究也發(fā)現(xiàn)，利用尾部懸吊法模擬失重1周、2周和3周的雌性大鼠血清中雌二醇水平下降，卵泡刺激素和促黃體生成素水平上升，卵巢中卵泡數(shù)量顯著減少，卵巢組織發(fā)生細胞衰老現(xiàn)象，且模擬失重雌性大鼠的產(chǎn)仔量和仔鼠存活率均明顯下降，表明模擬失重可致雌性大鼠生殖功能降低。劉軍蓮等[22]將雌性大鼠尾吊模擬失重4周后發(fā)現(xiàn)雌性大鼠雌二醇水平顯著升高，子宮內(nèi)膜腺體呈增殖期改變，卵巢內(nèi)各階段發(fā)育的卵泡較空白組減少，黃體數(shù)量增多，并且子宮和陰道出現(xiàn)炎癥反應(yīng)，從而影響了卵巢發(fā)育。航天飛行任務(wù)中相關(guān)研究較少，已有的報道與地面研究結(jié)果尚不一致。Smith和Forsman[23]研究發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行NASA STS-118任務(wù)的奮進號航天飛機中飼養(yǎng)了13 d的雌性小鼠卵巢組織中卵泡和黃體未見明顯的形態(tài)學(xué)變化。但地面的動物研究與地面模擬失重的體外細胞研究結(jié)果較為相似。吳嫦麗等[20]還利用旋壁式生物反應(yīng)器模擬微重力條件，觀察培養(yǎng)15～17 h的小鼠卵母細胞的體外成熟情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠卵母細胞的體外成熟受到抑制，成熟率顯著低于對照組(1 g重力組)，且卵母細胞的異常分裂率增加；卵母細胞在體外模擬失重條件下的 發(fā)育與尾吊鼠卵母細胞的體內(nèi)發(fā)育模式相似。

4 生殖系統(tǒng)分子水平的變化

雄激素受體分布于生殖器官及其周圍相鄰的組織中，如卵巢、睪丸、輸精管、前列腺、外生殖器等，可以使雄激素在其靶器官的雄性化上發(fā)揮作用，從而影響性器官的功能。熱休克蛋白70在精子的正常形成和胚胎發(fā)育中發(fā)揮著重要作用，熱休克蛋白70的表達量與睪丸生精小管細胞的損傷程度呈正相關(guān)。湯金等[24]和Ding等[25]研究發(fā)現(xiàn)，尾懸吊1周和2周的雄性大鼠睪丸組織結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的病理損傷，睪丸生精上皮發(fā)生不可逆損傷，睪丸組織分泌雄激素受體的功能減退，熱休克蛋白70過表達并大量釋放形成細胞外熱休克蛋白70，以至引起睪丸實質(zhì)的嚴(yán)重損傷。

睪酮的合成是類固醇脫氫酶級聯(lián)反應(yīng)的結(jié)果，其中最關(guān)鍵的酶是3β-類固醇脫氫酶和17β-類固醇脫氫酶；卵泡刺激素和促黃體生成素具有調(diào)控生精過程的作用，促黃體生成素可刺激睪丸間質(zhì)細胞分泌睪酮。Masini等[26]研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于太空(91 d)的雄性小鼠睪丸3β-類固醇脫氫酶和17β-類固醇脫氫酶的表達水平降低，雄激素受體和卵泡刺激素受體表達水平增加，促黃體生成素受體表達水平未見明顯變化，白細胞介素1β表達水平上調(diào)，生精小管呈現(xiàn)退行性改變?nèi)缥s、扭曲等，且附睪精子細胞數(shù)顯著降低，表明太空飛行后雄性小鼠的睪酮合成能力降低，性激素失衡且出現(xiàn)炎癥，生殖系統(tǒng)功能受損。

還有研究表明，模擬失重可導(dǎo)致生殖系統(tǒng)細胞出現(xiàn)凋亡、結(jié)構(gòu)改變和基因表達變化，造成生殖系統(tǒng)的損傷。Kamiya等[12]發(fā)現(xiàn)，尾懸吊1周小鼠睪丸組織的凋亡細胞增加；Li等[27]發(fā)現(xiàn)，尾懸吊1周小鼠發(fā)生生精細胞凋亡和精子DNA損傷。Sharma等[28]發(fā)現(xiàn)，尾懸吊12 d后小鼠除睪丸重量和睪酮水平顯著降低外，凋亡通路效應(yīng)因子Caspase-8、Caspase-3和凋亡通路轉(zhuǎn)錄因子NF-κB在睪丸中的表達顯著上調(diào)。Murata等[29]發(fā)現(xiàn)，在國際空間站培育了2個月的日本鳉卵巢發(fā)生變化，卵母細胞發(fā)育發(fā)生輕度中斷，RNA序列分析發(fā)

現(xiàn)卵巢中卵殼前體基因表達被抑制。Zhang等[30]發(fā)現(xiàn)，利用旋壁式生物反應(yīng)器模擬微重力，培養(yǎng)的雌性小鼠卵母細胞超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，卵母細胞特異標(biāo)記物GDF-9表達水平下調(diào)，而GDF-9是初級卵泡生長必不可少的因子。Strollo等[31]利用回轉(zhuǎn)器模擬失重狀態(tài)下細胞水平的生物學(xué)效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)豬睪丸細胞回轉(zhuǎn)5 min后α-微管蛋白結(jié)構(gòu)發(fā) 生輕微的破壞，持續(xù)回轉(zhuǎn)23 h后則完全斷裂。

5 結(jié)語

已有的研究表明，失重或模擬失重狀態(tài)下雄性及雌性內(nèi)生殖系統(tǒng)均發(fā)生不同程度損傷，主要表現(xiàn)為形態(tài)、結(jié)構(gòu)、激素、細胞和分子水平的變化。但目前該領(lǐng)域的研究工作還存在較多局限性，地面模擬失重研究與航天飛行研究結(jié)論尚不完全一致，地面模擬失重研究尚不深入、系統(tǒng)。為了在太空中長期飛行、生活甚至繁衍后代，我們還需提出太空飛行對策或防御機制，這些均迫切需要大量的、更深入的研究。