航天活动中的对抗措施

航天活动中的对抗措施

无论是短期还是长期人员，其特殊的环境因素（尤其是微力）都会导致驾驶员生理机能的变化，但影响的范围和程度不同。由于长期航天对人体机能影响的广泛性,目前尚缺乏有效的综合性方法对这些影响进行全面的防护与对抗。虽然人工重力可能会达到全面防护的目的,但是,由于工程技术的原因,以及相关医学研究的滞后,迄今对人工重力的实际作用尚缺乏了解。本研究室张立藩教授等曾观测人工重力对尾部悬吊大鼠模拟失重模型的影响,发现每天1G作用1h可防止大鼠心肌收缩性能降低与血管功能的改变;每天1G作用4h,可防止抗重力骨骼肌萎缩;每天1G作用6h,却不能完全防止骨丢失。这些实验性人工重力防护效果能否过渡到人尚不清楚。NASA曾对短中期载人航天过程中采用的对抗措施进行分析评价(countermeasuresevaluation&validation),筛选出一些有效的对抗措施,但这些对抗措施只针对某一或两个系统,仍不能进行全面的对抗。如下体负压(lowerbodynegativepressure,LBNP)可较为有效地防护心血管系统脱适应,但对骨骼-肌肉系统则不产生明显的对抗作用。因此,目前国际空间站(InternationalSpaceStation,ISS)正在对每一种常用的对抗措施的对抗效果进行跟踪观测,希望发现新的对抗措施。1脱离心脏的适当措施1.1lbnp在航天飞行中的使用小于-20mmHg的LBNP仅通过心肺受体而影响血压。-40~-50mmHg的LBNP相当于1G站立的作用,可刺激主动脉弓与颈动脉窦压力感受器。持续LBNP暴露时,血浆肾素与其它调节血容量的激素(如醛固酮)含量增加。与站立时相似,在LBNP期间,心血管系统必须升高血压以保持上肢与头部的血液供应。所以,LBNP可在失重环境下恢复1G重力引起的人体体液的梯度分布,以保持一定程度的重力对心血管系统的间接刺激作用,从而维持心血管系统正常功能。LBNP还可在航天飞行中检测人体的立位耐力。对于心血管系统而言,迄今为止,LBNP是一种有效的对抗措施,所以,俄罗斯将LBNP作为返回地面前的常规对抗措施。除LBNP舱,俄罗斯还使用Chibis服进行LBNP锻炼,这一服装的最大优点是可以在行走或工作的时候,进行LBNP锻炼。美国则正在研究在LBNP舱内放置跑台,对心血管系统与骨骼肌同时施加负荷。但是,在-50mmHgLBNP下,以中度负荷在跑台上运动40min,未改善立位耐力。在航天飞行中实施LBNP时,下肢容量大幅增加,其容积增量明显大于飞行前在地面的对照值;心率的增快速度也高于地面。这可能是下肢骨骼肌紧张度减低与血压调节机制改变的结果。由于LBNP时,心血管系统改变的个体差异较大,所以,目前还难以依据航天中LBNP的结果来预测着陆后的立位耐力不良的发生率。1.2防止血液向东南角转移返回前饮1L等渗盐水,可增加大约400mL血容量,维持至少4h。对短期飞行后立位耐力不良有较明显的防护作用,然而对于长期飞行的有效性降低。返回时穿抗荷服(抗G服)或用弹性套带于双侧大腿腹股沟部适度扎紧,可防止血液向下身转移。俄罗斯采用专门的服装,以限制血液向下肢转移,该服装称被为Kentavr服。1.3影响正常工作特性的氧漂后氧运动学研究运动锻炼的类型有4种:1)有氧运动锻炼(aerobicexercise),亦称耐力运动锻炼(enduranceexercise);2)无氧运动锻炼(anaerobicexercise),亦称阻力锻炼(resistanceexercise)或强度锻炼(strengtheningexercise);3)拉伸或柔韧性锻炼(stretchingorflexibilityexercise);4)平衡锻炼(balanceexercise)。有氧运动锻炼是大部分骨骼肌参与活动、每次锻炼时间大于20min且有规律地进行、使心率达到最大心率的60%~80%、并使机体摄氧量大幅增加的运动锻炼。因此,有氧运动锻炼对心肺功能产生较大的刺激作用。长期坚持有氧运动锻炼能增加体内血红蛋白的数量,增加血容量,提高机体抵抗力,抗衰老,增强大脑皮层的工作效率和心肺功能,增加脂肪消耗,防止动脉硬化,降低心脑血管疾病的发病率,增加胰岛素敏感性,改善精神状态。然而,有氧运动锻炼对航天引起的立位耐力不良仅有有限的改善作用,特别对于飞行前有氧运动水平较高者更是如此。航天飞行中高强度有氧运动锻炼对保持飞行后有氧运动能力亦仅有部分作用。除此之外,航天中进行有氧锻炼,可部分防止抗重力骨骼肌质量与收缩强度的下降。为了保存航天员有氧运动能力,在Skylab与“和平”号空间站上耗费了大量时间与食物,如航医推荐的锻炼时间为:短期飞行每天15min,长期飞行隔天一次,每次1h。由于航天飞行中食物、水与氧气有限,故有氧运动必须发挥最大效益,即以最少的食物、水与氧气的消耗,保持最佳有氧运动能力。有研究表明,每天减少30min的有氧运动锻炼时间,一年可节省110869kcal的食物与91L水。未经运动训练的健康青年,每天进行30min的50%或接近最大氧耗量的运动,即可满足有氧锻炼的最低水平,航天中由于缺乏其它有氧活动(如行走),故最低运动水平应稍增加。有氧运动锻炼包括步行、跑步、游泳、骑自行车、划船、滑雪与舞蹈等。ISS配备的锻炼设备有:跑台-保持有氧功率(aerobolicpower);自行车功量计与阻力锻炼器-保持肌肉强度与骨矿;手握力器-保持手的强度,以便进行EVA。跑台可进行步行与跑步锻炼,为了施加接近1G的负荷,采用弹性负荷装置,亦称双负荷跑台(Tetheredtreadmill)。跑台能电动驱动也可被动转动。跑台旁设置吸风管道,可将运动时人体的汗液吸干。自行车功量计的负荷可人工或计算机进行调整,可在坐位或仰卧位进行锻炼,并同步记录功率与转速。航天飞行的航天员在入轨第3天开始有氧锻炼,每隔1天锻炼1次。ISS上的锻炼方案更加严格,如每周进行4~6次跑台锻炼,每次30~45min;2~3次自行车功量计锻炼,每次30~45min;同时进行6次以上的抗阻力运动锻炼。“和平”号上的航天员需每天运动2h,俄罗斯航天员在锻炼时,在大腿近腹股沟处扎一个弹性套带,虽然目前对其有效性尚不确定,但航天员报告称可减少头部充血与面部的水肿。抗阻力运动训练可能防止心肌萎缩,增强下肢肌力可增加“肌肉泵”的作用。迄今为止,不同运动类型对心血管脱适应的作用尚不清楚。1.4天员一般在使用时,总服量大,一般想舒适,不舒适舱外活动与其它星球表面行走均需穿航天服,而航天服的制冷能力有限,故航天员一般感觉闷热,不舒适。热负荷可引起机体脱水而降低立位耐力,故航天员须要进行热习服。一般性热习服为每天在热环境暴露1h,1周即可完成。需耐受更高热环境的热习服则要求每天暴露于34℃环境,持续8~9d。1.5药物与其他抗剂措施1.5.1血管收缩剂飞行后立位耐力不良的机制之一是在受到1G重力作用时,血管外周阻力增加幅度较小,因此考虑使用血管收缩剂。Midodrine为受体激动剂,可使外周动、静脉血管收缩,临床上用来治疗立位性低血压。卧床实验表明该药有效。因航天飞行后交感神经活性增加,Midodrine可能使那些对交感神经激活作用不敏感的血管收缩。1.5.2促进红细胞生成素erytaroproieti促红细胞生成素可增加血球压积,但在运动员中使用发生过严重事件,故航天中确需使用这种药物时,也只能在返回前1周开始使用。1.6种对抗措施心血管系统每天所需最低人工重力水平尚不清楚。上述多种对抗措施均围绕保持或增加血容量、增加总血管外周阻力与防止血液向下身大幅转移而展开。尽管目前采用了多种对抗措施,立位耐力不良仍是一个尚未解决的主要问题。2防止骨骼和肌肉收缩的抗剂2.1抗阻锻炼装置阻力锻炼可增加肌肉蛋白合成,导致肌纤维肥大与强度增加。因此,航天中选择这种锻炼方式来防止抗重力骨骼肌的萎缩。人与动物的实验观测揭示一条原理:在达到最低持续时间的前提下,运动强度比持续时间更重要。动物实验表明,拉伸肌肉可防止骨骼肌萎缩,故肌肉拉伸作为一种对抗措施被应用。典型的应用是俄罗斯的“企鹅(Penguin)服”,其商品名为Adeli服。它可在服装的纵轴方向产生15~40kg的弹性拉力,对抗重力肌产生拉伸作用,这是一种符合生理学原则的对抗措施。地面举重锻炼属于阻力锻炼,可使肌肉产生向心、离心与等长3种类型的收缩。最合适的混合锻炼比例为15%离心收缩、10%等长收缩与75%向心收缩。依据这些原则,已制定出航天中阻力锻炼方案。ISS采用的抗阻锻炼装置(interimresistanceexercisedevice,iRED),以弹性力为对抗力,类似于在航天中进行举重锻炼,主要锻炼下肢与背部骨骼肌。为充分利用有限空间,也用拉簧等装置,但这些装置提供的负荷较小。为了使用方便,iRED包含把手、固定带、脚环等部件。由于此装置所占空间小,训练效果好,目前又将由真空产生阻力的先进抗阻锻炼器(advancedresistiveexercisedevice,ARED)安装在ISS上。德国科学家将振动装置与弹力负荷装置联合使用,以对抗抗重力肌的萎缩,取得了较好的防护效果,他们称此联合装备为Galileo空间训练系统(Galileo-spacetrainingsystem)。在对抗装置中,还有一种飞轮(fly-wheel)装置,类似于自行车功量计,不同之处在于此装置利用飞轮的惯性在太空失重环境中产生所需的负荷。2.2骨骼肌缩的防止电刺激可促进废用肌肉的蛋白合成,防止氧化酶活性降低,故有防止骨骼肌萎缩的作用。俄罗斯在空间站上已使用了电刺激仪(Tonus-2与Tonus-3),但其精确的对抗效果尚不清楚。2.3药物与其他抗剂措施2.3.1骨骼肌收缩作用抗氧化剂仅在制动的大鼠实验中观测到具有抗骨骼肌萎缩作用,但不能防止去负荷骨骼肌的萎缩。因其还具有抗辐射的作用,故在航天中是备选药物之一。2.3.2泛素连接酶atroin-1与培训相关实验一：泛素连接酶atroin-1与剥削相关实验2.抑制肌肉蛋白降解通路亦是防止肌肉萎缩的靶点之一。动物实验已发现泛素连接酶atrogin-1与萎缩相关。目前尚未找到抑制剂,这是一个具有较好前景的干预靶点。2.3.3补充氨基酸的选择经静脉输液或口服补充必需氨基酸可刺激骨骼肌蛋白合成。28d卧床研究亦表明补充氨基酸可维持肌纤维直径,减缓下肢肌肉萎缩,故航天飞行中补充氨基酸是一个较好的选择,几乎没有副作用。2.4生缩的最小重力人体中大部分骨骼肌参与姿势的维持,1G重力环境可使这些维持姿势的骨骼肌不发生萎缩,目前尚不清楚能保持抗重力骨骼肌不发生萎缩的最小重力水平。持续的人工重力可有效地防止抗重力肌萎缩,但工程上难以实现。间断人工重力是一种可行方案,目前地面正在研究试用的装置有短臂离心机、自行车旋转装置(类似于吊篮样装置,利用脚踏板驱动其绕垂直轴旋转,产生头脚向离心力)与离心机式睡眠床(睡眠期间受到人工重力的作用)。有研究表明,每天4次,每次11.2min的短臂离心机作用可有效地防止骨骼肌萎缩。3骨丢失的抵抗措施3.1大幅值低频应变机械负荷引起骨的微小形变即为应变,应变量由负荷、骨的弹性与几何结构所决定。一些研究者认为,有2种因素调控骨质量:1)是大幅值、低频的应变(由多种运动性锻炼产生);2)是从坐位转向站立时、步行与跑步时产生的低幅值、高频应变。超过应变值的上限则促进骨重塑进而增加骨质量,低于下限则使骨质量降低。为了在航天飞行中对骨骼施加大幅值低频应变,必须采取运动锻炼。研究表明阻力运动较有氧运动锻炼对骨丢失的对抗作用更强,但是,总体而言,运动性对抗措施对负重骨的骨丢失的阻止作用较小。另一方面,航天飞行中施加于人体骨骼上的负荷,必须同等于地面每天行走4h所产生的负荷。3.2选择抗措施的装置冲击性力与力的幅值对维持跟骨骨矿是重要的。为了在航天飞行中对骨骼施加低幅值、高频应变,则可采用振动装置。地面研究表明,低频振动可以刺激骨生长。这一对抗措施在动物证明有效,如在人体亦证明有效,则可成为长期飞行中采用的对抗措施的备选方案之一。航天飞行中航天员腰背痛发生率较高,腰椎间盘体积明显增加,最新的研究观测表明,采用低幅值高频振动作用后,可明显降低腰椎间盘体积,并减轻腰背痛。3.3限定还是特殊的要求除通过饮食摄入热量外,蛋白质、钙与其它营养物质与骨代谢相关。对磷、钠、钾和镁既没有限定也没有特殊的要求。航天员营养方案在飞行中与地面相同,只是每天需摄入1000mg钙。食品中钙/磷比例不应超过1∶1.8,过高会在肠道内抑制钙吸收。推荐镁的摄取量为350mg/d,但是,对镁的准确用量尚缺乏细致的研究。3.4特效药3.4.1双膦酸盐治疗股骨粗隆间骨血双膦酸盐类药物包括(按其作用强度由低至高排序)Etidronate,Tiludronate,Pamidronate,Alendronate,Risedronate与Zoledronate。双膦酸盐类药物类似于焦磷酸盐,与骨基质的羟磷灰石结合,是破骨细胞吸收的抑制剂,且具有抑制破骨细胞并促进其凋亡,促骨合成代谢的活性。双膦酸盐吸收入血后不能被降解,2h内从血浆中廓清,20%~80%沉积于骨组织中,剩余的由尿液排泄,在骨骼中的半衰期为数年。药物的长期安全性尚不清楚,在航天中是否具有长期抑制骨吸收的作用亦不清楚。为防止妇女闭经后骨质疏松,双膦酸盐药物正在试用。卧床研究表明,Alendronate(默克公司商品名FOSAMAX)可有效防止高尿钙,保持人股骨颈与转子、脊椎骨与骨盆骨的骨矿密度。虽然跟骨骨密度仍有中度降低,但比对照组的骨丢失程度减轻。其它新的双膦酸盐药物可能更为有效。每天服用第一代双膦酸盐药物Etidronate,可损害骨的矿化功能。个别患者长期使用Etidronate,拔牙后会出现上颌骨坏死,这是否由于骨更新被抑制后上颌骨对损伤的反应性降低所导致,目前尚不清楚。第三代Alendronate与Zoledronate克服了影响骨矿化的副作用。在人与动物使用Alendronate后,对骨折愈合与骨重塑未见明显影响。闭经妇女的临床试验表明,10mgAlendronate是最佳剂量。航天中使用的最适剂量尚不清楚。3.4.2噻嗪类药物的作用双氢克尿噻与氯噻酮并未广泛用于防止骨丢失,主要用于防止肾结石的形成。这类药可明显地减少尿钙分泌。流行病学调查、回顾与交叉研究表明,噻嗪类药物亦有防止骨丢失的作用,可减少20%骨折的危险性,使桡骨骨丢失减少29%,髋关节减少49%。噻嗪类药物可能直接作用于成骨细胞,促进合成代谢,它在航天中的作用尚不清楚。噻嗪类利尿剂已在临床应用40余年,对其副作用有充分了解,除低钾血症外,可能还会产生低钠血症、尿钙增加、高血糖,偶见高血钙。枸橼酸钾与噻嗪类利尿剂联合使用,可碱化尿液,防止肾结石形成。枸橼酸钾可能亦有减少骨吸收,增加骨形成的作用,这些尚需卧床实验进行系统观测。3.4.3对破骨细胞核因子nf-b这是一种人源性针对核因子kB受体活化因子配基(RANKL)的单克隆抗体,影响破骨细胞核因子kB受体活化因子,减少骨吸收。其对闭经后妇女骨质疏松的治疗效果明显优于Alendronate。由于其作用机制为抑制破骨细胞的骨吸收,故具有较大可能成为航天活动中对抗失重性骨质疏松的新药。3.4.4动物分组、促骨形成作用降低血清胆固醇的抑制素,如Lovastatin、Simvastatin、Pravastatin与Atorvastatin,动物实验表明具有促骨形成作用,流行病学调查可减少骨折几率。航天中的作用以及卧床实验有待观测。3.4.5pth的制作环甲状旁腺素(hPTH1-34)可增加骨质疏松患者的骨质量。大鼠实验表明PTH可有效地保持制动肢体骨的质量。PTH可促进肾脏重吸收钙并促维生素D合成。航天飞行中,航天员PTH降低,故补充PTH是符合生理需求的,但PTH有形成骨肉瘤的副作用,虽然少见,但值得注意。3.5人工重力人工重力可能是在航天飞行中防止骨丢失的最根本的措施,但其作用强度与持续时间有待系统研究。4异丙嗪在肌注治疗空间运动病时,对于火炬使用时长在航天飞机飞行任务中,普遍采用肌注异丙嗪来预防空间运动病。异丙嗪具有抗胆碱能与抗组胺作用,使