论危重生理学的发展

论危重生理学的发展

40多年的载人在航空航天实践和相关科学研究方面证明，重量对人体的生理系统有显著影响。此外，它还可以采取各种保护措施，以对抗重量损失对运动员健康的影响。21世纪的载人航天活动中,失重的生理影响及其防护措施仍然是今后长期飞行和星际飞行的重大医学问题,同时长期在轨驻留对失重生理学研究提出了更高的要求,因此探索有效的长期失重生理效应综合对抗措施已成为实现未来载人航天的关键技术问题。我国失重生理学研究概况我国失重生理学的研究起始于20世纪50年代末期,最初主要进行的是失重心血管生理学研究。1968年建立中国航天员科研训练中心成立初期,开始了系统的失重生理学研究,其研究内容也从心血管系统扩展到所有的生理系统,研究方法从单纯地观察失重的影响深入到机理的探讨和失重防护措施的研究。20世纪90年代,第四军医大学航医系加入此研究行列。随着我国载人航天任务的提出和“神舟”号飞船发射成功,我国许多医学科研单位和学校也开始对失重生理学的研究发生兴趣,纷纷进行了与其有关的课题研究。按照我国载人航天任务的不同发展阶段,失重生理学研究可划分为以下3个阶段。第一阶段地面模拟环境实验性研究阶段。这一阶段的研究为我国第一批航天员的上天提供了医学保证。随着我国载人航天的实现,我国失重生理学的研究将随之发生阶跃性的变化,初步观察我国航天员飞行中和飞行后的一些生理变化,并在尽可能的情况下在太空进行少量的生理学研究。第二阶段地面结合航天实验阶段。随着我国空间实验室和空间站的建立,除在地面进行较深入的研究外,对一些有意义或在地面重力状态下无法进行的课题,在太空中进行研究,以便进一步了解失重时各生理系统动态变化过程和进行机理探讨,并可在空间站中进行防护措施的研究,制定出有效的综合性防护措施方案。第三阶段长期飞行医学问题研究阶段。随着我国星际飞行任务的提出和太空留驻时间的延长,航天员除了长期失重以外,很多其他因素(如辐射、心理因素等)会给航天员带来更多的已知和未知的危险,因此,此阶段的任务是观察长期失重,尤其是失重与其它因素(例如辐射、心理等)复合作用对生理系统的影响,探讨其机制和制定长期飞行的防护措施。由于我国到现在为止只有3名航天员进入太空,在太空中还没有专门进行失重状态下生理学研究,故有关的研究工作绝大多数还是在地面模拟状态下进行的,所得出的一些实验结果和假说还无法进行真正失重飞行的考验。但是,我国在失重生理学研究的思路、实验方法和分析手段上具有一定的特色,也得出了很多有价值的研究结果。本文将以各个生理系统为主线介绍我国失重生理学研究的概况。模拟失重状态的心血管功能研究我国失重生理学研究中,失重心血管系统的研究起步最早、研究范围最广、最深入、发表论文也最多。失重心血管生理学的研究主要进行了以下4个方面的研究。模拟失重对心血管系统的影响我国主要采用卧床和头低位悬吊方法模拟失重,观察模拟失重期间人和动物心血管系统的变化。人卧床时间从2h到60d,鼠尾吊时间最长达120d。卧床实验得出结果与飞行中航天员的变化及国外卧床实验的改变十分相似,但也采用一些新的方法和提出一些新的见解。例如,采用中国特有的脉图仪全面了解卧床期间心血管系统的变化;用中医辩证方法,对卧床中被试者的症状进行分析;观察了卧床对被试者微循环、肺微循环、脑微循环的影响等。我国对动物模拟失重状态下心血管系统的变化进行了较深入和独特的研究。沈羡云等建立了兔头低位20°倾斜的模拟失重动物模型,采用此模型进行一系列模拟失重兔微循环、脏器血流量和微血管壁通透性的研究。第四军医大学等单位对长期模拟失重时尾吊鼠的心血管动态变化、心肌功能和结构、外周血管结构和功能进行了深入的研究。张立藩等发现模拟失重可引起大鼠不同部位动脉血管出现截然不同的结构和功能的变化。近年来,我国对模拟失重时肺循环、肺功能和肺动脉的局部调节机制进行了较多的研究。通过这些形态、结构和分子层次的研究,我国的航天医学专家对模拟失重状态下的肺循环变化有了较深入的认识。立位耐力下降机理探讨失重引起的心血管功能失调主要表现之一是立位耐力下降。我国较早对其机理进行探讨。通过人和动物的实验,证明压力感受器反射功能改变是引起模拟失重后立位耐力下降的主要原因。同时,探讨了血容量减少、动静脉收缩功能降低、脑循环和脑功能的改变在航天后立位耐力降低机理中的意义。心血管功能评价为了我国航天员的心血管功能选拔,中国航天员科研训练中心在航天员心血管功能评价方法上进行了具有独创性的研究。例如,赵国璇等通过研究,制定了我国航天员失重心血管功能的选拔方法和标准,并用于我国航天员选拔。沈羡云等通过实验证明她们提出的“立位+负压”方法可以反映出被试者立位时心血管系统的调节潜力和预测被试者模拟失重后的立位耐力。王德汉等经多年研究,提出了人体心功能状态综合评价的实验方法和标准,达到早期发现疾病,提高诊断率,以及择优选拔人体心功能的目的。防护措施研究我国失重心血管防护措施研究的特点是以祖国医学的理论和实践为依据,结合航天中人体的特殊生理变化,在中药和气功两方面进行了实验性研究。例如,沈羡云提出“航天血瘀证”假说,并通过实验验证了该假说;张静雪等的实验表明气功、吸低氧有明显对抗21d卧床影响的效果;候书礼建立了一种卧床功,改善卧床对被试者的不良影响等。此外,我国在物理性防护措施方面也进行了较多的研究,例如,实验证明体育锻炼+体位变换训练、卧床中四肢使用套带和下体负压可提高起床后被试者的立位耐力。模拟失重对小鼠血流变性指标和骨髓造血功能的影响我国失重血液学的研究起步较晚,20世纪90年代才开始对这方面进行较系统的研究,重点是观察模拟失重对人和动物红细胞和血液流变性的研究,国外在此方面的研究较少,所以具有一定的先进性。沈羡云等研究证明模拟失重可引起人和动物红细胞变形性、脆性、红细胞膜流动性变化和血液流变性的改变。在此基础上,进行失重血循环障碍防护措施的研究证明,一些中药具有改善模拟失重动物血液学和血液流变性指标的作用。李志利等研究了模拟失重对骨髓造血功能的影响,发现模拟失重后骨髓造血功能降低,且2wk内趋于稳定。失重血液学的研究仍需探索新的方法和切入点。模拟失重状态下脑功能研究我国在失重神经科学方面的研究起步也较早,在20世纪60年代就进行了这方面的研究。该领域的研究主要包括以下2个方面。脑功能我国从载人航天一开始,就对空间脑功能的研究十分重视,梅磊经过多年的实验,提出了一种新的脑电分析方法-脑波超慢涨落技术(ET),提出了与重力场有关的大脑演化理论和人脑功能整合中的神经对抗原理、功能态突变原理和额叶化原理。沈羡云等采用ET技术证明模拟失重可改变中枢神经系统的均衡性、协调性和抑制性。魏金河领导的失重脑功能实验室对模拟失重状态下的脑功能进行了多年深入研究。他们采用了事件关联电位(ERPs)的方法来反映模拟失重条件下与注意有关的脑反应变化特征,证明模拟失重状态下出现脑主动抑制过程减弱,注意反应能力下降。他们的实验结果为失重对脑功能的影响提出了新的证据和新的看法。空间运动病我国在空间运动病方面的研究工作集中在制定航天员前庭功能选和训练方法、探讨航天运动病发病机理和进行防护措施的研究。为了我国载人航天任务,裴静琛、王林杰等人在比较了各种前庭功能的选拔和训练方法的基础上,制定了适合我国航天员前庭功能选拔和训练的方法,并应用到“神舟”号任务中。他们对空间运动病产生机理也进行了深入的研究,在自己实验的基础上提出了耳石——半规管不对称学说和视——前庭调制学说,补充了神经失匹配学说的理论。并对模拟失重状态下前庭敏感性的变化及产生原因进行了探讨。王林杰、魏金河等采用定量前庭刺激研究了前庭自主神经响应与脑高级中枢活动的动态变化规律,发现低角速度匀速旋转时大脑处于兴奋、易化状态,加速度刺激时相对于匀速旋转的兴奋效应体现出明显的对认知脑过程的抑制作用。匀速旋转对心血管活动几乎没有影响,角加速度作用时迷走神经活动相对增强,中枢内环境调节节律受到影响。前庭刺激对心血管活动的影响与其对认知脑过程的影响似有一定内在联系。我国在进行航天运动病的防治时,从中医辩证的角度分析,以祖国医学的辩证施治和经络学说为指导,采用了中药、耳穴刺激、磁穴按摩等方法进行研究,取得初步效果。模拟失重对成骨细胞增殖和营养方面的影响我国对模拟失重状态下人和动物骨代谢的变化进行了大量和深入的研究。早期的工作主要是从整体水平观察模拟失重对承重骨骨结构、功能和代谢的影响,并进行了防护措施的研究。自从1998年中国航天员科研训练中心创建了航天分子生物学实验室后,开始了我国航天分子生物学的研究,我国失重骨骼系统的研究也从整体水平跨越到细胞、分子水平。此实验室目前正在向宏观和微观两个方向发展;正在把整体研究和细胞与分子水平的研究结合起来,以便明了整体变化的机制,摸清其规律,提出有针对性的对抗措施。航天分子生物学实验室除了在原有的基础上进一步观察模拟失重对动物骨骼系统的影响外,还采用回转仪模拟失重,或直接搭载返回式卫星、“神舟”号飞船,观察真正的失重对成骨细胞形态、结构、细胞骨架和基因表达的影响,并深入探讨了其分子学机理,以便找到药物防护的靶点,明确细胞学药物防护方案,为今后我国制定科学、合理的防护方案奠定理论基础。此实验室在地面进行了大量模拟失重对成骨细胞生长的影响及中药防护作用的研究,例如,利用回转仪模拟失重,观察到模拟失重后成骨细胞的增殖受到明显的抑制,成骨样细胞的细胞周期发生改变,证明模拟失重可引起成骨细胞的力学信号转导功能发生显著的下调,并通过实验从几种药物中筛选出有促进模拟失重状态下成骨细胞增殖的中药。在此基础上,于1999年,利用ESA的返回式卫星,在法国的IBIS上搭载了3对成骨细胞,进行了为期96h的失重飞行观察,以探讨失重飞行对成骨细胞增殖、结构和功能的影响及中药SHJ的防护效果,结果证明失重可以使成骨细胞增殖减慢,SHJ可以有效地促进成骨细胞增殖,对抗失重引起的成骨细胞骨架解聚。近几年,此实验室对失重时骨代谢异常的机理进行了研究,例如,通过动物实验证明骨和骨髓中BMP-2含量的降低,骨局部因子含量的变化可能是失重性骨丧失的起因之一。我国在进行失重骨质丧失防护措施的研究时,进行了中药、物理刺激和改善膳食方面的研究,证明中药刺五加、三花接骨散等具有缓解失重因素对大鼠承重骨的不良影响,促进成骨细胞增殖的作用,中药和磁场联合应用的效果更佳;间断性的站立可明显改善尾吊大鼠承重骨的力学特性。研究证明在航天食品中适当地补充维生素D、抗坏血酸等也是防止失重引起的骨质疏松一种方法。失血性肉中和大鼠肌肉的电刺激和缺失行为我国在近10年来才开始深入地进行失重肌萎缩方面的研究工作,主要是观察模拟失重对动物肌肉系统的影响及探索防止肌肉萎缩的措施。在进行失重性肌萎缩的研究时,主要观察了模拟失重时人和动物抗重力肌及其功能的变化、寻找尾吊大鼠比目鱼肌动态变化规律,确定其萎缩的时间点、探讨尾吊鼠肌肉收缩特性变化的起因等。尤其在模拟失重对动物肌梭结构及其传入冲动和比目鱼肌ERK1/2磷酸化状态进行了较深入的研究。陈晓萍等建立了一种快速高效分离纯化成年骨骼肌肌肉干细胞的新方法,成功地应用于人、大鼠、小鼠、兔、猪和狗等多种属成年肌肉干细胞的分离纯化,并发现Smad3信号通路在模拟失重状态下的快、慢肌纤维转换中起着重要的调控作用。在失重肌肉防护措施的研究方面,进行了中药、电刺激、物理对抗措施等方面的研究。通过实验证明一些中药,例如,强筋Ⅰ和Ⅱ号、丹黄合剂、川芎等具有防止模拟失重动物肌萎缩的作用;慢性低频电刺激方法可有效对抗悬吊大鼠比目鱼肌的萎缩;100Hz正弦振动可改善尾吊大鼠梭外肌的代谢、功能和组织结构。我国刑事防护研究的发展趋势我国失重免疫功能研究开始较晚,从20世纪90年代才开始进行系统的研究,主要进行了模拟失重对免疫系统的影响及机理探讨。杨光华等观察了人和动物(大鼠、小鼠、兔)在不同时间的模拟失重状态下免疫学指标的变化,证明了模拟失重可引起人和动物的非特异性免疫功能下降,细胞免疫功能和细胞因子的改变。一些实验也证明模拟失重可引起小鼠T细胞亚群和某些细胞因子活性的改变,小鼠胸腺细胞凋亡的增强。我国在航天因素引起免疫功能变化的机理和防护措施上也进行了一些研究,研究证明航天因素对免疫系统有抑制作用,TNF-α含量的减少与骨髓细胞的增殖功能有关。近年来用分子生物学技术,从基因水平上进行研究,证明模拟失重是通过抑制IL-2基因和Bcl-2癌基因的转录而降低T淋巴细胞增殖能力的。现在,我国也开始进行航天免疫系统防护措施的研究,主要从药物防护方面开展研究,初步实验结果证明中药的防护是有发展前途的。研究的发展在失重神经及心血管生理等领域进行深入的研究美国和俄罗斯经过40多年的载人航天,失重生理学的研究条件和实践比我国强,并积累了丰富的太空实验经验和数据,我国在此方面与他们的差距很大。因此,我们必须根据我国的实际情况,在认真的调研和地面实验的基础上,结合目前我国载人航天以中短期飞行为主的实际情况,进行深入的失重神经及心血管生理学研究。在研究中注意将整体-细胞-分子水平的研究结合在一起,以便更好地找出空间生命活动的规律性,更深入了解其生理机制,进一步推进失重生理学的实际应用。加强多方位合作研究加强国际和国内合作是整个高技术发展的一大趋势,也是快速、经济和高效发展天事业的重要途径。同时,航天中的生