长期航天任务中的营养状态与一般生理状况

长期航天任务中的营养状态与一般生理状况

下一步人类的目标是进行太空勘探，建立月球基地并将其登陆。其中很多任务的飞行时间远远长于以往和现在正在进行的计划,因此保持航天员的健康就显得尤为重要,合理营养对这种努力是必不可少的。为了对执行长期航天任务的航天员制定营养素推荐摄入量,需要深入了解在微重力环境中营养状态和一般生理状况所发生的变化。航天期间饮食摄入常常是不充足的,这可能大大降低航天员的营养状态,引发或加重在失重环境中机体的生理变化,损害航天员的健康。虽然已经获得了一些飞行期间和飞行后的营养信息,因样本小和数据不完整妨碍了对营养在保持航天员健康中的作用的全面了解。为了寻求对长期航天飞行期间发生的营养状态变化的深入理解,NASA航天生物医学研究所Smith领导的研究组,对执行ISS1-8任务、飞行时间4～6个月(128～195d)的11名美国航天员[9男2女,年龄(46.5±4.1)岁]进行了系统的营养状态评价,获得了迄今为止对长期飞行航天员营养评价最全面的数据。从他们的观察结果可以清楚地发现,在航天环境中机体营养代谢发生了明显的变化,这些变化对航天员的健康构成了严重威胁。这些问题不解决,将制约人类探索无垠太空的步伐。因此,这也是航天营养和航天食品所面临的严重挑战。本文在Smith等研究结果的基础上,进一步论述航天环境对人体营养与物质代谢的影响。同时,对航天营养研究和航天食品研制领域的研究热点作一简要介绍。飞行前后的一般资料采用飞行期间食物频率问卷(FFQ)调查得到的资料显示,ISS上11名航天员整个飞行期间的平均能量摄入量为(9584±2625)kJ/d[(2284±627)kcal/d],相当于WHO推荐量的(80±21)%。飞行期间总蛋白质摄入量为(102±29)g/d,钠摄入量为(4556±1492)mg/d,钙摄入量为(1068±384)mg/d,铁摄入量为(23±12)mg/d。飞行期间航天员每周服用(5.7±4.0)份维生素D补充剂(每份补充剂含胆钙化醇10μg),每周平均服用(3.5±2.9)份多种维生素补充剂。在任务期间的几个阶段,营养素摄入不足(主要是能量)引起关注,医监医生对可能增加饮食摄入量的方法提出了建议。一名接受饮食咨询的航天员在飞行期间能够摄入推荐的能量摄入量。在返回着陆日测定,体重平均减少5%(P=0.051)。飞行中身体质量测定结果均为负值,在-5%上下波动,且有随飞行时间延长加重的趋势。与飞行前相比,总骨矿含量和骨矿密度降低(P<0.01)。飞行后瘦体质和脂肪质量没有变化。着陆后航天员尿中8羟2脱氧鸟苷酸(8OhdG)的浓度升高,提示飞行后存在DNA损伤。红细胞的超氧化物歧化酶(SOD)水平着陆后降低,表明飞行中抗氧化能力下降。虽然飞行后总抗氧化能力(TAC)与飞行前相比没有差别,但着陆日11名航天员中有6人的TAC低于正常临床参考值的下限(1.285mmol/L)。飞行后与起飞前相比,常规临床化学指标总体上没有变化。尿3甲基组氨酸(3-MH)、肌酐、pH,血清胆固醇、甘油三脂和血pH没有变化。尿镁和磷浓度下降44%和46%(P<0.001)。55%的航天员飞行后尿镁浓度低于临床范围的下限(3.0mmol/d)。飞行后与飞行前比较,血清硒下降(P<0.01)。血清锌有下降的趋势(P=0.06)。与起飞前相比,着陆后血清视黄醛棕榈酸盐浓度显著升高。血清γ-生育酚浓度着陆后比飞行前降低46%(P<0.05),但α-生育酚的浓度不变。维生素K1下降42%(P<0.01)。所检测的水溶性维生素中,红细胞叶酸浓度约下降20%(P<0.01)。定性红细胞转酮醇酶活力在正常值范围。飞行后与飞行前相比,维生素D营养状态指示物25(OH)D3下降25%(P<0.01),浓度范围17～92mmol/L。维生素D的活性形式1,25(OH)2D3的浓度没有变化。与以前航天飞行的发现不同,着陆日尿钙水平没有差别(P=0.50),但血中离子钙的浓度降低(P=0.06)。11名航天员中有8人血离子钙的浓度处于或低于正常临床参考值范围的下限(1.19mmol/L)。全部受检的骨重吸收的标志物均显著升高,包括骨特异性碱性磷酸酶、碱性磷酸酶、尿deoxypyridinoline、尿吡啶交联物和N端肽。尿deoxypyridinoline的排泄升高75%、尿吡啶交联物的排泄升高60%和尿N端肽的排泄升高40%。观察到的血液学改变反映了人体对航天飞行的预期反应,下降的有血红蛋白浓度(P<0.05);血细胞压积(P<0.01);铁蛋白铁饱和度(P<0.05)和平均血细胞体积(MCV)(P<0.05)。血清铁蛋白升高(P<0.01)。飞行前后维生素d状态和营养状态变化上述资料提供了长期飞行后营养状态显著改变的证据,一些可能与饮食摄入不足有关,其他的显然与航天飞行的作用有关。低能量摄入仍然是航天员最要紧的问题,因为它总是与维生素和矿物质摄入不足有关。根据Skylab代谢研究的资料,航天员有可能100%摄入推荐的能量需要量。低能量摄入可能与备餐所需的时间或分配于进餐的时间长短有关。机体维生素D的状态在长期飞行后发生改变。ISS航天员血清25(OH)D3的浓度飞行后较飞行前下降25%,与补充维生素D与否无关。血清25(OH)D3的正常范围大约为23~117mmol/L,但下限值依采集血样的地理位置不同,从20mmol/L变化到37mmol/L。确定维生素D缺乏的临界值学界意见不一,过去维生素D的推荐值仅仅基于预防佝偻病和骨软化症,而不是基于慢性缺乏病。现已明了维生素D状态对长潜伏期疾病也是一个重要的决定因素,边沿缺乏也应当被看成真正缺乏。业已提出理想的血清25(OH)D3水平大约为80mmol/L,这意味着80%~90%的航天员在飞行前和飞行后处于次理想的维生素D状态。长期飞行后不仅维生素D状态下降,而且维生素D的代谢或功能已发生改变。正常情况下血清中25(OH)D3与PTH的浓度成反比关系,这种关系在飞行前很明显,但是飞行后则否。飞行前后这种关系的变化提示机体对维生素D状态变化的反应发生改变。着陆后与维生素D状态改变相伴随的是骨重吸收明显增加,着陆后尿中骨重吸收标志物的水平较起飞前高40%~75%。未发现飞行中骨形成增加的证据,但着陆后观察到骨形成增加。着陆后与飞行前相比,尿镁和磷浓度大约下降45%,可能的原因是膳食镁摄入不足。尿镁下降可能是长期航天的一个关注点,因为镁有抑制草酸钙肾结石的作用。航天飞行中维生素K的作用需要进一步评价。因为航天期间血清维生素K的浓度较飞行前下降,着陆后血清维生素K的浓度比飞行前下降42%(P<0.05)。机体维生素K营养状态低下对骨健康有负面影响。业已证明维生素K参与蛋白质中羧基谷氨酸(GLA)的形成,如骨钙素和和基质GLA蛋白质。有研究报道,航天期间补充维生素K能够显著升高尿中GLA的排出量和减少未羧化骨钙素的排出量,提示维生素K的状态在航天期间受损。航天期间叶酸和维生素E也受到影响。红细胞叶酸盐水平降低20%(P<0.01)。食品加工过程并不会影响航天膳食中叶酸的生物利用率,饮食摄入不足而不是叶酸利用率受限可能是造成航天期间维生素K状态低下的关键因素。每周摄入多种维生素的数量与血清叶酸盐水平呈正相关关系(r=0.62,P<0.05),提示叶酸状态下降与叶酸摄入不足有关。血清γ-生育酚浓度着陆后比飞行前显著降低,但α-生育酚则否,原因可能是总食物摄入量减少或辐射/氧化应激所致。α-生育酚水平不变可能与飞行期间服用补充剂有关。航天飞行环境中有几个氧化性应激原有可能诱导生物系统的氧化损伤,其中两个是辐射危害和周期性暴露于高氧环境。着陆时SOD水平下降提示飞行时抗氧化能力减弱。血清8OhdG水平着陆时高于起飞前,提示飞行后DNA损伤加大。飞行后血红蛋白、血细胞压积、MCV、红细胞质量、血清铁蛋白显著下降,运铁蛋白含量降低和铁蛋白铁轻度升高,这些数据均提示铁代谢改变,体内铁储存池因暴露于微重力而发生转移。问题的提出和研究方向航天医学的观察和研究结果表明,航天影响人的很多生理系统,营养的很多方面也受到影响。航天环境因素导致机体营养和物质代谢发生改变,但在某些情况下,膳食营养可用作航天环境因素对机体不良影响的对抗措施。为此,还需要进一步了解营养在健康和体成分变化中的作用。为保证航天员航天期间的健康,保持和监测营养状态也显得十分重要。为保证航天飞行和探险期间航天员的最佳表现,以下问题是目前航天营养的研究热点。最重要的问题是为什么航天员将能量摄入量调节至不足以保持身体能量储备和质量的水平。以前的研究已确定了航天飞行的能量需要,然而,大多数航天员的能量摄入与需要相比均低2093～4186kJ/d。能量摄入不足导致体重丢失,加速肌肉萎缩和骨质丢失。失调的原因和对抗措施仍不清楚。虽然已经清楚超过地面水平提供蛋白质的摄入量不能减轻肌肉萎缩,也知道其他的对抗措施如锻炼和使用药物在蛋白质摄入不充分的情况下难以奏效,但保持肌肉质量的蛋白质需要量仍未完全明了。为了保持骨健康,需要对钙和与骨健康相关营养素的关系进行深入研究。与蛋白质对肌肉的作用一样,增加钙的摄入量不能减轻微重力环境中的骨丢失。而且,过多的钙摄入将增加肾结石形成的危险。但是,钙摄入不足又对任何旨在预防骨丢失的对抗措施产生不利影响。因此,钙的需要量必须仔细与航天采用的对抗措施相匹配。在失重环境中,一些微量营养素的需要量预期要高于地面(1G)人群的需要量。例如,已知增加抗氧化剂的摄入能够降低辐射对人体细胞的损伤,据此估计航天期间抗氧化剂的需要量将高于地面。另有证据显示,除钙以外的微量营养素对防护失重骨丢失也可靠有效,但需要量和作用机理仍不清楚。微生物食品的研发对于涉及多人、长时间、远距离的航天任务,连续提供食物以及营养保健品仍是一个挑战。膳食营养对航天员生命质量的重要性是不言而喻的,这不仅是因为只有通过适宜营养素的摄入才能保持适宜的营养状态,而且还因为适宜的食物在长期航天过程中发挥重要的社会心理学作用。航天对食品系统的独特要求是低质量、低能耗和长保质期;食品最低保质期,随任务而异,短期航天为9个月,国际空间站为1年,星际探险则高至5年。食品供给将倚重可再生农作物生产,配备适合在微重力和重力降低(如火星和月球)环境操作的食品加工系统。NASA食品科技贸易航天中心(FTCSC)提出航天食品系统面临如下挑战。为保持航天员的健康,食品必须有营养、美味可口。研制开发适合航天特点的新产品势在必行。需要研制的新产品包括:用就地生长的农作物加工的新食物配方;益生菌制剂;营养保健品;微胶囊包装的食用香料。环境约束需要所有的装备结构紧凑、多功能和重量轻。此外,装备必须最低能耗、清洁用水最少、易于操作和清理以及产生最少的空气污染和气味。需要研发以下装备:冰箱和冷藏箱;烤箱和微波炉;榨汁机;加工全谷的设备;用谷物加工面包、用大豆生产豆腐、用含淀粉作物生产甜味料设备等。食品的保质期在舱温储藏条件下必须能够安全地维持9个月至5年。对长期航天任务将提供一定的冷藏和冷冻的储藏条件。需要在以下领域展开研发:包装材料改进;新的化合物(食品添加剂)以降低水分活度、脂质氧化和微生物生长;防止和最小化水分迁移的产品;辐照技术;气调包装和贮藏;用于5年保质期食品的加速贮存试验的方法。保证食品安全和预防病原微生物的污染和释放不愉快的气味对航天员的健康和高效至关重要。需要在以下领域开展研发工作:非破坏性和快速评价包装内食品质量和安全性的方法;快速在线连续监测食品质量和安全性的传感器,用于食品安全性的指标如色泽改变,水分活性改变和毒素检测等。为保证延长食品的保质期和安全性,使重量和废弃物减到最少,需要新的包装方法和材料,并在以下领域开展研发:可再循环和可降解的包装;加速降解的包装;多功能包装材料;新型可食用被膜材料;微波适用的包装。在航天器密闭的环境中,水和空气被循环利用。需要在以下领域开展研发:加速食品包装降解的方法;将生物量通过生物转化为有用的产品;用于食品加工、废物降解和空气净化的生物过滤器;废水清洁和再循环的生物反应器。营养适宜的饮食航天营养与食品科学作为一门独特的学科分支还处于初级阶段。已经完成和正在进行的大量研究工作,都是按照地球重力的观点向航天员提供营养适宜的饮食。航天期间观