长期航天中人体健康风险的研究

长期航天中人体健康风险的研究

自20世纪70年代的空间实验室和意义之炮任务以来，蓬勃发展的宇宙医学为人类长期的近距离科学的研究提供了坚实的保证。但伴随着长期飞行实践经验的不断积累和医学研究的不断深入,科学家们越来越清楚地认识到:长期航天飞行中,失重、辐射、密闭隔离环境、昼夜节律改变等环境因素对人体产生的不利影响以及飞行中不可避免罹患疾病的风险,都严重威胁着航天员的健康和安全,现有的医学保障技术能力难以切实预防和消除上述风险因素。以往飞行任务中的确也发生过因航天员健康问题提前返回的事件。1失去的损害和人类保护1.1重力再适应,重在轨飞行人体由地球重力环境进入失重,各生理系统将发生一系列功能(结构)适应性改变,返回地面时,将因重力再暴露而诱发再适应性生理反应,甚至出现机能失调。与短期飞行相比,长期飞行对人体产生的不利影响更为广泛,重力适应与再适应问题更加突显,严重影响在轨飞行及重返地球时航天员的安全、健康和工作效率。长期失重飞行主要影响骨骼、心血管、肌肉、免疫系统。1.1.1骨丢失事件的持续性和进行性当重力消失时,骨骼失去为维持体重和运动时承受的负载作用,受到肌肉的应力也因费用性肌萎缩减弱,加之血液重新分布影响循环和代谢,骨骼出现以承重骨为主的进行性骨质脱钙、生物力学特性下降、基质不能正常成熟和矿化。骨骼系统对失重响应的突出特点是效应的持续性和进行性,长期飞行中,骨丢失约以每月1%~2%的速率持续进行,没有稳定适应期。因此,失重导致的骨质疏松、骨折和肾结石风险增高成为长期载人飞行的突出问题。1.1.2刑满释放后影响长期失重可导致更普遍的心血管功能失调,主要表现为返回后立位耐力不良及运动能力或有氧工作能力下降。几乎所有航天员返回后均出现不同程度立位耐力下降,严重影响航天员的在轨工作能力及返回后健康安全。同时,心脏生理学变化效应积累或源于已有的无症状心脏病在长期航天飞行中加重,还可能导致严重心律失常发生。预测性研究显示,6人16天飞行因严重心血管事件造成飞行损伤的风险为0.3%,国际空间站每人每年发生能导致能力丧失的心血管疾病风险为1%。1.1.3抗重力肌群张力减弱重力负荷消失,骨骼肌应力消失,骨骼肌局部调控机制以及可能的神经-体液调控因素导致抗重力肌肌肉合成减少、蛋白降解增多、细胞凋亡增多、增殖减少,从而引起抗重力肌群张力减弱、体积减少、肌力下降、易疲劳和肌纤维类型转换。航天飞行5d即可出现明显肌肉萎缩,肌萎缩速度大约为6%~7%/周,在不采用防护的条件下,肌肉质量丢失可达50%,造成飞行中与运动能力相关的任务完成能力受损明显。1.1.4细胞免疫功能下降微重力、任务性心理/生理应激、辐射、饮食等,可诱导航天员产生各种免疫反应,尤其是导致机体细胞免疫功能下降,表现为:外周血白细胞亚群变化、细胞因子分泌谱改变、功能性Tc失调等。同时,空间飞行还可能诱发微生物基因表达发生改变,毒力增加,如:EB病毒、巨细胞病毒、水痘-带状疱疹病毒等可被重新激活,从而增加空间飞行航天员罹患感染、肿瘤、过敏和自身免疫性疾病的风险。1.2全球载荷恢复目标国家的研究方向针对上述失重对人体的不利影响,为确保长期飞行航天员健康和绩效,美国、俄罗斯以及参与载人航天的各个国家均致力于有效失重防护措施的积极探寻。1.2.1一般网络连接保护措施1.2.1.提高立位力的作用航天中应用最广的锻炼设备。通过有氧或无氧锻炼,增加心血管负荷,增加循环血量,维持下肢肌耐力,提高机体有氧工作能力。能有效提高受试者心肺功能,但对立位耐力的防护作用有限。研究表明,长期耐力锻炼虽能提高VO2max,但同时也降低了立位耐力,而在卧床结束前或返回前进行一次最大强度的锻炼似乎能有效提高立位耐力不良。同时,自行车功量计也有一定对抗失重性肌肉萎缩作用。1.2.1.在跑、跳、跳、跳、进是空间站中最常用、被认为是最有效的另一种体育锻炼防护措施。现有跑台能够向航天员头足向施加大约人体体重70%的压力,通过航天员在跑台上行、跑、跳,锻炼骨骼肌,刺激骨骼重建,并达到心血管有氧锻炼效果,同时促使神经-肌肉协调,减轻返回后行走困难。目前有观点认为,跑台锻炼防护措施没有显示出最佳效果是因为施加在人体上的力负荷不足所致,理想的状态应是能够施加100%体重的负荷。1.2.1.3抗阻滞冲训器1.2.1.4.检察官食品1.2.1.防治心血管功能针对防护效应,美国和俄罗斯有不同观点:美国研究表明,其制定的下体负压方案在经过飞行验证后,未显示对抗失重心血管失调作用,但可作为诊断心血管功能的方法;俄罗斯研究认为,某种程度上可以减少立位耐力下降,但自身严重的缺陷是,每个循环区域的静力压梯度消失,造成减压和立位时生理反应存在性质和量的差别。俄罗斯对下体负压在飞行中的应用包括在轨心血管功能评价、防治立位耐力不良。1.2.1.6神经肌肉电刺激1.2.1.7种类型1.2.1.般飞行防护措施通过对裤内侧管充气,压迫人体下肢静脉,防止下肢静脉血液过多潴留,部分改善返回后立位耐力下降。空间飞行采取的失重防护措施包括:合理作息、平衡饮食、优化环境、心理支持等基础医学支持,以及体育锻炼、物理防护、药物防护等防护方案。国际空间站任务中,美国防护方案主要为利用跑台、自行车功量计及抗阻锻炼设备航天员开展定期体育锻炼。俄罗斯则强调,体育锻炼应贯穿整个飞行始终,同时还采取套带、下体负压、肌肉电刺激、体内水盐补充、药物制剂等其他防护措施。虽然在飞行前、中、后采取了综合防护措施,飞行任务中占用了大量时间和空间资源,但长期飞行实践表明,失重生理效应仅得到一定缓解,效果并不理想:骨丢失方面,14名执行4~6个月国际空间站飞行任务航天员的研究结果显示,虽采取了对抗措施,整个飞行任务航天员股骨骨质丢失约11%,返回后1年,单位骨密度仍不能完全恢复。心血管方面,航天员立位耐力和有氧运动能力仍下降明显,很多返回地面的空间站航天员必须由地面人员协助方能出舱。国际空间站6个月飞行航天员的小腿肌肉活检研究结果显示,虽然锻炼可缓解肌纤维的萎缩和肌力下降,但仍发生明显的肌肉体积减少和肌力丢失。1.2.2对不同病理影响的患者进行临床疗效评估由于现有防护方案防护效果的有限性,科学家们不断探寻新的防护措施、改进已有单机及综合防护方案。目前在研的防护措施主要包括:划船器、振动、中医药、人工重力等,分别在心血管、骨骼、整体生理效应防护方面获取较好效果。但人工重力旋转刺激导致的倦怠、头痛、注意力不集中等副作用,以及如何确定间断重力的持续时间、频率、离心力大小,以实现各生理系统的有效防护,如何开展对旋转和非旋转环境的反复适应相关研究等还需要进一步深入研究,人工重力研究距空间应用尚有较大距离。1.2.2.中医药防护在短期飞行中的应用中医药的系统调理和治未病理念与航天环境产生的广泛生理系统适应性改变相匹配,中医药防护在我国短期飞行任务中已发挥重要作用,开展长期飞行航天不同时相机体征候变化,系统研究制定辩证的中医药防护措施,是发展有中国特色航天医学的方向。2疾病风险和监测和治疗2.1健康支持保障方面伴随着飞行时间的延长,航天员罹患疾病和受到意外伤害的概率增加,加之失重、辐射、噪声、振动、昼夜节律改变等航天环境对人体不利影响的累积,以及飞行任务中密闭、与社会相对隔绝和单调高强度工作负荷对人体生理心理的应激作用等,将进一步影响航天员健康状态,增加疾病发生风险。同时,飞行时间的延长,航天器系统故障发生概率增加,可能出现有害气体中毒、低压缺氧、烧伤等紧急医疗事件。飞行实践表明,尽管参加飞行的航天员均为通过严格选拔的健康人群,飞行中采用了周密的健康支持保障措施,航天员仍不可避免地出现一些功能性或器质性失调,但严重疾病发生概率很低。经常发生的疾病主要包括:空间适应综合征,便秘、头痛、背痛、外伤、失眠、疲劳、皮肤感染、上呼吸道感染、无症状心律失常等,眼部疾病、口腔疾病、尿路感染、肠炎、鼻出血、精神行为问题等也均有报道。据预测,国际空间站15年飞行,可能会出现1~2次因医学问题提前返回地面的事件,中枢神经系统、心血管系统、骨骼肌肉、皮肤和黏膜易于发生疾病损伤,出现紧急事件,可能的严重疾病包括:严重心律失常、心脏病发作、中风、栓塞、肾结石、传染病、大出血等。以往飞行任务中就曾出现过2次因前列腺炎(联盟T-14飞行任务)、严重心律失常(和平号空间站任务)导致提前返回的医学事件,发生过“阿波罗-联盟”乘组在再入大气层期间暴露于N2O4下,导致乘组3人全部因肺水肿住院治疗的环境污染医疗事件。2.2轨医学的监测和治疗2.2.1医学检查检查国际空间站的医学监测分为常规医学监测、出舱活动医学监测及环境医学监测等几大类。(1)飞行中常规医学监测指标主要包括:12导心电图、24h心电图、下体负压、运动负荷心血管功能、身体质量测量、小腿体积、血常规、血生化、尿生化、超声等。上述检查分别按照日、周、月、季度不同间隔开展,并形成相应医学报告。(2)出舱活动前医学监测及执行交会对接任务时还将加强监测。(3)环境医学监测主要为定期监测水质、微生物、辐射、大气、噪声环境等。主要指标包括:水中总碳含量、无机碳总含量和总有机碳、pH值、电导率、总菌落数及大肠杆菌菌落数,物体表面及空气中的细菌、真菌数,辐射暴露水平,有害气体浓度,航天器内噪声值等。2.2.2飞行乘组的材料与治疗设备国际空间站医学处置的硬件保障主要源于乘员健康保障系统,包括:(1)俄罗斯服务舱的医学检查设备,基本体系、架构和配置与“和平”号空间站类似,仅在硬件构成和药物方面有所更新;(2)美国实验室和居住舱的乘员保健系统(CHeCS),含三个子系统:健康维持系统,包括诊断和治疗部件以及药物;环境监测系统,包括分析空气、水和表面样品用设备;对抗措施系统(CMS),包括用于日常身体训练和监测健康水平的设备。俄罗斯用于预防、治疗的舱载药箱包括:常规医疗药箱、常规预防用药箱、应急药箱、医生专用药箱、个体用药药箱、舱载急救包、额外补充用药药箱以及更换药剂药箱,分别适用于飞行中常见病治疗、预防及调节、危重情况救助、专业医生用药、个体化用药、联盟号飞船短期飞行医学处置、额外补充用药、替换过期药物和医疗设备等情况。美国的乘员健康维持系统,主要用于伤病的预防、诊断和治疗,并具备对患病乘员的转运能力。它包括医疗应急包、乘员防污染用具包、高级生命保障包、乘员医学固定系统、除颤器、呼吸保障包、辅助保障包、临时医疗包及噪声防护包等,可为3位乘员中的1人提供180d高级生命保障能力。可以看出,除了日常较小疾病的诊治外,美国更加强调对严重事件的应对能力。在轨飞行疾病的有效诊治依赖于4个方面:为准确诊断提供客观依据的健康检查能力、体现空间飞行任务特点的疾病诊断(鉴别诊断)标准、疾病在轨治疗技术能力、实施检查和治疗主体的医学技能水平。受空间资源限制,在轨飞行配置的诊断治疗用硬件设施十分有限,现有在轨医学检查设备为最基础设备,缺乏深入细化的生理功能及影像学检查设施。加之,失重生理效应等对临床表征可能的干扰作用,在轨飞行航天员健康状态评估及疾病准确诊断存在一定困难。在治疗方面,空间站配置100余种药物,主要用于内外科及五官科较常见疾病的治疗,但只满足最基本处置需求,治疗能力有限,治疗手段单一,无法实现可能需要的大量快速输液、手术治疗等。目前,国际空间站飞行乘组一般不配备具有专业医学背景知识的航天员,仅在飞行前指定医疗官,进行约80h的在轨用医学知识及操作技能训练。因此,在轨飞行航天员不具备实施较复杂医学诊治的能力,具有一定风险。3心理社会问题和社会保障3.1飞行任务中个人心理健康的影响迄今为止,行为状态和社会问题被认为是长期飞行任务的障碍之一。长期在轨飞行,成就动机对心理因素的良性影响效应减弱,密闭狭小空间、与社会隔离、特殊人际关系、单调的工作内容和任务完成的高要求以及飞行任务的安全问题对心理产生的压力等,均造成航天员心理负面影响效应累积。国外飞行实践表明,长期飞行航天员心理问题较为突显,航天员可以产生人格、情绪、认知能力以及社会心理学问题,如:抑郁、焦虑、人格改变、个人动机改变、乘组内部冲突、心理兼容性下降、应激稳定性下降等不利心理反应,从而产生个人睡眠障碍、神经衰弱、记忆注意障碍、操作错误、乘组及个人创造力下降、工作绩效下降等现象,直接影响航天员的身心健康,严重的行为或认知症状还可能影响任务的最终完成。20世纪70-80年代,俄罗斯飞行任务即发生过3次因个人心理因素导致任务提前终止的行为和心理紧急事件。在天空实验室飞行任务中,也曾发生航天员与地面任务控制组之间产生摩擦,停止了正在进行的工作,并坚持在工作几周没有休息的情况下自主安排一个休息日的情况。在俄罗斯的一个“礼炮”号空间站任务中,也出现过与地面控制人员发生冲突的事件,乘组主动与任务控制组之间停止通讯24h,并没有向地面报告太空发生的一次火灾。3.2飞行中心理健康监测与心理保障国际空间站任务,十分重视心理健康的评估与维护,对行为状态和心理社会问题的预防始于航天员选拔,覆盖飞行任务的前、中、后。飞行前,进行候选者个性、情绪稳定性和家庭要求等适应性检查,选入合格人员;任务前进一步了解航天员的心理支持选项偏好,制定个性化支持方案;对航天员及其家属进行“课程学习”;建立专门机构负责解决任务期航天员家庭可能遇到的问题;教授航天员心理自我管理调试方法;进行冲突管理训练、多文化融合训练、精神问题医学诊治训练等;并在飞行前6个月、1个月再次进行心理检测评价。飞行中,开展心理健康监测与心理保障。心理监测主要包括:跟踪乘组与地面的声音信息;通过电视屏幕观察乘员的行为举止,分析乘组差错和作息时间表;与乘员进行私密心理会谈,评定其心理健康状况;开展在轨飞行认知评估等自我测验项目等。心理健康保障措施主要包括:提供新闻报道、音像节目等信息支持;合理安排作息,提供休闲娱乐;开设私人家庭聚会、私密心理会谈,并通过家人及心理保障组送去私人物品补给,与家人及朋友的交流沟通;专业心理保健与调整等。同时,飞行中还针对可能出现的行为学问题和心理障碍提供了必要的纠治手段。包括:在医疗工具包中提供相关治疗药物,国际空间站药包中有两种抗焦虑药、两种抗抑郁药和两种抗精神病药;心理学家或精神病学家定期与航天员进行私人心理会谈,由BHP专家系统编制、欧洲/俄罗斯/美国航天机构统计的原始数据表明,航天员一般认可私人心理学会谈;飞行医生每周与航天员进行15min私人医学交谈,监测航天员的健康和情绪状态。飞行后的行为状态和心理障碍预防和治疗则主要依靠返回后的医学会谈。综上,基于以往飞行实践,长期在轨飞行可以导致航天员出现行为学问题和社会心理学问题,为确保航天员健康,需要研制一套覆盖飞行前、中、后,考虑程序、环境、个体、乘组及其家庭、地面支持人员等各影响环节的综合防护方案。尤其值得提出的是,发展航天员心理健康状态在轨自测技术,提高航天员在轨心理健康状态评测、预估和自我调整能力是长期载人飞行航天员心理健康保障的一条重要途径。另外,目前关于航天员个体的研究较多,但就如何构建最佳乘组、维护飞行乘组的凝聚力、执行力,增强其整体社会心理适应能力目前研究较少,它可能是后续任务需要攻克的重点和难题。4辐射的生物效应和保护4.1致死于小剂量的直接辐射地球外层空间辐射一直是威胁载人航天安全的重要物理因素。飞行监测数据表明,航天员执行飞行任务中必然受到空间电离辐射照射,个体所接受的空间电离辐射剂量可以降低,但不能完全避免。空间辐射生物效应主要有急性效应和后效应。急性效应主要来自太阳粒子事件(SPEs),后效应是长期小剂量暴露产生的后发效应,包括癌症、中枢神经系统损伤、遗传效应、组织退化等。对于太阳粒子事件导致的急性效应,近地轨道因地磁大气保护和宇宙飞船对质子的有效屏蔽,舱内生活时发生的可能性小。这一点,在1989年多次太阳粒子事件时俄罗斯“和平”号空间站数据业已证明。但如在舱外活动期间发生太阳粒子事件则风险极大,一次大的SPE可使整个身体照射剂量大于500mGy长达数小时。与急性效应相比,长期小剂量空间辐射暴露对人体的危害及防护更是研究的重中之重。流行病学研究证明,近地球轨道(LET)的辐射有引起癌症的危险;空间辐射暴露可以引发急性和延迟性中枢神经系统损伤,引发心血管、消化系统疾病及白内障等组织退化性疾病,其对人体健康的危害、对飞行任务的影响不亚于致癌作用,也是关系到飞行任务成败的重要问题。4.2飞行剂量监管针对空间辐射的防护手段主要包括:合理选择飞行轨道,制定航天员飞行剂量允许暴露标准,通过飞行期间辐射剂量监测进行辐射安全评估,以及可能的物理和药物防护等。4.2.1优化行人航天器的飞行轨道,尽量回避地面监控近地轨道飞行时,地磁捕获辐射带内的辐射强度一般较弱,但在南大西洋异常区,其内捕获质子的能量强度超过30MeV,因此,设计载人航天器飞行轨道时,应尽量避开。4.2.2辐射暴露限值对比美国、俄罗斯、中国均提出各自的载人航天辐射医学要求。NASA制定的为短期航天任务职业航天员的空间辐射允许暴露限值,包括癌有效剂量限值、非癌有效剂量限值,遵从的是“按实际可达到的尽可能低的原则”来保证航天员空间辐射暴露不达到接近辐射限值的水平。俄罗斯则明确了飞行3年内不同时段的辐射暴露要求,并规定了从事航天事业的总限值和每次暴露的剂量限量。中国制定的是中短期飞行不同时段的辐射暴露限值要求。目前,仅俄罗斯有长期飞行标准,但其经验多源于半年左右的飞行。因此,需要继续开展上述疾病发病率与辐射暴露剂量、性质、性别、年龄、遗传背景等关系的研究,开展辐射生物学致癌危险模型、对中枢神经系统损伤风险的评估、引起退行性疾病风险的评估等研究,以尽早完善相关标准。4.2.3太阳粒子事件的预警国内外均在积极发展空间辐射预警和监测技术。Posner等2007年在理论上初步实现了对太阳粒子事件提前1h的预测,现有可能的太阳粒子事件预警预测技术尚均不能实现提前几小时到几天准确预测。4.2.4氧化物对辐射防护的作用已发现多种抗氧化剂和生物防护药物具有一定减轻辐射损伤的作用。生物防护药物主要通过提高机体抵抗力产生抗辐射作用,而抗氧化剂存在毒副作用较大且防护作用有限。另外,对抗氧化剂在辐射防护中的作用尚有争议。有观点认为,抗氧化剂可能通过防止细胞死亡的方式,导致受损细胞存活,从而最终促使肿瘤发展。5重新认识我国运营所处的防护技术当前,作为世界上第三个独立实施载人航天工程的航天大国,我国空间站研制业已正式启动,面对空间站长期载人飞行对航天员在轨医学保障的需求,我国航天医学现有技术积累十分薄弱:缺乏长期失重/模拟失重对人体影响效应实验研究;尚不具备航天员长期在轨健康状态评估、维护及医疗处置技术能力;在轨健康监测及环境检测技术平台研制基础薄弱等。我们必须深入分析、系统梳理、统筹规划,通过吸纳整合国内优势力量,充分借鉴国际同行经验的方式,在充分挖掘我国航天医学研究特色和优势、考虑我国载人航天工程实际的基础上,天地结合开展研究,注意充分利用空间实验室平台进行关键技术验证,从而尽快建立起满足长期载人飞行航天员健康保障需求的医学保障体系,应从以下几个方面实现突破:(1)建立起实现多生理系统、多因素防护、综合性与针对性相结合的失重防护技术体系,注意充分继承传统有效防护措施,体现我国传统医学优势,积极寻求可能的物理、生物防护措施。(2)建立有中国特色的中长期飞行航天员健康监测与维护体系:建立航天员健康预测模型,发展基于信息分析处理的健康预警技术;发展轻型化、小型化、功能集成化的航天员在轨健康监测技术;形成基于在轨健康检查平台能力、充分考虑失重等航天环境因素影响效应的常见疾病诊断及鉴别诊断标准;丰富在轨飞行治疗及保健技术手段,提高航天员