我国航天医学研究的主要进展

我国航天医学研究的主要进展

长期以来，围绕“人系统风险”的医学和技术问题的开发一直是国际航空医学研究的重点，其核心是确保人类在空间的健康安全。明确空间环境对生命健康的影响机制，制定有效的保护措施，为载人在登月和深空测试中的理论和技术准备。本文概要回顾了我国航天医学近十年的主要进展,通过分析航天医学的发展现状和趋势,探讨了该领域的重要研究方向,以期为统筹规划航天医学发展提供借鉴。1运动员健康保障体系我国航天医学研究起步于20世纪60年代,经历了近40年的准备、预研,自2005年航天英雄杨利伟圆满完成首次飞行后,伴随10年5次载人航天飞行实践,形成了以航天员健康监测保障、失重生理效应防护应用、在轨心理支持和营养食品保障为主要内容的航天员健康保障体系。1.1人体营养代谢掌握了包括出舱活动的短期飞行医学监督和保障技术,形成了具有中国特色的航天医学实施体系。设计研制了企鹅服、套带、自行车功量计等系列失重防护装备,建立了失重生理效应综合对抗防护措施研究平台,设计制定了以运动锻炼为主的在轨对抗防护方案,在“神舟”9号和“神舟”10号任务中得到了应用验证。通过15d(女性)、30d、45d和60d人体头低位卧床系列实验研究,系统开展了模拟失重心血管、骨骼、肌肉、免疫、生物节律效应和营养代谢研究。针对女航天员立位耐力较弱的特点,建立了提高女性整体生理功能的技术方法,增强了女性对失重环境适应与重力再适应能力,有效减轻了在轨急性适应期症状,预防了女性立位耐力下降等医学问题。1.2骨丢失反应和微重力通过地基实验与天基实验,拓展了失重生理效应机制的新认识。阐释了一个同时参与失重骨丢失和老龄性成骨能力降低的小核酸(miR-214)功能;发现颞动脉血流信号异常能够作为预测立位耐力下降的早期敏感指标;证明阻抗振动措施能有效防止骨丢失,开发了基于高频、低幅力刺激原理的骨丢失对抗仪;证实了CKIP-1在心肌重塑中的重要作用,发现模拟失重效应可导致节律相关基因Clock相位提前,Bmal1振幅降低;整合素αvβ3参与微重力抑制成骨细胞Cbfa1活性及其对IGF-I的响应性,微重力影响Runx2和ALP基因启动子的甲基化水平(数据待发表);积累我国航天飞行辐射及其对淋巴细胞的影响特征数据,丰富并充实了不同重力环境条件下机体适应与再适应机制内容。1.3我国航天医学空间实验技术在实验研究的基础上,初步建设了具有自主知识产权的天地基实验平台和技术体系。攻克了微流路伺服、阻隔式气液分离、复杂液路多分子自组装、高惰性材料表面涂覆改性等10余项制约航天医学空间实验的关键技术,研制了航天医学空间实验和医监生化检测装置,完成了失重生理效应、细胞学机制和生化检测等空间实验。建设了零重力运动锻炼基础研究平台和支持复杂力学环境效应研究的天/地基医学细胞学实验装备,建成了航天医学基础与应用国家重点实验室,启动建设“航天医学数据挖掘与知识发现平台”。2重力环境与人体生理系统的关系50余年载人航天发展加深了人类对特殊环境适应能力的认识,积累了航天飞行对人体生理心理影响的客观证据,基本明确了失重、辐射、狭小隔离等航天环境对心血管功能、骨代谢、肌肉结构和功能的影响。国际空间站装备了较为完善的自行车功量计、跑台和抗阻锻炼等装备,但并不能完全阻止人体诸多生理系统的明显改变。返回地球或进入其它重力环境时,仍需要面对运动储备能力不足、立位耐力不良以及运动失衡甚至跌倒受伤的风险。面向长期乃至星际飞行,人类依然面临众多未能攻克的挑战。2.1深化对重构生理效果的理解和理解是航空航天医学的核心内容2.1.1失重生理效应逐步明确稳态是机体内环境处于动态平衡的一种状态,是维持机体正常代谢和功能的基础。通过经典的神经体液调节,既维持了各组织器官功能稳定,也协调着与外界环境的适应。50年航天飞行特别是国际空间站建设运行以来,失重生理效应已经逐渐明确。在轨飞行6个月,骨量平均每月丢失1%~2%,骨骼肌体积每月减少2.2%~5.3%,心血管、有氧耐力、机体平衡等功能不同程度的下降。主要原因一是失重条件下的体内流体静压消失体液头向转移;二是在人类进化过程形成的一系列与重力刺激有关的感受器,包括前庭感受器,压力感受器,触压感受器等本体感受器的传入冲动减少或消失,以及相关效应器呈现出与之适应的退行性变化。机体由此产生从感知变化到急性反应(稳态失衡),由功能变化到结构重塑直至调控模式改变(新稳态形成)的级联反应,表现为时序性生理变化。2.1.2飞行对代谢的影响短期飞行和飞行前期出现的以氧化应激为特征的应激水平增加是急性反应的主要表现。已有研究结果表明,航天飞行可导致机体应激激素水平明显升高,长期空间飞行可引起血浆尿皮质醇含量显著增加。抛物线飞行和航天飞行可激活调节应激的内源性系统,使得机体适应应激环境。虽然空间飞行引起的氧化应激可能是微重力、辐射、密闭狭小环境和任务负荷等多因素共同作用的结果,但来自航天飞行鼠的证据表明,微重力对机体氧化应激有直接贡献。空间飞行8d大鼠抗氧化防御能力下降,肝的氧化应激水平增加。短期飞行后航天员T淋巴细胞的增殖能力明显下降;调节性T细胞的比例下降,Th1/Th2细胞的分化出现漂移。2.1.3重力消失对细胞作用的影响新近研究显示,作为内分泌调节方式的重要补充,组织器官之间存在反馈调节模式,进而更快的响应和适应新环境。组织器官之间的交互调控丰富了机体稳态调节理论。骨骼与其他组织器官的交互调控是近年来生物医学研究的热点。骨骼作为重要的重力承受和感知器官,是受失重影响最为明显的组织器官之一,与其他组织器官之间的交互调控作用是机体对环境自适应的重要基础。因此重力消失对器官间调控作用的影响值得高度关注。microRNAs(简称miRNAs)是一类在真核生物中广泛存在的、长度为21~24nt、具有调控作用的小分子RNA。本实验室研究发现miR-214通过抑制成骨细胞功能调节骨形成。张辰宇等证实血浆中循环miRNAs也具有组织与器官间信息传递作用,转录后调控作用已成为认识失重生理效应分子调控机制的重要途径。失重与模拟失重亦发现了血液细胞DNA甲基化的变化(未发表数据)。更多分子调控新证据将成为丰富和发展机体稳态调控模式的新亮点。2.2提高责任感的抗药能力是一个必须解决的重要任务2.2.1防护效果分析自载人航天飞行以来,失重生理效应防护始终是航天员健康保障的重要内容。随着飞行时间延长,在轨防护锻炼设备和措施逐渐完备;跑台、自行车功量计、抗阻力锻炼三大主流锻炼装备,已成为空间站保障航天员健康的核心设备;套袋、企鹅服、拉力器和下体负压设备成为有效补充。但总体防护效果并不尽如人意,即使航天员平均每天在轨锻炼时间长达2~2.5h,6个月飞行后小腿肌肉体积降低了13%,比目鱼肌萎缩了15%,腓肠肌萎缩10%,峰值功率降低32%,因此NASASTD3001要求,使用防护措施后肌肉力量下降不得超过20%、最大耗氧量下降不得超过25%。目前在轨防护锻炼主要存在以下四方面的问题:1)对航天员各生理系统结构重塑与功能维持的锻炼方式认识有限,特别是个体化防护措施值得深入研究;2)在轨使用时锻炼负荷方式、负荷强度达不到锻炼设计要求;3)锻炼设备的工效学和适人性设计存在缺陷;4)锻炼设备安装和维护占据了大量时间;因此提高在轨锻炼装备效能是增强对抗效果的重要途径,既要不断优化锻炼方案,深入研究运动方式、运动负荷的量效关系,重视锻炼效率;又要提高装备研发技术,发展随动性、工效性和接受性强的锻炼装备。2.2.2主动智能防护服蓬勃发展的人工智能、新型材料,生物传感能、计算仿真等技术为新型防护装备奠定了技术基础。适体性、舒适性好,可模仿1G环境流体压力特点,实现梯度施力的弹性服装;融合了人工肌肉、生理信息监测和生物反馈技术的穿戴式主动智能防护服;可实现主动和被动控制模式的穿戴式外骨骼;穴位刺激服、机器人按摩推拿师都有可能成为未来应用的新型防护装备。将中国传统医学理论方法与航天医学需求相结合,发展特色失重防护技术,将会成为中国航天医学对载人航天的独特贡献。2.3国外研究现状发展新型的医学、生物学信息获取技术,实时捕获人体生理、心理、体液响应特征是国际航天医学关注的重点。可穿戴式和实时传输是生理信息监测的重要发展方向。美欧等国竞相投资开展了“智慧衫”、“生命衫”研究,欧盟的“WMON”、“WEALTHY”、“BIOTEX”、“MyHeart”,法国的“VTAMN”,德国的“IZM”也处在积极开发阶段。通过系统健康监测,美俄航天机构已积累了载人航天启动以来所有航天员的健康信息数据,通过数据比对分析和深入挖掘,在判定航天员个体机能状态,研究航天员职业风险,验证鉴别航天员健康维护措施有效性中发挥了重要作用。2.4航天环境“短视角”的探索与探索人体对特殊环境、极端环境的适应特征是医学科学的重要基础。基因组、转录组、蛋白质组、代谢组、表型组等组学先进技术的发展极大地提升了人类获取生物信息的广度和速度。“组学”数据已成为产生科学假说的基础与源泉;从人类进化的“长周期”和航天任务的“短视角”来看,航天环境富含多种人体“扰动”因素,探索生命系统在特定条件和不同时间尺度上动力学特征,不但具有极大的知识增长潜力,而且孕育着涉及生命科学基础理论的创新机遇,将孵化产出一系列基于“系统生物学”的新发现。航天医学基础与应用国家重点实验室已经启动“航天医学数据挖掘与知识发现平台”计划,通过集成多种航天环境人体数据和高通量分子信息数据,形成了生理、心理、生化、基因信息一体化数据集,正在构建“数字化人体表型与分子事件数据库”,发现了一批与失重条件显著相关的功能未知的全新的miRNAs分子,具有诱人的挖掘前景(数据待发表);将催生一系列以miRNAs、LncRNAs以及选择性剪切等新分子、新机制为标志的失重生理效应新认识。2.5测试试验内容人类对载人星际探索的渴望,驱动了星际航行有关的研究准备。目前建造了多个大型综合环境模拟试验设施,期望通过模拟试验,拓展人们对月球/火星与行星际空间环境和所需技术保障的认知。NASA在过去10年间完成6项模拟计划,包括荒漠试验D-RATS和室内模拟试验RATS,极端环境任务实施(NEEMO)、霍顿-火星计划(HMP)、帕维金湖研究计划(PLRP)、莫纳克亚山实地资源使用(ISRU)、南极充气式月球居住舱模拟研究;与航天医学有关的试验研究内容涉及人的行为健康与绩效、远程医疗技术等。2009年6月俄罗斯组织完成了历时520天的“Mars500”模拟火星载人航天飞行试验,目的是了解长期密闭环境下乘组健康状态及工作能力状况。这是人类开展的时间最长的载人航天飞行地面模拟试验。研究领域涉及生理学、心理学、心理生理学、临床及实验室诊断等,40多个国家106个项目参试,经严格选拔中国航天员中心王跃入选为6名志愿者之一,“地面模拟环境对近日生物节律与氧化应激的影响”,“长期密闭环境人体中医辨证研究”,“长期密闭环境及不同文化对乘组成员非言语交流的影响研究”等3个项目参试。获取了人类首次载人长期模拟飞行试验的丰富研究数据,为深刻地认知空间探索中健康保障理论与技术方法积累了宝贵的资源。2013年7月德国航天局建造的5000m23重力效应机制与临床技术2010年9月我国空间站工程正式启动,要求确保180d以上的驻留能力,对航天员健康维护能力提出了更高要求;建设国家级太空实验室,实现空间站工程创新应用,为航天医学发展提供了前所未有的机遇。根据目前航天医学研究领域的国际前沿领域和发展趋势,深入研究航天医学问题的发生机理,发展高效能综合干预防护措施,是航天医学的重要内容。围绕机体对重力变化的适应与再适应调控途径,针对体液头胸向转移引起的神经-体液反应,重力效应器官对血容量和力学负荷降低的响应与重塑,细胞及亚细胞在失重条件下结构和功能的自适应调节,感受重力变化的分子信号和基因网络等重要科学问题,研究机体多层次响应、多途径调控耦合与稳态重建机制,形成失重生理效应及其机制的系统调节理论是失重生理效应机制研究的重要方向。聚焦失重对抗防护效能,深入研究力量负荷、耐力负荷的量效关系和个体化方案,发展基于中国传统医学理论与最新知识发现的随动性、靶点性、智能型综合防护技术;运用虚拟现实、智能控制等技术增强防护实现能力,提高防护效能;高度关注长期飞行后重力再适应能力,发展返回后主动恢复技术。应用电子、信息领域的先进技术成果,整合新材料、新方法、新