航天活動中的對抗措施

航天活動中的對抗措施

無論是短期還是長期人員，其特殊的環(huán)境因素（尤其是微力）都會導(dǎo)致駕駛員生理機(jī)能的變化，但影響的范圍和程度不同。由于長期航天對人體機(jī)能影響的廣泛性,目前尚缺乏有效的綜合性方法對這些影響進(jìn)行全面的防護(hù)與對抗。雖然人工重力可能會達(dá)到全面防護(hù)的目的,但是,由于工程技術(shù)的原因,以及相關(guān)醫(yī)學(xué)研究的滯后,迄今對人工重力的實(shí)際作用尚缺乏了解。本研究室張立藩教授等曾觀測人工重力對尾部懸吊大鼠模擬失重模型的影響,發(fā)現(xiàn)每天1G作用1h可防止大鼠心肌收縮性能降低與血管功能的改變;每天1G作用4h,可防止抗重力骨骼肌萎縮;每天1G作用6h,卻不能完全防止骨丟失。這些實(shí)驗(yàn)性人工重力防護(hù)效果能否過渡到人尚不清楚。NASA曾對短中期載人航天過程中采用的對抗措施進(jìn)行分析評價(jià)(countermeasuresevaluation&validation),篩選出一些有效的對抗措施,但這些對抗措施只針對某一或兩個(gè)系統(tǒng),仍不能進(jìn)行全面的對抗。如下體負(fù)壓(lowerbodynegativepressure,LBNP)可較為有效地防護(hù)心血管系統(tǒng)脫適應(yīng),但對骨骼-肌肉系統(tǒng)則不產(chǎn)生明顯的對抗作用。因此,目前國際空間站(InternationalSpaceStation,ISS)正在對每一種常用的對抗措施的對抗效果進(jìn)行跟蹤觀測,希望發(fā)現(xiàn)新的對抗措施。1脫離心臟的適當(dāng)措施1.1lbnp在航天飛行中的使用小于-20mmHg的LBNP僅通過心肺受體而影響血壓。-40~-50mmHg的LBNP相當(dāng)于1G站立的作用,可刺激主動脈弓與頸動脈竇壓力感受器。持續(xù)LBNP暴露時(shí),血漿腎素與其它調(diào)節(jié)血容量的激素(如醛固酮)含量增加。與站立時(shí)相似,在LBNP期間,心血管系統(tǒng)必須升高血壓以保持上肢與頭部的血液供應(yīng)。所以,LBNP可在失重環(huán)境下恢復(fù)1G重力引起的人體體液的梯度分布,以保持一定程度的重力對心血管系統(tǒng)的間接刺激作用,從而維持心血管系統(tǒng)正常功能。LBNP還可在航天飛行中檢測人體的立位耐力。對于心血管系統(tǒng)而言,迄今為止,LBNP是一種有效的對抗措施,所以,俄羅斯將LBNP作為返回地面前的常規(guī)對抗措施。除LBNP艙,俄羅斯還使用Chibis服進(jìn)行LBNP鍛煉,這一服裝的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在行走或工作的時(shí)候,進(jìn)行LBNP鍛煉。美國則正在研究在LBNP艙內(nèi)放置跑臺,對心血管系統(tǒng)與骨骼肌同時(shí)施加負(fù)荷。但是,在-50mmHgLBNP下,以中度負(fù)荷在跑臺上運(yùn)動40min,未改善立位耐力。在航天飛行中實(shí)施LBNP時(shí),下肢容量大幅增加,其容積增量明顯大于飛行前在地面的對照值;心率的增快速度也高于地面。這可能是下肢骨骼肌緊張度減低與血壓調(diào)節(jié)機(jī)制改變的結(jié)果。由于LBNP時(shí),心血管系統(tǒng)改變的個(gè)體差異較大,所以,目前還難以依據(jù)航天中LBNP的結(jié)果來預(yù)測著陸后的立位耐力不良的發(fā)生率。1.2防止血液向東南角轉(zhuǎn)移返回前飲1L等滲鹽水,可增加大約400mL血容量,維持至少4h。對短期飛行后立位耐力不良有較明顯的防護(hù)作用,然而對于長期飛行的有效性降低。返回時(shí)穿抗荷服(抗G服)或用彈性套帶于雙側(cè)大腿腹股溝部適度扎緊,可防止血液向下身轉(zhuǎn)移。俄羅斯采用專門的服裝,以限制血液向下肢轉(zhuǎn)移,該服裝稱被為Kentavr服。1.3影響正常工作特性的氧漂后氧運(yùn)動學(xué)研究運(yùn)動鍛煉的類型有4種:1)有氧運(yùn)動鍛煉(aerobicexercise),亦稱耐力運(yùn)動鍛煉(enduranceexercise);2)無氧運(yùn)動鍛煉(anaerobicexercise),亦稱阻力鍛煉(resistanceexercise)或強(qiáng)度鍛煉(strengtheningexercise);3)拉伸或柔韌性鍛煉(stretchingorflexibilityexercise);4)平衡鍛煉(balanceexercise)。有氧運(yùn)動鍛煉是大部分骨骼肌參與活動、每次鍛煉時(shí)間大于20min且有規(guī)律地進(jìn)行、使心率達(dá)到最大心率的60%~80%、并使機(jī)體攝氧量大幅增加的運(yùn)動鍛煉。因此,有氧運(yùn)動鍛煉對心肺功能產(chǎn)生較大的刺激作用。長期堅(jiān)持有氧運(yùn)動鍛煉能增加體內(nèi)血紅蛋白的數(shù)量,增加血容量,提高機(jī)體抵抗力,抗衰老,增強(qiáng)大腦皮層的工作效率和心肺功能,增加脂肪消耗,防止動脈硬化,降低心腦血管疾病的發(fā)病率,增加胰島素敏感性,改善精神狀態(tài)。然而,有氧運(yùn)動鍛煉對航天引起的立位耐力不良僅有有限的改善作用,特別對于飛行前有氧運(yùn)動水平較高者更是如此。航天飛行中高強(qiáng)度有氧運(yùn)動鍛煉對保持飛行后有氧運(yùn)動能力亦僅有部分作用。除此之外,航天中進(jìn)行有氧鍛煉,可部分防止抗重力骨骼肌質(zhì)量與收縮強(qiáng)度的下降。為了保存航天員有氧運(yùn)動能力,在Skylab與“和平”號空間站上耗費(fèi)了大量時(shí)間與食物,如航醫(yī)推薦的鍛煉時(shí)間為:短期飛行每天15min,長期飛行隔天一次,每次1h。由于航天飛行中食物、水與氧氣有限,故有氧運(yùn)動必須發(fā)揮最大效益,即以最少的食物、水與氧氣的消耗,保持最佳有氧運(yùn)動能力。有研究表明,每天減少30min的有氧運(yùn)動鍛煉時(shí)間,一年可節(jié)省110869kcal的食物與91L水。未經(jīng)運(yùn)動訓(xùn)練的健康青年,每天進(jìn)行30min的50%或接近最大氧耗量的運(yùn)動,即可滿足有氧鍛煉的最低水平,航天中由于缺乏其它有氧活動(如行走),故最低運(yùn)動水平應(yīng)稍增加。有氧運(yùn)動鍛煉包括步行、跑步、游泳、騎自行車、劃船、滑雪與舞蹈等。ISS配備的鍛煉設(shè)備有:跑臺-保持有氧功率(aerobolicpower);自行車功量計(jì)與阻力鍛煉器-保持肌肉強(qiáng)度與骨礦;手握力器-保持手的強(qiáng)度,以便進(jìn)行EVA。跑臺可進(jìn)行步行與跑步鍛煉,為了施加接近1G的負(fù)荷,采用彈性負(fù)荷裝置,亦稱雙負(fù)荷跑臺(Tetheredtreadmill)。跑臺能電動驅(qū)動也可被動轉(zhuǎn)動。跑臺旁設(shè)置吸風(fēng)管道,可將運(yùn)動時(shí)人體的汗液吸干。自行車功量計(jì)的負(fù)荷可人工或計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)整,可在坐位或仰臥位進(jìn)行鍛煉,并同步記錄功率與轉(zhuǎn)速。航天飛行的航天員在入軌第3天開始有氧鍛煉,每隔1天鍛煉1次。ISS上的鍛煉方案更加嚴(yán)格,如每周進(jìn)行4~6次跑臺鍛煉,每次30~45min;2~3次自行車功量計(jì)鍛煉,每次30~45min;同時(shí)進(jìn)行6次以上的抗阻力運(yùn)動鍛煉?！昂推健碧柹系暮教靻T需每天運(yùn)動2h,俄羅斯航天員在鍛煉時(shí),在大腿近腹股溝處扎一個(gè)彈性套帶,雖然目前對其有效性尚不確定,但航天員報(bào)告稱可減少頭部充血與面部的水腫?？棺枇\(yùn)動訓(xùn)練可能防止心肌萎縮,增強(qiáng)下肢肌力可增加“肌肉泵”的作用。迄今為止,不同運(yùn)動類型對心血管脫適應(yīng)的作用尚不清楚。1.4天員一般在使用時(shí),總服量大,一般想舒適,不舒適艙外活動與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,故航天員一般感覺悶熱,不舒適。熱負(fù)荷可引起機(jī)體脫水而降低立位耐力,故航天員須要進(jìn)行熱習(xí)服。一般性熱習(xí)服為每天在熱環(huán)境暴露1h,1周即可完成。需耐受更高熱環(huán)境的熱習(xí)服則要求每天暴露于34℃環(huán)境,持續(xù)8~9d。1.5藥物與其他抗劑措施1.5.1血管收縮劑飛行后立位耐力不良的機(jī)制之一是在受到1G重力作用時(shí),血管外周阻力增加幅度較小,因此考慮使用血管收縮劑。Midodrine為受體激動劑,可使外周動、靜脈血管收縮,臨床上用來治療立位性低血壓。臥床實(shí)驗(yàn)表明該藥有效。因航天飛行后交感神經(jīng)活性增加,Midodrine可能使那些對交感神經(jīng)激活作用不敏感的血管收縮。1.5.2促進(jìn)紅細(xì)胞生成素erytaroproieti促紅細(xì)胞生成素可增加血球壓積,但在運(yùn)動員中使用發(fā)生過嚴(yán)重事件,故航天中確需使用這種藥物時(shí),也只能在返回前1周開始使用。1.6種對抗措施心血管系統(tǒng)每天所需最低人工重力水平尚不清楚。上述多種對抗措施均圍繞保持或增加血容量、增加總血管外周阻力與防止血液向下身大幅轉(zhuǎn)移而展開。盡管目前采用了多種對抗措施,立位耐力不良仍是一個(gè)尚未解決的主要問題。2防止骨骼和肌肉收縮的抗劑2.1抗阻鍛煉裝置阻力鍛煉可增加肌肉蛋白合成,導(dǎo)致肌纖維肥大與強(qiáng)度增加。因此,航天中選擇這種鍛煉方式來防止抗重力骨骼肌的萎縮。人與動物的實(shí)驗(yàn)觀測揭示一條原理:在達(dá)到最低持續(xù)時(shí)間的前提下,運(yùn)動強(qiáng)度比持續(xù)時(shí)間更重要。動物實(shí)驗(yàn)表明,拉伸肌肉可防止骨骼肌萎縮,故肌肉拉伸作為一種對抗措施被應(yīng)用。典型的應(yīng)用是俄羅斯的“企鵝(Penguin)服”,其商品名為Adeli服。它可在服裝的縱軸方向產(chǎn)生15~40kg的彈性拉力,對抗重力肌產(chǎn)生拉伸作用,這是一種符合生理學(xué)原則的對抗措施。地面舉重鍛煉屬于阻力鍛煉,可使肌肉產(chǎn)生向心、離心與等長3種類型的收縮。最合適的混合鍛煉比例為15%離心收縮、10%等長收縮與75%向心收縮。依據(jù)這些原則,已制定出航天中阻力鍛煉方案。ISS采用的抗阻鍛煉裝置(interimresistanceexercisedevice,iRED),以彈性力為對抗力,類似于在航天中進(jìn)行舉重鍛煉,主要鍛煉下肢與背部骨骼肌。為充分利用有限空間,也用拉簧等裝置,但這些裝置提供的負(fù)荷較小。為了使用方便,iRED包含把手、固定帶、腳環(huán)等部件。由于此裝置所占空間小,訓(xùn)練效果好,目前又將由真空產(chǎn)生阻力的先進(jìn)抗阻鍛煉器(advancedresistiveexercisedevice,ARED)安裝在ISS上。德國科學(xué)家將振動裝置與彈力負(fù)荷裝置聯(lián)合使用,以對抗抗重力肌的萎縮,取得了較好的防護(hù)效果,他們稱此聯(lián)合裝備為Galileo空間訓(xùn)練系統(tǒng)(Galileo-spacetrainingsystem)。在對抗裝置中,還有一種飛輪(fly-wheel)裝置,類似于自行車功量計(jì),不同之處在于此裝置利用飛輪的慣性在太空失重環(huán)境中產(chǎn)生所需的負(fù)荷。2.2骨骼肌縮的防止電刺激可促進(jìn)廢用肌肉的蛋白合成,防止氧化酶活性降低,故有防止骨骼肌萎縮的作用。俄羅斯在空間站上已使用了電刺激儀(Tonus-2與Tonus-3),但其精確的對抗效果尚不清楚。2.3藥物與其他抗劑措施2.3.1骨骼肌收縮作用抗氧化劑僅在制動的大鼠實(shí)驗(yàn)中觀測到具有抗骨骼肌萎縮作用,但不能防止去負(fù)荷骨骼肌的萎縮。因其還具有抗輻射的作用,故在航天中是備選藥物之一。2.3.2泛素連接酶atroin-1與培訓(xùn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)一：泛素連接酶atroin-1與剝削相關(guān)實(shí)驗(yàn)2.抑制肌肉蛋白降解通路亦是防止肌肉萎縮的靶點(diǎn)之一。動物實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)泛素連接酶atrogin-1與萎縮相關(guān)。目前尚未找到抑制劑,這是一個(gè)具有較好前景的干預(yù)靶點(diǎn)。2.3.3補(bǔ)充氨基酸的選擇經(jīng)靜脈輸液或口服補(bǔ)充必需氨基酸可刺激骨骼肌蛋白合成。28d臥床研究亦表明補(bǔ)充氨基酸可維持肌纖維直徑,減緩下肢肌肉萎縮,故航天飛行中補(bǔ)充氨基酸是一個(gè)較好的選擇,幾乎沒有副作用。2.4生縮的最小重力人體中大部分骨骼肌參與姿勢的維持,1G重力環(huán)境可使這些維持姿勢的骨骼肌不發(fā)生萎縮,目前尚不清楚能保持抗重力骨骼肌不發(fā)生萎縮的最小重力水平。持續(xù)的人工重力可有效地防止抗重力肌萎縮,但工程上難以實(shí)現(xiàn)。間斷人工重力是一種可行方案,目前地面正在研究試用的裝置有短臂離心機(jī)、自行車旋轉(zhuǎn)裝置(類似于吊籃樣裝置,利用腳踏板驅(qū)動其繞垂直軸旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生頭腳向離心力)與離心機(jī)式睡眠床(睡眠期間受到人工重力的作用)。有研究表明,每天4次,每次11.2min的短臂離心機(jī)作用可有效地防止骨骼肌萎縮。3骨丟失的抵抗措施3.1大幅值低頻應(yīng)變機(jī)械負(fù)荷引起骨的微小形變即為應(yīng)變,應(yīng)變量由負(fù)荷、骨的彈性與幾何結(jié)構(gòu)所決定。一些研究者認(rèn)為,有2種因素調(diào)控骨質(zhì)量:1)是大幅值、低頻的應(yīng)變(由多種運(yùn)動性鍛煉產(chǎn)生);2)是從坐位轉(zhuǎn)向站立時(shí)、步行與跑步時(shí)產(chǎn)生的低幅值、高頻應(yīng)變。超過應(yīng)變值的上限則促進(jìn)骨重塑進(jìn)而增加骨質(zhì)量,低于下限則使骨質(zhì)量降低。為了在航天飛行中對骨骼施加大幅值低頻應(yīng)變,必須采取運(yùn)動鍛煉。研究表明阻力運(yùn)動較有氧運(yùn)動鍛煉對骨丟失的對抗作用更強(qiáng),但是,總體而言,運(yùn)動性對抗措施對負(fù)重骨的骨丟失的阻止作用較小。另一方面,航天飛行中施加于人體骨骼上的負(fù)荷,必須同等于地面每天行走4h所產(chǎn)生的負(fù)荷。3.2選擇抗措施的裝置沖擊性力與力的幅值對維持跟骨骨礦是重要的。為了在航天飛行中對骨骼施加低幅值、高頻應(yīng)變,則可采用振動裝置。地面研究表明,低頻振動可以刺激骨生長。這一對抗措施在動物證明有效,如在人體亦證明有效,則可成為長期飛行中采用的對抗措施的備選方案之一。航天飛行中航天員腰背痛發(fā)生率較高,腰椎間盤體積明顯增加,最新的研究觀測表明,采用低幅值高頻振動作用后,可明顯降低腰椎間盤體積,并減輕腰背痛。3.3限定還是特殊的要求除通過飲食攝入熱量外,蛋白質(zhì)、鈣與其它營養(yǎng)物質(zhì)與骨代謝相關(guān)。對磷、鈉、鉀和鎂既沒有限定也沒有特殊的要求。航天員營養(yǎng)方案在飛行中與地面相同,只是每天需攝入1000mg鈣。食品中鈣/磷比例不應(yīng)超過1∶1.8,過高會在腸道內(nèi)抑制鈣吸收。推薦鎂的攝取量為350mg/d,但是,對鎂的準(zhǔn)確用量尚缺乏細(xì)致的研究。3.4特效藥3.4.1雙膦酸鹽治療股骨粗隆間骨血雙膦酸鹽類藥物包括(按其作用強(qiáng)度由低至高排序)Etidronate,Tiludronate,Pamidronate,Alendronate,Risedronate與Zoledronate。雙膦酸鹽類藥物類似于焦磷酸鹽,與骨基質(zhì)的羥磷灰石結(jié)合,是破骨細(xì)胞吸收的抑制劑,且具有抑制破骨細(xì)胞并促進(jìn)其凋亡,促骨合成代謝的活性。雙膦酸鹽吸收入血后不能被降解,2h內(nèi)從血漿中廓清,20%~80%沉積于骨組織中,剩余的由尿液排泄,在骨骼中的半衰期為數(shù)年。藥物的長期安全性尚不清楚,在航天中是否具有長期抑制骨吸收的作用亦不清楚。為防止婦女閉經(jīng)后骨質(zhì)疏松,雙膦酸鹽藥物正在試用。臥床研究表明,Alendronate(默克公司商品名FOSAMAX)可有效防止高尿鈣,保持人股骨頸與轉(zhuǎn)子、脊椎骨與骨盆骨的骨礦密度。雖然跟骨骨密度仍有中度降低,但比對照組的骨丟失程度減輕。其它新的雙膦酸鹽藥物可能更為有效。每天服用第一代雙膦酸鹽藥物Etidronate,可損害骨的礦化功能。個(gè)別患者長期使用Etidronate,拔牙后會出現(xiàn)上頜骨壞死,這是否由于骨更新被抑制后上頜骨對損傷的反應(yīng)性降低所導(dǎo)致,目前尚不清楚。第三代Alendronate與Zoledronate克服了影響骨礦化的副作用。在人與動物使用Alendronate后,對骨折愈合與骨重塑未見明顯影響。閉經(jīng)婦女的臨床試驗(yàn)表明,10mgAlendronate是最佳劑量。航天中使用的最適劑量尚不清楚。3.4.2噻嗪類藥物的作用雙氫克尿噻與氯噻酮并未廣泛用于防止骨丟失,主要用于防止腎結(jié)石的形成。這類藥可明顯地減少尿鈣分泌。流行病學(xué)調(diào)查、回顧與交叉研究表明,噻嗪類藥物亦有防止骨丟失的作用,可減少20%骨折的危險(xiǎn)性,使橈骨骨丟失減少29%,髖關(guān)節(jié)減少49%。噻嗪類藥物可能直接作用于成骨細(xì)胞,促進(jìn)合成代謝,它在航天中的作用尚不清楚。噻嗪類利尿劑已在臨床應(yīng)用40余年,對其副作用有充分了解,除低鉀血癥外,可能還會產(chǎn)生低鈉血癥、尿鈣增加、高血糖,偶見高血鈣。枸櫞酸鉀與噻嗪類利尿劑聯(lián)合使用,可堿化尿液,防止腎結(jié)石形成。枸櫞酸鉀可能亦有減少骨吸收,增加骨形成的作用,這些尚需臥床實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)觀測。3.4.3對破骨細(xì)胞核因子nf-b這是一種人源性針對核因子kB受體活化因子配基(RANKL)的單克隆抗體,影響破骨細(xì)胞核因子kB受體活化因子,減少骨吸收。其對閉經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松的治療效果明顯優(yōu)于Alendronate。由于其作用機(jī)制為抑制破骨細(xì)胞的骨吸收,故具有較大可能成為航天活動中對抗失重性骨質(zhì)疏松的新藥。3.4.4動物分組、促骨形成作用降低血清膽固醇的抑制素,如Lovastatin、Simvastatin、Pravastatin與Atorvastatin,動物實(shí)驗(yàn)表明具有促骨形成作用,流行病學(xué)調(diào)查可減少骨折幾率。航天中的作用以及臥床實(shí)驗(yàn)有待觀測。3.4.5pth的制作環(huán)甲狀旁腺素(hPTH1-34)可增加骨質(zhì)疏松患者的骨質(zhì)量。大鼠實(shí)驗(yàn)表明PTH可有效地保持制動肢體骨的質(zhì)量。PTH可促進(jìn)腎臟重吸收鈣并促維生素D合成。航天飛行中,航天員PTH降低,故補(bǔ)充PTH是符合生理需求的,但PTH有形成骨肉瘤的副作用,雖然少見,但值得注意。3.5人工重力人工重力可能是在航天飛行中防止骨丟失的最根本的措施,但其作用強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間有待系統(tǒng)研究。4異丙嗪在肌注治療空間運(yùn)動病時(shí),對于火炬使用時(shí)長在航天飛機(jī)飛行任務(wù)中,普遍采用肌注異丙嗪來預(yù)防空間運(yùn)動病。異丙嗪具有抗膽堿能與抗組胺作用,使