这项实验深究制约空间探索的主因
出品:科普中国
制作:中国科学院空间应用工程与技术中心 香港浸会大学罗守辉骨与关节疾病转化医学研究所 张戈教授&吕爱平教授课题组 中国科普博览
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  编者按: 

  昨晚发射成功的天舟一号,除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加,还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。 

  中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位,代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广,具体承担工程研制的组织管理,系统设计、集成、测试,可靠性保障,在轨技术支持,有效载荷运控管理,数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。  

  在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持! 

    

  天舟一号上,搭载了一项研究“空间骨丢失”机制的实验,由香港浸会大学罗守辉骨与关节疾病转化医学研究所张戈教授和吕爱平教授课题组负责。 

    

  为什么要研究空间中的骨丢失问题呢? 

  微重力对科学家来说是一个让人又爱又恨的环境:许多在地面上因重力无法进行的实验,在微重力环境下都能顺利完成。然而,航天医学专家对微重力的环境是感到担忧的,它对宇航员的健康产生了巨大威胁。 

  随着19614月前苏联宇航员尤里·加加林乘坐东方号飞船进入了人造地球卫星轨道,人类开启了探索宇宙的时代。随着飞行时间的逐渐增加,航天医学专家逐渐察觉到微重力对健康的影响:空间骨流失。 

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  空间骨流失是空间飞行的生理反应现象。人类长时间在空间微重力环境中会引起多个系统的结构和功能的变化,包括心血管、骨骼和肌肉等。其中,骨骼作为重要的重力承受和感知器官,在正常生理环境中,会随着受力刺激的变化,而不断更新和重建。但是,在空间微重力环境的影响下,人体骨骼长期处于无负荷和无应力刺激状态,会导致失重性骨质变化,从而对航天员的身体健康构成巨大的危害,这些危害主要表现为持续性的骨量丢失,生物力学性能下降,骨钙素分泌降低等,即微重力诱导的骨质减少或骨质疏松。 

  前苏联科学家首次在东方号”2号、3号宇航员托夫、尼古拉耶夫身上观察到了尿液中的钙的流失。NASA约翰逊太空中心医学部的科学家兰博(P. C. Rambaut)以此写了一篇综述文章《太空中骨骼的变化》并引起了全球航天医学研究者的注意。 

  无独有偶,宇宙号110”上的两只太空犬在飞行的22天中,骨密度减少了10%,排泄物中的含钙量也都翻了一倍。 

  说完苏联,再来看看美国。 

  美国在结束阿波罗计划后,在上世纪七十年代推出了第一个环绕地球的试验性空间站——天空实验室(Skylab),它先后搭载3批航天员驻留太空28天、59天和84天不等。它在太空驻留时间足够长,堪称航天医学发展史上的里程碑。 

  以兰博为代表的NASA航天医学专家在天空实验室的3名航天员身上,也发现了骨丢失的现象——他们脚跟处的骨骼中,骨密度分别减少了7.4%4.5%7.9% 

  在如此多的事实数据面前,兰博认为,从理论上来讲,这些骨骼的变化应和微重力相关。毫无疑问,这就是空间骨丢失 

  所以,人类未来想要进行深空探索并长时间驻留,甚至想登陆火星,就必须克服微重力带来的健康挑战。 

      中国航天员中心航天医学基础与应用国家重点实验室研究员李英贤曾说道,在微重力条件下,由于人体骨骼不必承担人体的全部重量,肌肉运动也减少了对骨骼的刺激,这导致骨质大量脱钙并经肾脏排出体外。 

      美国国家航空航天局也曾将空间骨丢失为所有空间飞行风险因素之首。 

  

  2 航天员在空间站上曾实验过多种对抗措施,包括服用维生素K 在内的特殊药物、每天两小时跑步,但都没有解决骨丢失的问题。(南方周末资料图) 

    

  空间骨流失的成因 

  多年来,航天医学专家一直在寻求空间骨丢失的形成机理以及解决方案。研究团队曾实验表明,微重力环境对成骨细胞特定基因和蛋白表达有抑制作用,使成骨细胞的活性受到抑制,最终发展为空间骨丢失。 

      许多证据表明,在太空生活一个月航天员所损失的骨质,相当于患骨质疏松的老年妇女在地面一年损失的骨质。不仅如此,失重所导致的骨丢失将随飞行时间的延长而持续加重。这种骨质疏松一旦形成,即使回到地面的重力环境后也难以逆转。 

  不仅太空实验,世界各国也在开展各类模拟微重力环境条件的实验并找到了类似的证据。例如,2011年,中国航天员训练中心与中科院心理所合作,开展了“45-6度头低位卧床实验模拟失重试验,招募了16名志愿者躺在床上进行日常活动。结果表明,志愿者骨密度的多少受到了模拟微重力的影响。 

    

  空间微重力环境中CKIP-1对成骨细胞分化的影响 

      空间微重力造成的骨丢失问题已经成为制约人类向更深、更远、更高的外层空间探索的重要限制因素之一,如何将空间微重力造成的骨丢失降低到最小程度是航天医学面临的最大挑战。 

  CKIP-1casein kinase 2 interacting protein-1, 酪蛋白激酶2相互作用蛋白-1)是一个重要的骨形成负调控因子。在正常生理环境中的研究表明,CKIP-1可以特异的与泛素连接酶Smurf1Smad ubiquitination regulatory factor 1)相互作用,增强泛素连接酶活性,促进其对底物如Smad1/5BMP通路中重要信号转导分子的降解,抑制成骨细胞活化,从而负调控骨形成。 

  在此基础上,我们又进一步发现老年人和老年大鼠在增龄过程中骨形成下降的同时骨组织CKIP-1的表达水平逐渐升高,两者呈现负相关关系,提示CKIP-1在老年人骨形成能力降低的分子机制中的潜在作用。在成骨细胞中实现CKIP-1的基因静默,可以在体外促进人、猴、大鼠成骨样细胞的分化活性和矿化功能,在体内可以促进骨质疏松大鼠模型的骨形成。 

  上述研究仅仅是在正常生理环境下进行的,CKIP-1在空间微重力环境中是否还有上述作用仍然未知,因此,有必要研究CKIP-1在空间微重力环境中对成骨细胞功能的调控机制,揭示新的微重力状态下的促骨形成候选靶标。 

  在空间应用系统天舟一号任务生命科学实验项目中,我们将研究二氧化碳非依赖的CKIP-1基因静默成骨细胞在空间微重力环境中的矿化情况,以期为宇航员的空间骨丢失问题提供理论基础和潜在治疗策略。 

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