太空小白鼠研究有助于骨質(zhì)疏松癥的治療

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太空小白鼠研究有助于骨質(zhì)疏松癥的治療

Rodent Research Contributes to Osteoporosis Treatments

在國際空間站上工作生活的航天員的身體需承受嚴(yán)峻的考驗(yàn)，例如，每日多次的日出日落會(huì)破壞人體生物鐘，失重會(huì)造成骨質(zhì)疏松和肌肉萎縮，等等。為了實(shí)現(xiàn)長期的載人航天探索，美國國家航空航天局（NASA）一直在開展研究，以應(yīng)對(duì)太空環(huán)境對(duì)人體造成的影響，例如，NASA開發(fā)了特殊的照明裝置，幫助航天員入睡；制訂了嚴(yán)格的鍛煉手冊(cè)，幫助航天員保持身體健康。但是，骨質(zhì)的流失仍在發(fā)生。

NASA埃姆斯研究中心的首席科學(xué)家Jacob Cohen說：“NASA的科學(xué)家和其他研究人員都知道，這種骨質(zhì)流失是由于超重和失重，以及長期在失重環(huán)境下缺失重力對(duì)人體的作用而造成的。了解人體對(duì)太空環(huán)境的反應(yīng)可幫助NASA開發(fā)出更有效的措施，來對(duì)抗這些不利影響，實(shí)現(xiàn)長期太空探索，同時(shí)也能幫助地球上的人們開展相關(guān)疾病的治療。作為科學(xué)家，我們想知道引起骨質(zhì)疏松和肌肉萎縮的機(jī)制分別是什么。我們希望航天員盡可能地保持健康，以使其在回到地球之后，能夠正常地生活。”

被用于微重力太空醫(yī)療實(shí)驗(yàn)中的小白鼠

而在地球上，骨質(zhì)疏松癥的患者主要是中年婦女和老年男性。

美國安進(jìn)（Amgen）公司是美國加利福尼亞州千橡市的一家生物科技公司，多年來一直致力于開發(fā)治療骨質(zhì)疏松的新方法。Louis Stodieck是美國科羅拉多大學(xué)博德分校的教授，兼任BioServe航天技術(shù)公司的董事。Amgen公司聯(lián)合Louis Stodieck，與NASA合作，共同設(shè)計(jì)了一種基于嚙齒動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)，使航天員和地球上的人類都能夠從中受益。

Louis Stodieck解釋說：“如果能夠選出合適的動(dòng)物類型，以預(yù)測(cè)人類在特殊環(huán)境下的反應(yīng)，以及人類對(duì)所采取的應(yīng)對(duì)措施的反應(yīng)，通過這些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，就可以評(píng)估環(huán)境對(duì)人類產(chǎn)生的影響，以及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施的效果。”

在該項(xiàng)研究中，研究人員計(jì)劃把小白鼠送入太空進(jìn)行短暫的太空旅行。利用NASA埃姆斯研究中心設(shè)計(jì)的商業(yè)生物醫(yī)藥測(cè)試模塊（CBTM），研究人員將30只大約10周大的小白鼠分成兩組，其中15只在發(fā)射前一天注射骨硬化蛋白抗體分子，而另外15只作為空白對(duì)照組。此外，還有兩組小白鼠分別采取同樣的方式進(jìn)行處理，但不進(jìn)入太空，留在地球上。Amgen公司骨硬化蛋白項(xiàng)目的學(xué)術(shù)帶頭人Chris Paszty解釋說：“骨硬化蛋白是一種由骨頭分泌的蛋白質(zhì)，能夠使身體抑制新骨的形成。而骨硬化蛋白抗體分子能夠抑制這種蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，促進(jìn)骨骼形成，從而增加礦物質(zhì)含量，改善骨骼結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度。”理論上講，與空白對(duì)照組相比，在進(jìn)入太空之前被注射骨硬化蛋白抗體的小白鼠的骨頭，在隨航天飛機(jī)進(jìn)行的為期兩周的太空失重實(shí)驗(yàn)中，所產(chǎn)生的骨質(zhì)流失程度要低。Chris Paszty說：“我們知道，骨硬化蛋白的產(chǎn)生受機(jī)械負(fù)荷控制，但我們并不確定，在失重狀態(tài)下，當(dāng)骨骼生長的機(jī)械負(fù)荷完全消失時(shí)，骨硬化蛋白抗體是否仍會(huì)促進(jìn)骨的生成，并能夠增強(qiáng)骨的強(qiáng)度。”

Chris Paszty和Louis Stodieck都指出，對(duì)于一種新療法來說，雖然太空實(shí)驗(yàn)并不是臨床研究和美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）審批的要求，但是利用太空實(shí)驗(yàn)方法卻能夠?qū)W到很多基礎(chǔ)生物學(xué)知識(shí)。在地球上，雖然能夠通過安排人體實(shí)驗(yàn)對(duì)象臥床幾個(gè)月來模擬微重力的影響，但是太空實(shí)驗(yàn)所獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)更能真實(shí)地體現(xiàn)宇航員所面對(duì)的環(huán)境挑戰(zhàn)。Louis Stodieck還表示：“太空的一些獨(dú)特屬性使得利用適合類型的動(dòng)物開展骨質(zhì)流失和肌肉萎縮的治療效果等的評(píng)估很有意義，但是這些在人體上進(jìn)行測(cè)試是非常困難的，因?yàn)楹教靻T的數(shù)量很少，實(shí)驗(yàn)樣本的數(shù)量非常少。相比之下，小白鼠的太空實(shí)驗(yàn)則能夠使用很少的資源而提供較大數(shù)量的樣本。此外，小白鼠的壽命很短，為期兩周的太空之行便能夠揭示其生物學(xué)的趨勢(shì)和影響，為預(yù)測(cè)長期太空生活對(duì)人體產(chǎn)生的影響提供有用的數(shù)據(jù)。”

2011年7月，CBTM隨“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射，開展骨硬化蛋白抗體實(shí)驗(yàn)，搭乘航天飛機(jī)升空的小白鼠成為人們關(guān)注的對(duì)象。與人類一樣，小白鼠離開重力環(huán)境時(shí)，最初也表現(xiàn)出了不適應(yīng)，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，它們出現(xiàn)了混亂。在學(xué)會(huì)適應(yīng)新環(huán)境之前，它們先是抓住籠子的四周，然后試圖抓住同伴。與航天員不同，小白鼠不能通過嘔吐緩解眩暈，但是在幾天之內(nèi)，它們就完全適應(yīng)了，學(xué)會(huì)了如何飛行、滑行、吃飯和喝水，能夠自由漂浮、很自在地移動(dòng)。

兩周后，當(dāng)小白鼠返回到地球上時(shí)，試驗(yàn)的結(jié)果非常有價(jià)值。Chris Paszty說：“我們發(fā)現(xiàn)，骨硬化蛋白抗體促進(jìn)了骨的形成，改善了骨的結(jié)構(gòu)，甚至增加了骨的強(qiáng)度。太空實(shí)驗(yàn)結(jié)果與地球上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。我們?yōu)楂@得了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果而感到很高興。”

Amgen公司、Louis Stodieck與NASA合作，共開展了3次小白鼠太空實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同的分子進(jìn)行了測(cè)試，3次任務(wù)分別是：2001年STS-108任務(wù)（骨質(zhì)疏松研究）、2007 年STS-118任務(wù)（肌肉萎縮及其治療研究），以及2011年最后一次航天飛機(jī)任務(wù)——STS-135任務(wù)（骨質(zhì)疏松研究）。

對(duì)于骨骼和肌肉系統(tǒng)來說，微重力確實(shí)是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題。人或動(dòng)物在失重環(huán)境下的骨質(zhì)流失和肌肉萎縮速度幾乎達(dá)到地球上骨質(zhì)疏松癥患者骨質(zhì)流失速度的10倍。對(duì)地球上人體的骨質(zhì)流失和肌肉萎縮的研究是Amgen公司多年來研究的一部分。事實(shí)上，Amgen公司開展的首次骨質(zhì)流失太空實(shí)驗(yàn)使用的就是被稱為“護(hù)骨素”的工程版本的蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果使得FDA于2010年批準(zhǔn)了Amgen公司的新藥——狄諾塞麥，注冊(cè)商標(biāo)是普羅利亞（Prolia）的應(yīng)用。該藥品最初僅被批準(zhǔn)用于較易發(fā)生骨折的更年期后的婦女，后來也被批準(zhǔn)用作乳腺癌患者增強(qiáng)骨質(zhì)的治療方法，以及患有非轉(zhuǎn)移性前列腺癌癥的男性。在藥物被批準(zhǔn)之前進(jìn)行的三期實(shí)驗(yàn)中，患者椎體骨折的幾率降低了68%，髖部骨折的幾率降低了40%，非椎體骨折的幾率降低了20%，并且骨密度都顯著增加。

UCB制藥公司是Amgen公司骨硬化蛋白項(xiàng)目的合作伙伴，雙方正在進(jìn)行新的骨硬化蛋白抗體藥物——Romosozumab的三期實(shí)驗(yàn)。Louis StodieckStodieck說：“這種正在由Chris Paszty向市場推廣的新藥將對(duì)市場帶來深遠(yuǎn)的影響。Romosozumab能使已經(jīng)變得非常脆弱的骨頭得到增強(qiáng)，而不僅僅是防止其進(jìn)一步流失。其開發(fā)為廣大患者帶來了福音。”

Jacob Cohen補(bǔ)充說：“如果在太空中工作生活的幾個(gè)月就使航天員遭受骨質(zhì)流失或肌肉萎縮的痛苦，那么載人火星任務(wù)或其它行星的載人探測(cè)任務(wù)將進(jìn)一步損傷他們的身體。航天員在執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)返回地球后，如果不進(jìn)行嚴(yán)格的鍛煉并配合治療，他們甚至都不能站立。如果在失重環(huán)境下生活很長一段時(shí)間，骨質(zhì)流失和肌肉萎縮的狀態(tài)將趨于平緩，身體最終能適應(yīng)這種環(huán)境也是可能的，或者說可利用部分重力保持骨密度和肌肉健康，但這些仍需要進(jìn)一步研究。”

埃姆斯研究中心開發(fā)的商業(yè)生物醫(yī)學(xué)測(cè)試模塊（CBTM）

他還表示，基于生物學(xué)的應(yīng)對(duì)方案的研發(fā)將使航天員在太空中執(zhí)行長達(dá)數(shù)月或數(shù)年之久的探索任務(wù)時(shí)具有生產(chǎn)藥物的能力，這也是空間探索合成生物學(xué)研究的一部分，將使航天員能夠在太空中生產(chǎn)出維持生命需求，以及完成探測(cè)任務(wù)所需的大部分材料和工具。

對(duì)于太空研究而言，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是當(dāng)收集完特定實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)后，剩余樣本還可供其他感興趣的研究人員使用。對(duì)于這種動(dòng)物實(shí)驗(yàn)共享項(xiàng)目，NASA將向研究人員發(fā)布信息征集公告，以確定動(dòng)物實(shí)驗(yàn)樣本所需的數(shù)量，以及科學(xué)研究的內(nèi)容，NASA還將對(duì)申請(qǐng)報(bào)告進(jìn)行評(píng)審，以確定最佳方案。在Amgen公司太空實(shí)驗(yàn)中的樣本，就通過NASA的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)共享項(xiàng)目進(jìn)一步提供了高質(zhì)量、影響力顯著的成果。這些動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的研究成果也幫助NASA完成了與美國科學(xué)院每十年確定的太空生物學(xué)優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目的任務(wù)。

展望未來，NASA埃姆斯研究中心及其太空生物科學(xué)分部的研究團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了用于國際空間站的CBTM，并開發(fā)了其它硬件和服務(wù)，以最大限度地提高國際空間站的科學(xué)回報(bào)。同時(shí)，NASA的航天員Scott Kelly將在國際空間站生活1年，以進(jìn)一步研究人體長時(shí)間處于失重狀態(tài)時(shí)的反應(yīng)。

(唐 甜)

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