地面模擬空間輻射的中藥療法研究新進展

周英鈺,張 紅,盧衛紅,高振洪

(哈爾濱工業大學食品與工程系,黑龍江哈爾濱 150000)

地面模擬空間輻射的中藥療法研究新進展

周英鈺,張 紅,盧衛紅*,高振洪

(哈爾濱工業大學食品與工程系,黑龍江哈爾濱 150000)

本文綜述了宇宙空間輻射的危害,并探究防輻射藥物的發展歷程和作用機制。與盛行的化學類防輻射藥物相比,天然藥物以其安全無毒、成分多樣、多途徑、多靶點治療疾病的特點而被重視。本文綜合國內外對地面模擬空間輻射的治療,對中藥進行論述,主要對其功能和不同類型的化學成分進行總結和分類。為抗輻射藥物方面的研究提供了依據,并在一定程度上從保障宇航員健康的層面推動航天事業的發展。

空間輻射,防輻射,中藥,分類

空間科學對于社會的發展進步有著不可或缺的地位,一個國家的航天技術和空間活動表現出其綜合國力,并對其他如醫療保健、新能源開采利用、機械自動化等科學領域具有重大的帶頭作用,故而注重空間活動的安全是世界各國在趨于長期布局,中長期計劃銜接過程中的共同趨向[1-2]。為了發揮我國傳統中藥的優勢,來開發可供空間應用、感官滿意度高、可長期服用并控制釋放的藥食同源功能性食品和無痕添加劑,探究中藥防輻射的作用機理、發掘其良好的理化性質、純化其有效化學部位、做相應的藥理毒理研究至關重要,并可以采用模擬移動床技術對構效明確的制劑進行中試放大,從而來實現成果轉化[3]。進而對在軌飛行提供醫療支持,為有人月球基地任務提供空間后勤保障。同時也可擴展到相關的民用,如日常生活和醫療電磁波輻射防治、災后應激的心理恢復等。由于空間輻射實驗成本高、造模困難、工作人員職業素養要求高,故而較少的文獻探究空間輻射的防治,本文以地面模擬空間輻射作為主要的論述材料進行分析佐證,來探究中藥防輻射的作用機理并進行相應分類。

1 空間輻射的危害及防治機理

宇宙空間輻射能破壞如核酸、脂類和蛋白質的生物大分子,從而引起宇航員機體的損傷,其中以核酸損傷最為明顯。Song Y等人以幼年的鮭魚為實驗動物,發現地面模擬空間輻射會造成氧化應激、代謝障礙、細胞編程死亡、DNA損傷和氧化磷酸化波動等不良影響[4]。除此之外,輻射還易導致免疫細胞和器官的損傷和退化[5],使得免疫細胞亞群的劑量依賴性損失[6],從而引起生物體腸道病變[1，7]和皮膚表皮細胞層組織的超微結構損傷[8],嚴重時可致癌[9]。由于水約占人體重的50%～75%,受到輻射后會產生大量的自由基[10],發生過氧化反應后導致細胞功能的紊亂,Berovic N等人通過蛋白質的輻射損傷和恢復過程的定量分析表明,水是常溫下使酶破壞的主要因素[11],其作用機制是自由基介導的過程[12]。故而抑制自由基和脂質的過氧化反應,提高免疫細胞存活率和數量,保證免疫器官的正常功能,是目前預防和治療輻射損傷的主要途徑。

2 國外空間輻射治療概況

利用模式生物探究空間輻射的危害、作用機理和防治藥物靶點,有助于解決空間生存中重粒子輻照的危險并有助于形成先導化合物,是目前國際上研究空間輻射治療的主要方式。模式生物通過空間搭載及在宇宙空間站飼養等方式被研究,并通過低成本地面模擬空間條件的實驗來對空間輻射進行猜想、預防、治療和內在聯系的研究。

現在所研究的防輻射藥物主要包括硫胺類化合物,雜環化合物,激素,金屬鰲和劑,細胞因子,維生素,有機磷化合物等。此外,美國國家航天生物醫學研究所輻射效應組還推薦的半胱氨酸和半胱胺,并采用了乳突貼敷的方法防止藥物的突釋,延長了其藥效時間,但長期使用化學藥物必定會對人們的身體健康產生一定的副作用,如一定程度的依賴性和慢性疾病的發生[13]。而我國特有的藥食同源成分正好可以在此發揮優勢,不僅可以進行神經調節,干預細胞代謝,而且無毒副作用,安全性高,其作用機制通常是誘導機體自身產生的免疫能力和適應性從而提高機體抵御輻射損傷的能力[14-15]。

3 防輻射中藥的有效成分的作用機理

天然藥物以其固有的優勢逐漸被研究者重視[16]。大量實驗已證實中藥具有防輻射功能,如苞葉雪蓮、靈芝、當歸、大豆、枸杞等都有一定的治療和預防輻射損傷的作用[17]。已經發現的天然藥物中抗輻射活性成分有多糖類(如枸杞多糖、當歸多糖、靈芝多糖、刺五加多糖)、皂苷類(如人參皂苷、三七皂苷)、多酚類(茶多酚、香草多酚、葡多酚)等[18]。為了進一步探討空間輻射損傷的機制和治療,國內外探究了多種對地面模擬空間輻射損傷治療的中藥活性成分,其效用主要體現在激活通路,產生有益細胞因子,保護核酸免受侵襲,防止由免疫缺失引發的各種并發癥的產生,阻礙由于細胞過氧化導致的細胞衰亡和癌變,并增強免疫力[15]。本文也就此加以總結分析。

3.1 作用于代謝通路和細胞因子

很多中藥中主要成分的作用機理在于激活相應機體代謝通路,從而產生有益細胞因子、激素、蛋白質受體等,進而對地面模擬輻射損傷進行治療。多糖類效用物質是國內外研究較為廣泛的一類分支,例如我國東北地區生產的刺五加,其主要活性物質是刺五加多糖,能引起Bax基因的表達上調,Bcl-2表達下調,通過激活ERK和p38通路誘導增強小鼠腹腔巨噬細胞功能[19]。同時也能與淋巴細胞表面TLR4受體結合從而減少前炎性細胞因子的分泌,直接影響T淋巴細胞內cAMP(環磷酸腺苷),cGMP(環鳥甘酸)等信號分子濃度,提高NF-KB通路活性。可見刺五加多糖可通過調節免疫細胞相關通路和細胞因子來影響腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等細胞因子的濃度,抑制由免疫缺失引發輻射損傷。而枸杞中的主要有效成分枸杞多糖則可以激活轉錄因子NFAT和AP-1,提高CD25的表達,并誘導IL-2和IFN-γ的基因轉錄和相應蛋白的分泌,從而增強T淋巴細胞的活性抵抗外界不良因素[20]。再比如,TLR4是靈芝多糖的指定受體,可以介導的巨噬細胞中TNF-α,IL-1β和IL-12p70,單核細胞(PBMC)、上皮內淋巴細胞(IEL)和淋巴集結淋巴細胞(PPL)內IL-2,IL-10等細胞因子的產生和CD86,MHC II類分子的表達,從而增強其抗地面模擬輻射的功能。除此之外,黃酮類和皂苷類活性物質在激活機體代謝通路上也有很大作用。例如黃芪總黃酮可以通過上調Bax和HO-1,下調Bcl-2和Caspase-3等細胞因子來抑制氧自由基的形成和促進輻射損傷細胞組織的修復[21]。而人參中的多種皂苷也能產生類似的積極作用,人參皂苷Rg3就可以通過抑制NF-0202B的活性和NF-0202B調節的基因產物,從而抑制由輻射引起的腫瘤的惡化[22]。Rb1可以上調血清中的IL-2、IL-4、IL-10、TNF-α和INF-γ,來抵抗外界輻射。Rg1則可以誘導增強由巨噬細胞產生的IL-1,并使T、B淋巴細胞產生的IL-6,提高免疫細胞數量和活性來增強生物體免疫力以達到防輻射的目的[23]。可見中藥活性物質的作用機制在于可產生多種干擾素、細胞因子和抗體來平衡細胞免疫和體液免疫并且增加巨噬細胞吞噬能力和殺傷力,保護外周血細胞和骨髓中白細胞,促進機體胸腺及脾效用細胞的生長分化,從而抵抗輻射損傷[24-25]。

3.2 保護核酸并且增加骨髓造血干細胞造血能力

機體遭受到輻射損傷時,最早受到影響的當屬造血系統,故而維持造血系統的正常工作是輻射治療的第一步,很多中藥對于生物體的造血系統都有保護作用。大棗作為“五果”之一,還是天然維生素丸,其有效成分為大棗多糖,可以抗癌防癌、降血壓膽固醇、保肝護肝、補氣養神,并且具有促進造血的功能,對氣血雙虛有顯著療效[26-27]。黃芪中的黃酮,大豆中的大豆異黃酮,苞葉雪蓮和靈芝中的多糖等也是提高機體造血能力的主要有效成分,對輻照后人體骨髓間充質的細胞具有保護作用,并可提高細胞存活率,對于提高損傷小鼠的骨髓細胞DNA含量、降低骨髓細胞微核率和精子畸變數,增加骨髓細胞集落和成纖維細胞集落的生產率有顯著療效,其抗突變和防輻射效果多與中藥提取物的濃度含量成正比[28]。除此之外,皂苷可使X射線誘發的染色體畸變率、細胞畸變率明顯降低,主要作用于骨髓造血組織,通過促進細胞組織的造血功能及免疫細胞從骨髓的外周釋放的能力,來阻礙小鼠外周血核酸損傷和抑制微核的形成,鄒丹等人發現三七皂苷可以提高小鼠血紅蛋白、計數白細胞、血小板、骨髓有核細胞數還可以增加造血祖細胞、造血干細胞的集落產率[29]。陳錫文等用X射線全身照射小鼠后連續7 d注射三七總皂苷,發現給藥組小鼠的外周白細胞、紅細胞、骨髓有核細胞數、胸腺系數和脾臟系數均高于對照組,說明三七皂苷可以參與保護輻射后小鼠的造血系統,以達到防輻射的功效[30]。

3.3 免疫作用

機體的免疫系統是抵抗外界不良因素的敏感系統,多篇地面模擬空間輻射的報道中也主要研究中藥對于機體免疫的影響。如枸杞多糖灌胃后的小鼠相比于對照組,外周血白細胞數、吞噬細胞和骨髓造血干細胞形成集落數會明顯增加,微核率也有一定程度的下降[31-32]。這表明枸杞具有抗模擬輻射損傷作用,可以增強其免疫器官和細胞的活性,抵抗外界不良因素,從而延長生物體存活時間和機體內在指標的穩定。近年來,當歸多糖的抗輻射功效也開始被挖掘,且不同結構的當歸多糖防輻射效果不同,其中,中性糖支鏈表達產物在半乳糖醛酸聚糖主鏈的調節作用下具有較強功能,對增加損傷小鼠的外周血白細胞和脾淋巴細胞數有顯著作用,可通過升高生物體內輻射肺損傷指標TNF-α的含量實現其防輻射功效[33-34]。除此之外,大棗多糖也能增強淋巴細胞、白細胞的免疫能力,調節和干預細胞因子,控制細胞的生長、分化、代謝和衰老,從而增強機體免疫功能[26]。而紅景天中的主要效應成分紅景天苷則可以提高機體對抗各種來自化學、生物或物理因素的刺激來增強免疫力,可以有效的抑制氧自由基,增加外周血細胞的數量并加強造血干細胞的生長分化能力,降低免疫細胞和器官的損傷程度,對模擬輻射損傷的機體有一定的修復作用。

3.4 抗氧化效用

4 展望

隨著社會的發展進步,航天事業的飛速發展,作為空間飛行環境重要環境因素之一的粒子輻射,是宇航員身體健康的隱形殺手,危害著人體各系統的正常運作。故而構建空間環境損傷營養需求數據庫與長效保障機制是長期在軌飛行以及登月計劃的迫切需求。但是對于防輻射領域,人類的研究涉足尚淺,主要停留在化學藥物研發和物理阻隔等方面。與化學藥物相比,中藥和天然產物具有安全無副作用、多組分、多靶點等優勢,通過控制機體內有益細胞因子、干擾素和基因產物從而激活抗氧化和免疫的通路達到平衡特異性免疫和非特異性免疫的目的,從微觀上的激素調節、修復核酸、促進蛋白表達到宏觀上提高生物體壽命、體重、進食量等方面起到抗輻射的作用,在開發相關藥物方面有很好的前景。但是現在所進行的地面模擬空間輻射的研究主要是離體實驗,不能全面的描述由于空間輻射帶給生物體的損傷,更不能很好的進行相應的防護措施和藥物研發。故而除了地面模擬空間輻射的研究,由于空間環境的復雜性,更要建立相應的空間輻射損傷模型,依據模式生物所在航天器或者空間站受到的損傷來對應有效物質單體或復合物,篩選具有修復作用的藥效成分,除了進一步探究空間輻射環境下控制藥物突釋的方法和生物體內藥物代謝的規律,還要在個體、細胞、蛋白、基因、代謝的不同層面進行病理變化預警和營養需求的研究,構建相關的數據庫、蛋白質組和基因芯片。發揮我國既是中藥又是食品的藥食同源中藥的優勢,以其安全、感官滿意度高、可長期服用并控制釋放的特點,來開發可供空間應用的功能性食品和添加劑。我們更應在地面模擬的科研基礎之上,拓展思路、尋求突破,整合現有的資源與力量,針對航天事業發展的重大需求、追蹤國際航天醫學的前沿問題展開分析與研究,做一些必要的預研,提出行之有效的解決方案,為盡快提升我航空兵戰斗力,圓滿完成中長期載人航天生存保障任務做出貢獻。

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Advances in treatment for simulated space radiation of Chinese traditional medicine

ZHOU Ying-yu,ZHANG Hong,LU Wei-hong*,GAO Zhen-hong

(College of chemistry and chemical engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150000,China)

The harm of space radiation and the mechanism of anti-radiation drugs are summarized in the paper. Compared with the popular chemical drugs,natural medicines become increasingly recognized on their characters of low toxicity,diverse composition,various ways and multi-target. In order to discuss the treatment of such disease which causes by ground simulated space radiation,the importance of exploring the classification,physicochemical properties and anti-radiation function of edible traditional Chinese medicine should be emphasized,which can provide a basis for the study of anti-radiation drugs and promote the development of aerospace industry by protecting the health of astronauts.

space radiation;anti-radiation;Chinese tradition medicine;classification

2016-08-22

周英鈺(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：極端環境與空間營養學,E-mail：18045117047@163.com。

*通訊作者:盧衛紅(1970-)，女，博士，教授，研究方向：極端環境與空間營養學,E-mail：lwh@hit.edu.cn。

哈爾濱市優秀學科帶頭人項目(2013RFXXJ042);載人航天領域預先研究項目(040102);載人空間站工程應用項目(01-1-08)。

TS255

A

1002-0306(2017)05-0371-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.062