航天飛行對人體脊柱影響的相關(guān)研究

馮金升，吳斌，安春燕，王躍，許東，杜嵩

(1.中國航天員科研訓練中心，北京 100094；2.63629部隊衛(wèi)生隊，北京 100162)

腰椎間盤突出癥是導致腰痛的常見因素，我國每年進行腰椎間盤突出癥手術(shù)的患者約超過100萬例[1]。航天員為直接參與空間探索任務的特殊群體，據(jù)報道，在航天飛行入軌后前期，航天員易出現(xiàn)腰痛反應，在執(zhí)行航天飛行返回后，航天員椎間盤突出(癥)的發(fā)生概率較高[2-5]。自2003年以來，我國已經(jīng)成功實施6次載人飛行任務，先后將11名航天員14人次送入太空；伴隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，越來越多航天員將參與航天飛行任務[6]。在軌飛行期間航天員需從事各種任務操作、開展科學試驗、運動鍛煉等各種活動，維護和促進航天員健康顯得十分重要[7-8]。人類在地球上進化、生活及工作，已經(jīng)適應重力環(huán)境，人體脊柱發(fā)揮著重要的支撐功能，這其中椎間盤及椎旁肌起到了關(guān)鍵作用。因此，有必要關(guān)注航天飛行(失重)對人體脊柱(椎間盤及椎旁肌)的影響，對相關(guān)研究進行匯總分析，為下一步深入研究脊柱提供參考。

1 人體脊柱進化和晝夜變化節(jié)律特點

人類屬于脊椎動物，經(jīng)過幾百萬年緩慢演化，逐漸進化為能站立行走的高等動物。在直立姿勢下，為了對抗地球重力，人體脊柱表現(xiàn)出適應重力的進化特征：在矢狀面進化形成了三個曲度，即頸曲、腰椎前凸，胸椎后凸。當嬰兒開始抬頭環(huán)顧時，逐漸出現(xiàn)頸椎前凸；開始直立行走時，逐漸形成腰椎前凸。在人體形成頸椎/腰椎前凸過程中，胸椎相應出現(xiàn)后凸，發(fā)揮補償作用，以維持直立姿勢。按照Borelli觀點[9]，脊柱一定區(qū)域屈曲以保護脊髓不受傷害，同時脊柱維持一定曲度有助于脊柱抵抗軸向壓縮負荷，通過前側(cè)椎間盤和后面椎間關(guān)節(jié)以維持脊柱平衡運動和穩(wěn)定性。其實，人體脊柱三個正常柔韌屈曲節(jié)段可以將重力負荷重新分配以充分發(fā)揮脊柱功能，形似一把弓箭，能更加高效地分配承受的作用力。人體在工作或運動中，脊柱除了承受人體上半身重量負荷外，還承受各種外源負荷[10]。當軀干運動時，椎旁肌肉不僅能產(chǎn)生力矩以維持機體力學平衡，且由于肌肉收縮產(chǎn)生的壓縮負荷以及重力作用，一定程度上增加了脊柱彎曲時的硬度，進而維持脊柱穩(wěn)定性[11]。因此，在人類進化過程中，人體脊柱已經(jīng)適應了直立狀態(tài)下的各種活動，成為人體對抗地球重力的中流砥柱。

在人類進化過程中，伴隨著晝夜節(jié)律變化，逐漸形成了晝動夜寐的作息規(guī)律，當白日工作或生活時，人體大多處于直立狀態(tài)，脊柱承受重力等負荷；而夜晚睡眠時人體處于臥位狀態(tài)，人體脊柱承受的負荷可降低到最低，相應地人體脊柱(椎間盤)也呈現(xiàn)出晝夜變化節(jié)律。這是由于椎間盤包含軟骨板、纖維環(huán)和髓核三個部分，其中髓核由液體、蛋白多糖(proteoglycan,PG)及膠原組成，髓核中PG攜帶大量負電荷，形成高滲透壓吸引和保留帶正電荷的溶質(zhì)，并吸納/保存大量液體，因此在人體承重時椎間盤能抵抗壓縮負荷；當人體直立承受負荷時，椎間盤內(nèi)髓核壓力增加，其內(nèi)液體通過軟骨板以對流方式進入椎體血液循環(huán)，則椎間盤高度逐漸降低；在睡眠時人體脊柱負荷降低后，椎間盤髓核中親水PG將液體和營養(yǎng)物質(zhì)吸納進來，則逐漸增加椎間盤高度。在晨起后，脊柱恢復了承載負荷，將髓核內(nèi)液體緩慢擠出，其高度又逐漸下降。因此，在人體24 h活動中，椎間盤承受負荷呈現(xiàn)出周期性晝高夜低的節(jié)律變化，導致人體脊柱高度出現(xiàn)相反變化-晝低夜高的節(jié)律變化。據(jù)報道，經(jīng)過白天活動后，人體高度下降約15-20 mm(相當于總高度1%)，男女存在一定差異，男性平均下降17.1 mm，女性平均下降14.2 mm[12]。

2 失重(模擬失重)狀態(tài)對脊柱的影響

自人類載人航天任務以來，進入太空執(zhí)行過航天飛行任務的航天員僅有幾百人，因此，在航天飛行中針對航天員脊柱的觀察或研究報道不多見，航天飛行中、飛行后有關(guān)航天員腰痛或椎間盤突出癥的報道較為少見。一項回顧性研究報道：在航天飛行中，航天員腰痛的發(fā)生率為2.91%，僅次于頭痛，與心律不齊的發(fā)生率等同[3]。Sayson等[13]整理了NASA約翰遜航天中心的航天飛行醫(yī)學記錄，總結(jié)航天腰痛的特點為：①進入太空后1-6 d腰痛程度最重；②其發(fā)生與年齡和飛行經(jīng)歷關(guān)系不大；③僅局限在腰部。同時，在執(zhí)行過航天飛行任務的216名航天員中，報告了19例椎間盤突出。Kerstman等[14]收集的航天員醫(yī)學記錄報告中，一半以上在航天飛行中出現(xiàn)過腰痛，輕度占86%，中度占11%，重度占3%，采用的干預方法包括采用胎兒狀體位、服用鎮(zhèn)痛藥物及運動鍛煉等。Johnston等[15]的研究顯示：航天飛行后，航天員發(fā)生椎間盤突出的風險顯著上升。

鑒于受航天飛行環(huán)境和航天員人次的限制，航天飛行中開展的樣本觀察受到制約，部分學者嘗試在地面采用-6°頭低位臥床模擬失重方法觀察航天飛行中的腰痛情況。Hutchinson等[16]的研究報道：志愿者在臥床后1-3 d后，腰痛程度達到高峰，疼痛性質(zhì)為鈍痛或燒灼痛，認為該模型誘發(fā)的腰痛接近于真實航天飛行中航天員的腰痛。Stye等[17]對比了-6°頭低位臥床和水平位臥床中腰痛的發(fā)生情況，結(jié)果志愿者在-6°頭低位臥床中出現(xiàn)了明顯的腰痛不適，認為-6°頭低位臥床能誘發(fā)出與航天環(huán)境下相似的腰痛，這可作為在地面研究在軌航天員腰痛的模型。馮金升等[18]采用同樣方法觀察男性健康志愿者腰痛的發(fā)生情況，研究顯示14名志愿者在臥床開始后，前5 d腰痛不適明顯，以第2天腰痛反應最重；腰痛對志愿者的生活和睡眠有一定的不利影響。可見，在航天飛行任務中航天員容易發(fā)生腰痛反應，在飛行后其椎間盤突出(癥)發(fā)生率較高；因此，航天醫(yī)學工作者對這些與脊柱相關(guān)的病癥十分關(guān)注，為了維護航天員的健康狀態(tài)，學者們采用天基和地基平臺開展了觀察或探討。下文就失重(模擬失重)狀態(tài)對椎間盤和椎旁肌影響的相關(guān)研究予以介紹。

2.1 失重(模擬失重)狀態(tài)對椎間盤的影響

上述與脊柱相關(guān)病癥的發(fā)生，均與航天員在航天飛行時處于微重力(失重)環(huán)境有關(guān)，在此環(huán)境中易導致人體各個生理系統(tǒng)出現(xiàn)適應性變化，誘發(fā)不適反應或病癥。因此，探討航天飛行環(huán)境中人體脊柱(椎間盤及椎旁肌)的變化，有助于了解和認識這些病癥的發(fā)生機制，為制定相應干預措施提供依據(jù)。地面上24 h人體脊柱長度節(jié)律的變化值為15-20 mm；據(jù)觀察報告，在航天飛行中[4]，航天員脊柱的變化值延長為其2～3倍，可以達到30～60 mm。據(jù)報道[19]，2名航天員在飛行中使用超聲測得腰椎L1-L5高度較飛行前增加值>7 mm。推測認為，在失重環(huán)境下人體脊柱的延長可能是由于脊柱中椎間盤含水量增加，椎間盤膨脹，致使椎間盤高度增加。在航天飛行中，由于缺少相關(guān)的檢測設備，不能直接檢測椎間盤的形態(tài)，但可在地面上進行模擬失重實驗(即-6°頭低位臥床)進行直接觀測分析。LeBlanc等[20]選擇健康志愿者進行了17周臥床實驗，采用核磁共振影像測量了T12-L5之間的椎間盤矢狀面積，結(jié)果顯示：與臥床前對比平均增加了22%，并伴隨著椎間盤高度上升；Matsumura等[21]通過頭低位臥床實驗證實，臥床實驗后人體的椎間盤含水量增加，而椎旁肌的含水量則下降。Feng等[22]實驗結(jié)果表明，-6°頭低位臥床30 d后，受試者L1-L5高度增加、腰椎間隙中矢狀位面積增大，而腰椎前凸角度變化不明顯，結(jié)果提示30 d 的-6°頭低位臥床(模擬失重)對人體腰椎穩(wěn)定性和功能有影響，可導致人體腰椎的生物力學變化。Belavy等[23]觀察了-6°頭低位臥床60 d后腰椎間盤變化，發(fā)現(xiàn)椎間盤容積增加、脊柱變長。有研究觀察了臥床實驗后椎間盤及椎旁肌的恢復情況，志愿者在21 d臥床后，經(jīng)過5個月，椎旁肌恢復到臥床前水平，而椎間盤并未完全恢復，后續(xù)可能會產(chǎn)生不良的臨床后果[24]。Belavy等[25]對參與了-6°頭低位臥床60 d后的志愿者，在實驗后半年和2年對椎間盤分別進行了檢測，結(jié)果2年內(nèi)椎間盤的形態(tài)尚未完全恢復，認為其恢復是一個漫長過程，可能會增加椎間盤受傷的風險。由此可見，臥床實驗后椎間盤形態(tài)發(fā)生變化，其晝夜節(jié)律遭到破壞，其恢復時間較長。在此期間內(nèi)，若航天員恢復了正常生活/工作，可能誘發(fā)椎間盤損傷，導致椎間盤突出(癥)。

2.2 失重(模擬失重)狀態(tài)對椎旁肌的影響

除了觀察椎間盤變化外，脊柱周圍肌肉功能的維持情況同樣重要，也是脊柱研究的重要內(nèi)容之一。Feng等[22]實驗結(jié)果表明，-6°頭低位臥床30 d后，受試者椎旁肌橫切面積減少，提示出現(xiàn)了萎縮。Belavy等[23]觀察了-6°頭低位臥床60 d后椎旁肌肉變化，發(fā)現(xiàn)L1-2豎脊肌及L4-5多裂肌橫切面積顯著減少，而腰大肌則增加，腰方肌變化不明顯。Hide等[26]采用核磁共振觀察了8周-6°頭低位臥床后的軀干肌變化，發(fā)現(xiàn)腰部多裂肌發(fā)生了萎縮，而軀干屈肌橫切面積則增加，認為軀干屈肌在臥床實驗中存在短縮或過度活動，部分改變與臨床上腰痛患者的變化相似，即椎旁肌出現(xiàn)不同程度的萎縮。Hides等[27]研究了8周臥床中脊柱前側(cè)肌肉變化，結(jié)果顯示，在髖關(guān)節(jié)前面的髂腰肌橫切面積下降，而腰椎前面的髂肌、腰大肌的橫切面積沒有改變，提示在臥床中人體椎旁肌會發(fā)生特異性肌肉萎縮。

在臥床實驗中，學者們還采用肌電圖觀察了肌肉的機能狀態(tài)。Belavy等[28-29]觀察發(fā)現(xiàn)，在8周-6°頭低位臥床后，腰骶部短伸肌肉的張力/位相性活動發(fā)生了改變，這些變化與本體感覺有關(guān)；同時研究還顯示：腰背部表淺肌肉出現(xiàn)過度活動，協(xié)同收縮活動降低，預示著發(fā)揮腰椎穩(wěn)定調(diào)控作用的中樞神經(jīng)控制功能異常。Feng等[30]觀察顯示：30 d的-6°頭低位臥床后，受試者腰部多裂肌和豎脊肌的最大抗阻收縮能力及抗疲勞能力明顯降低，中樞運動控制效率下降，屈曲-放松能力異常，可能與神經(jīng)肌肉運動控制系統(tǒng)的適應性變化有關(guān)。Belavy等[31]對長期臥床后受試者的腰腹部表淺肌肉活動特點進行觀察，結(jié)果顯示：臥床中及起床后，腰部豎脊肌肌電中位頻率活動增強，提示臥床對腰部豎脊肌機能產(chǎn)生了不良影響，這可能誘發(fā)了志愿者臥床實驗后的腰痛反應。上述研究提示，航天飛行中由于重力刺激的缺失，人體脊柱承受的負荷明顯降低，致使椎間盤膨脹，人體脊柱延長，同時維持脊柱功能的椎旁肌發(fā)生萎縮和機能變化，致使人體脊柱晝夜節(jié)律遭到破壞，航天員在軌容易發(fā)生腰痛，返回后出現(xiàn)椎間盤突出(癥)。

為此，學者們嘗試了一些干預措施予以對抗或矯正，取得了一定的效果[32-35]，但是尚不能完全消除失重對脊柱的影響，且航天飛行返回后恢復重力刺激后很長時間，椎間盤仍未恢復正常狀態(tài)。目前在航天飛行中尚不能解決重力缺少的根本性問題，因此失重狀態(tài)下的椎間盤膨脹及椎旁肌萎縮在所難免，尚需進一步深入探討。筆者認為，可從以下方面考慮：①給予軸向壓力負荷，防止椎間盤的膨脹和脊柱延長；②給予重復性低負荷旋轉(zhuǎn)運動鍛煉，使椎間盤纖維環(huán)承受類似地面的應力。③設計合理的運動鍛煉，預防椎旁肌萎縮。科研人員還可研制出更加科學有效的在軌干預技術(shù)或方法，產(chǎn)生接近或相似的地面脊柱負荷，以抑制/減輕脊柱椎間盤膨脹，維持椎旁肌肉功能。