空間多環境因素對機體的復合生物學效應研究進展

徐 穎， 周光明， 胡文濤

(蘇州大學蘇州醫學院放射醫學及防護學院放射醫學與輻射防護國家重點實驗室，江蘇省高校放射醫學協同創新中心， 蘇州 215123)

1 引言

航天員在太空進行研究活動時不可避免地面臨惡劣的環境因素，包括微重力、弱磁場、不同于地球環境的晝夜節律、空間紫外線和電離輻射、幽閉環境、有害氣體和噪音等。

太空環境中的重力大小約為10～10G，通常稱為微重力狀態。 國際空間站(International Space Station，ISS)為各種微重力科學研究提供一個長期穩定的環境。 空間電離輻射主要來源有3 類:銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Ray，GCR)、太陽粒子事件(Solar Particle Event，SPE)以及地球俘獲帶輻射(Trapped Radiation Belts，TRB)。 空間輻射具有低劑量、低劑量率、富含高能重離子(High Atomic Number and High Energy，HZE)等特點。

除重力和電離輻射之外，外層空間的磁場以及晝夜節律也與地球表面環境不同。 地磁場(Geomagnetic Field，GMF)強度約為50 μT，而外層空間磁場強度極低，稱為弱磁場或亞地磁場(Hypomagnetic Field，HyMF/HMF，＜5 μT)。火星磁場(＜5 μT)、月球磁場(＜300 nT)和星際空間磁場(＜10 nT)等磁場均屬于弱磁場。 地球環境下晝夜變化周期約24 h，而在外太空中，晝夜變化類型復雜多樣。 為保障航天員的睡眠質量，保持與地球上相似的生物鐘，通常需要采取光干預措施。

紫外線(Ultraviolet，UV)輻射是太陽電磁光譜的一部分，根據其波長可分為4 種類型，即UVA(320 ～400 nm)、UVB(280 ～320 nm)、UVC(100 ～280 nm)和EUV(10 ～100 nm)。 太空中UVC 輻射強度比地球上的要高，而在月球和火星表面UVB 輻射強度也超過了陸地生命的安全極限。

除上述空間環境因素之外，噪音、幽閉環境和有害氣體等因素對航天員健康的影響也不容忽視。 此外，由于人體代謝和非金屬材料脫氣以及實驗活動等產生的有害氣體造成艙內空氣污染，對人體可能產生致畸、致癌、基因突變等效應。

研究證明空間環境對生物體有不利影響。 航天員執行太空探索任務可能會引起基因調控和基因組完整性改變、線粒體功能障礙等分子細胞生物學變化，導致反映在整體水平的肌肉萎縮和骨質丟失、免疫失調、血管功能改變、認知能力下降等健康風險。 目前眾多研究人員開展了單種空間環境因素對生物體影響的研究，但關于多環境因素的復合生物學效應的實驗研究較為有限。 本文將對此方向最新研究進行綜述。

2 微重力與空間輻射的復合生物學效應

目前空間環境的生物效應實驗研究多以微重力和空間輻射兩大空間環境因素為特征處理因素。 重力的變化會影響細胞的增殖、分化、信號轉導和基因表達等功能，導致航天飛行過程中組織或器官水平的生理變化。 而微重力是否影響DNA 的損傷應答反應，取決于細胞類型和生長條件。 微重力對生物體的效應主要包括基因表達改變、染色體畸變、細胞凋亡、免疫抑制、心血管疾病、骨骼肌萎縮、骨質丟失等。

ISS 在約350 km 高空繞地球運行，其主要的輻射源是GCR，輻射水平為0.4 ～1.0 mSv/d，約為地面輻射水平的100 倍。 對于低地球軌道以外的探測任務，如月球和火星的探測，航天員將受到更多來自GCR 的影響。 此外，來自宇宙的初級空間輻射與航天器艙壁反應可以產生中子、X射線和γ 射線等次級射線，這種次級空間輻射比初級空間輻射更能有效地產生活性氧。 空間輻射會對機體產生基因毒性作用，如單鏈和雙鏈DNA斷裂、染色質結構的破壞、堿基的互變異構等，還能使機體發生氧化應激、免疫失調和中樞神經系統損傷等變化。

2.1 微重力與輻射復合作用在動物水平的研究

2.1.1 對骨骼的影響

空間微重力引起骨丟失和肌肉萎縮，目前有關微重力和空間輻射的聯合作用對骨骼影響的研究正逐步開展，認為輻射或能加重微重力對骨骼質量的影響。

研究人員應用高傳能線密度(Linear Energy Transfer，LET)的鐵離子輻射(0.5 Gy 或2 Gy)和后肢去負荷(Hindlimb Unloading，HLU)模型研究二者聯合作用對C57BL/6J 小鼠腰椎的影響，結果表明:輻射可能加速或加重由腰椎廢用引起的骨強度降低，并部分阻止去負荷的適應性反應所致的松質骨微結構的恢復，引起骨骼完整性的喪失；較高劑量(2 Gy)可能會改變椎體內皮質松質骨的應力傳遞。 低LET 的質子照射(1 Gy)聯合HLU 模型也可以降低C57BL/6 小鼠股骨和脛骨的骨強度和力學性能。 月面環境下的部分失重聯合輻射也能影響骨骼的變化。 研究人員使用定制小鼠吊籠來模擬月面環境的重力狀態，雌性BALB/cByJ 小鼠部分失重狀態下接受低劑量、高LET 硅離子輻射(0.17 Gy 單次輻射，0.5 Gy 單次和分次輻射)，發現二者聯合作用后通過減少骨形成和增加骨吸收對骨量的維持產生負面影響，骨形成反應下降與硬化素誘導的Wnt 信號抑制有關。

2.1.2 對神經系統的影響

微重力和輻射聯合作用也能對神經系統產生影響，通常表現為拮抗效應。 在Long Evans 大鼠前額皮層(Prefrontal Cortex，PFC)和杏仁核中，微重力和輻射(3 Gy 的射線全身照射和1.5 Gy的碳離子頭部照射)共同作用導致了它們對5-羥色胺(5-Hydroxytryptamine，5-HT)神經遞質的拮抗效應且輻射作用占主導地位。 在PFC 中可觀察到5-HT 代謝的抑制和去甲腎上腺素能神經傳遞的增強，二者變化程度能引起皮層神經元網絡激活的適應性變化，可導致一些行為測試中學習參數的改善。 HLU 模型模擬的微重力和電離輻射(3 Gy 的射線全身照射和1.5 Gy 質子頭部照射)也在雄性Wistar 大鼠的心理情緒狀態和認知能力方面起到拮抗作用，這與PFC、海馬體和下丘腦中單胺類物質含量變化有關。

鑒于以上結果，研究人員深入研究微重力和輻射聯合作用下單胺類物質的變化，發現大鼠PFC、海馬體和紋狀體中 5-HT 和多巴胺(Dopamine，DA)轉換率發生改變，這可能使微重力和輻射單獨作用時產生的不良影響減少，如恢復大鼠的運動、自主行為和探索行為以及受損的長時語境記憶，并推測PFC 中的5-HT 受體5-HT和海馬體中的DA 受體D參與其中。 暴露于微重力和空間輻射聯合作用下的大鼠神經系統再適應可對應于人類神經系統的改變。 輻射在性別、年齡、輻射類型、暴露時間和總劑量方面引起不同的神經系統反應，而微重力和輻射的聯合作用對不同性別和年齡個體的神經系統影響仍不清楚。

2.1.3 對循環系統的影響

微重力和輻射聯合作用也能對循環系統產生影響。 相對于HLU 的單獨作用，雌性ICR 小鼠在2 Gy 的質子輻射聯合HLU 作用后可導致其脾臟T 淋巴細胞和毒性T 細胞的數量顯著減少，且T淋巴細胞的活化受到抑制，增殖能力顯著降低。 C57BL/6J 小鼠在50 cGy 質子輻射聯合HLU 處理后其視網膜中的內皮型一氧化氮合酶(endothelial Nitric Oxide Synthase，eNOS)水平顯著升高，視網膜血管中的B 細胞計數顯著降低，NK 細胞計數提高。 另有研究人員應用1 Gy的鐵離子束照射(劑量率為10 cGy/min)和HLU(13～16 d)處理C57BL/6 小鼠，發現二者聯合作用能夠通過NOS 通路進一步損害腓腸肌供血動脈的內皮依賴性血管舒張功能，并對eNOS、黃嘌呤氧化酶和超氧化物歧化酶1 蛋白水平產生負面影響。

以上實驗表明，復合作用能導致淋巴細胞和白細胞數量和功能下降，血管舒張功能受損，這可能導致航天員的免疫系統和心血管功能障礙。

2.1.4 對生殖系統的影響

微重力和輻射聯合作用還能對生殖系統產生影響。 昆明小鼠在0.2 ～1 Gy 碳離子輻射聯合HLU 作用下睪丸組織形態發生了變化，睪丸中生殖細胞凋亡增加。 劑量大于0.4 Gy 時精子發生受到顯著抑制，睪丸組織DNA 損傷水平表現出一定的量效關系，而劑量為1 Gy 時微重力能夠拮抗輻射誘導的睪丸組織DNA 損傷。 另一項研究也有類似發現。 相對于正常重力狀態下，昆明小鼠暴露在0.4～1 Gy 的碳離子照射和HLU 模型模擬的微重力下，其精子、初級精母細胞和精原細胞明顯減少。 微重力聯合劑量在0.8 Gy 及以上的輻射可誘導Bax/Bcl-xL 比值顯著上調，推測生殖細胞損傷加劇是因細胞線粒體凋亡途徑引起的凋亡增加所致。 有研究應用HLU 聯合碳離子輻射(0.25～2 Gy)作用于Swiss-Webster 小鼠，發現二者聯合作用能增加小鼠生精細胞的凋亡、減少精子數、降低精子存活率及加重精子的DNA 損傷，而劑量為2 Gy 時提示微重力可能具有拮抗輻射誘導的生精細胞凋亡和精子DNA 損傷的作用。

以上結果提示微重力和輻射復合作用對雄性生殖系統產生諸多不利影響，精子DNA 損傷可能是導致男性在空間環境下生育力下降的潛在機制之一。 然而微重力和空間輻射對雌性生殖系統的復合效應研究尚未見相關文獻。

2.2 機制研究

有研究人員從基因表達和表觀遺傳方面對微重力聯合輻射致使細胞損傷的機制進行研究。 人成纖維細胞暴露于1 Gy 的碳離子輻射和3D 回旋器模擬的微重力處理后，細胞周期抑制基因ABL1和CDKN1A 的表達減少，細胞周期促進基因CCNB1、CCND1、KPNA2、MCM4、MKI67 和STMN1 的表達增加，這可能導致在細胞周期檢查點未能實現阻滯，誘發DNA 損傷。 而相對于單獨X 射線(1 Gy)照射的作用，X 射線聯合微重力作用后未見細胞周期相關基因表達有明顯變化。

有不少研究從細胞的凋亡和氧化應激方面來揭示微重力聯合輻射引起的細胞損傷機制。 研究人員將小鼠神經元細胞暴露于慢性中子輻射(劑量率為0.2 mGy/d)后在隨機定位機模擬的微重力下孵育，發現軸突有很強的回縮，早期和晚期凋亡細胞顯著增加。 模擬微重力和慢性輻射在晚期凋亡誘導方面存在協同效應，軸突的長度和面積明顯減少，對軸突的生長、細胞存活和信息傳遞產生負面影響。 同樣地，旋轉壁容器模擬的微重力增加了碳離子輻射(0.2 ～0.8 Gy)誘導的人B淋巴母細胞HMy2.CIR 凋亡，進一步研究認為模擬微重力促進了輻射誘導細胞中活性氧的產生，導致生物大分子氧化損傷。 雖然近些年來越來越多科研工作者從不同方面對微重力聯合空間輻射致細胞損傷的機制進行研究，但目前相關研究仍處于起步階段。

2.3 存在的爭議

微重力和空間輻射聯合作用可以使細胞損傷加劇，如微重力聯合鋰離子(0～7 Gy)輻照能降低人宮頸癌HeLa 細胞的存活率；微重力聯合氖離子輻照(0.5 ～5 Gy)可使人外周血淋巴細胞DNA 損傷程度加重。 然而二者在誘發染色體畸變(Chromosomal Aberration，CA)方面的相互作用一直存在爭議。 RWV 模擬的微重力對X 射線或質子束(0 ～6 Gy)誘導的人淋巴細胞CA 沒有影響。 但同時暴露于輻射(0.5 ～3 Gy 的X 射線或碳離子束)和回轉器模擬微重力下的人成纖維細胞CA 增加；暴露于X 射線(1.5 Gy)和回旋器模擬的微重力下的人淋巴細胞CA 也增加了。

微重力和空間輻射聯合作用在細胞損傷修復方面的效應也存在爭議。 模擬微重力狀態下，人淋巴細胞接受5 Gy 的γ 射線或0.5～5 Gy 的氖離子輻射后其DNA 損傷修復效率降低。 而在地面接受5 Gy 或10 Gy 的X 射線照射后的人成纖維細胞搭載STS-65 任務進入太空，在空間環境中，細胞的DNA 損傷修復與正常重力下的DNA修復效率無明顯差別。

鑒于以上研究結果以及存在的爭論，后續研究中應仔細考量輻射品質、生物樣品甚至收樣時間點對研究結果的影響，以期得到更為可靠的結論。

3 微重力與弱磁的復合生物學效應

地磁場提供了抵御太陽風或其他宇宙輻射的屏障，并防止氧氣逃逸到星際空間，促使地球的生命進化，而在弱磁場環境下，失去了地磁場的保護，會觸發多種生物效應。 HMF 能干擾生物體多種功能，包括基因表達、個體生長、胚胎發育、人的學習和工作能力等，是一個不可忽視的空間危險因素。

隨著月球和火星探索計劃的啟動，航天員在遠距離的太空任務中不可避免地會暴露在弱磁場環境。 微重力和弱磁場的復合生物學效應研究主要集中于聯合因素對小鼠和大鼠骨骼系統的影響。 研究表明平均磁場強度小于300 nT 的HMF可加劇HLU 雄性SD 大鼠的骨丟失，改變股骨生物力學特性，同時觀察到股骨骨小梁有明顯的RANKL(NF-κB 受體性活化因子RANK 的配體)表達和血清鐵濃度升高。 RANKL 的高表達是骨丟失 的 主 要 原 因。 同 樣 也 在 HLU 雄 性C57BL/6 小鼠中發現，平均磁場強度小于300 nT的HMF 促進了股骨的骨質丟失，對股骨生物力學特性產生負面影響，且小鼠血清、肝臟、脾臟和骨骼中鐵的蓄積量明顯高于單獨微重力實驗組和HMF 實驗組。 推測是鐵過載引起氧化應激反應，促使骨質丟失。

與HLU 聯合GMF 后再負荷一段時間相比，HLU 聯合HMF(B ＜300 nT)后再負荷組雄性C57BL/6 小鼠股骨和脛骨骨礦含量更低、股骨微結構和力學性能更差，脛骨失衡的骨重建恢復得更不理想，同時，血清、脛骨、肝臟和脾臟中鐵含量更高。 小鼠經鐵離子螯合劑甲磺酸去鐵胺(Deferoxamine，DFO)處理后，其骨、肝和脾中的鐵含量降低。 DFO 能顯著減輕HLU 聯合HMF 再負荷組小鼠微重力所致骨丟失，證實HMF 抑制微重力引起的骨丟失的恢復可能是由于鐵調素Hepcidin表達增加和膜鐵轉運蛋白(Ferroportin，FPN)表達降低，而抑制鐵蓄積恢復到生理水平。 以上實驗揭示了HMF 在微重力作用后骨丟失恢復中所起的作用，其潛在作用機制可能是由于HMF 引起的生物節律和微量元素濃度的變化，導致生物體產生氧化應激反應，這為航天員骨丟失的治療提供了新的視角。

另有少部分的研究是關于微重力和弱磁復合作用對組織介電特性的影響。 雄性SD 大鼠在HLU 作用4 周后其腓腸肌的介電特性沒有顯著變化，而強度小于300 nT 的HMF 單獨作用可使導電率增加。 同時研究發現HLU 和HMF 的聯合作用對腓腸肌介電特性的影響比二者單獨作用時都要小，而不是簡單的相加關系。 HLU 和HMF 單獨或聯合作用對雄性SD 大鼠脾臟、全血和睪丸的介電特性產生不同的影響，其變化程度因組織不同而異。 這些實驗提示空間環境下生物組織的介電特性與正常情況下不同，值得進一步研究，從而擴展空間環境中航天員生理病理的檢測和監測應用。

4 其他空間環境因素復合生物學效應

在低軌道運行的航天器繞地球1 圈大約是90 min，其明暗周期模式與人類在地球生活的節律不一致，這會影響航天員生物鐘，導致睡眠質量下降，危害身體健康。 有研究人員應用晝夜節律改變(45 min 明期∶45 min 暗期)聯合HLU及4 Gy 的X 射線輻照作用于大鼠，研究三者復合作用對其后肢骨骼的影響，發現三因素聯合能顯著降低骨骼的生物力學性能、骨骼礦物質密度和骨小梁參數，造成骨質丟失，但是這些數據的降低與HLU 組沒有顯著性差異，表明晝夜節律改變對于骨骼各參數的影響不顯著。 另有研究人員將SD 大鼠置于能模擬晝夜節律紊亂(12 h 明期:12 h 暗期)、微重力(HLU 模型)、噪音(65 dB)和幽閉環境的新型鼠籠，發現大鼠有類似抑郁的行為，其剪接體相關蛋白表達上調，而氧化磷酸化、谷氨酸能和GABA 能突觸相關蛋白表達以及Post-Synaptic Density Protein-95(PSD-95)蛋白表達下調，推測這些差異表達蛋白質可能成為精神障礙的標記物。 這些發現為了解抑郁行為的發生機制提供了有用信息，而且可能為長期航天飛行中心理障礙的治療提供潛在的靶點。

5 展望

本文綜述了空間多環境因素復合作用對機體的生物學效應及其機理的研究進展，發現空間環境因素的復合生物學效應是表現為協同、疊加還是拮抗不僅取決于所研究的生物學終點，也取決于所選擇的空間環境因素類型、劑量、處理時間等。

通過綜述相關文獻，發現有關空間多環境因素復合作用對機體生物效應的研究在以下2 個方面有待完善:①明確空間單因素生物學效應是深入理解空間復合環境生物學效應的關鍵。 因此，要利用天基和地基實驗平臺，深入研究微重力、空間輻射、弱磁等空間環境因素的單因素生物學效應及機理；②空間站作為最真實的空間復合環境，所獲得的研究數據最具有說服力。 中國之前的航天搭載研究多基于返回式衛星，飛行周期短，所得數據十分有限。 隨著中國空間站的建成，長周期空間生命和航天醫學研究迎來重要發展機遇期。如何提高空間站研究資源利用效率、提升研究水平是空間生命科學工作者亟需考慮的問題。

天基平臺實驗機會畢竟有限，因此開展大量設計良好的地基實驗對于解決空間環境所致健康問題十分必要。 現有的地基實驗平臺在模擬空間環境時呈現出諸多問題，比如重離子輻照實驗代價高昂、地面難以真正模擬空間微重力狀態等。鑒于上述問題提出如下對策:①開展團隊協作，提高空間研究資源利用效率；②地基實驗研究和仿真模擬相結合，實驗和理論并重；③針對特定飛行任務，借助空間站環境開展設計良好的天地基對照實驗，解析空間輻射和微重力的不同效應；④應用特殊人群開展天地基對照實驗，如NASA 的雙胞胎研究。