董麗,王瓊,劉新民,楊思進(jìn)
(1.瀘州醫(yī)學(xué)院,四川 瀘州 646000;2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所,北京 100193;3.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心,北京 100094)
在航天飛行中,失重可導(dǎo)致骨骼肌肉運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及神經(jīng)內(nèi)分泌免疫等系統(tǒng)功能的改變[1],表現(xiàn)出一系列的生理效應(yīng):如血液頭向分布、心血管系統(tǒng)和支持系統(tǒng)去載荷、重力的感受器刺激缺乏等,對(duì)由此而產(chǎn)生的航天飛行綜合征的發(fā)生機(jī)制及對(duì)抗措施是亟待解決的航天醫(yī)學(xué)難點(diǎn)問(wèn)題。受科學(xué)技術(shù)、經(jīng)費(fèi)等限制,航天飛行難以長(zhǎng)期、重復(fù)進(jìn)行,地面模擬失重的實(shí)驗(yàn)方法的建立就顯得尤為重要,但是地面模擬并不能創(chuàng)造真實(shí)的失重環(huán)境,只能用人體實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)M失重對(duì)機(jī)體所產(chǎn)生的部分生理效應(yīng)加以模擬,故本文對(duì)地面模擬失重實(shí)驗(yàn)方法作綜述報(bào)道,以期為地面模擬失重條件下相關(guān)發(fā)生機(jī)制及防護(hù)措施提供實(shí)驗(yàn)參考。
人體實(shí)驗(yàn)是最早的地面模擬失重的實(shí)驗(yàn)方法,起初為人體浸水實(shí)驗(yàn)[2,3]—蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的干浸水(dry immersion)實(shí)驗(yàn)[4]。在特制的水槽中進(jìn)行,水槽溫度控制在33 ~34℃,含鹽量1% ~2%,被試者或坐或臥的浮在水面,利用水的浮力和靜壓強(qiáng)模擬航天失重狀態(tài)下流體靜壓力消失的生理學(xué)效應(yīng),如體液再分配、立位性低血壓、肌肉活動(dòng)減少、代謝紊亂等,但因被試者處于“負(fù)壓呼吸狀態(tài)”,自由活動(dòng)受到限制(這種被迫性低動(dòng)態(tài)在失重條件下是不存在的),不能進(jìn)行各種功能的負(fù)荷試驗(yàn),限制了干浸水實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)期進(jìn)行。隨著實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn),王金華[5]參考國(guó)外的報(bào)道,則采用了一種新的方法—著服浸水法,類(lèi)似于“干浸水法”的失重模擬原理,除了允許被試者活動(dòng),可以使支撐-運(yùn)動(dòng)減荷,造成前庭運(yùn)動(dòng)障礙,還能評(píng)估在水平姿勢(shì)和垂直姿勢(shì)下體液的再分布情況,評(píng)定皮膚和腎在維持機(jī)體的水、電解質(zhì)平衡中各自的作用,為進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)病和體液再分布相關(guān)的研究深度和廣度創(chuàng)造了新的可能性,但也受到皮膚不耐受,不能進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)不成熟等因素限制。
隨后還相繼建立了多種模擬方法[6],如臥床(bed rest)、座椅休息(chair rest)、抗G 服(anti-G suit,向飛行員腹部和下肢加壓以提高抗正過(guò)載能力的個(gè)體防護(hù)裝備,又稱(chēng)抗荷褲)、禁錮(immobilization)等。其中,平臥或頭低位臥床[7](head-down tilt,HDT)實(shí)驗(yàn)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的。要求被試者平臥或頭低位臥床,這樣體內(nèi)血液流體靜壓力部分或全部消失,與失重狀態(tài)生理效應(yīng)相似。與浸水人體實(shí)驗(yàn)相比,避免了浸水的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,受試者容易配合和接受,實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)成熟,實(shí)驗(yàn)因素也更容易控制,但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),臥床實(shí)驗(yàn)身體重量只存在作用方向的改變,對(duì)前庭系統(tǒng)的改變無(wú)法進(jìn)行研究,且肺循環(huán)在胸-背部向流體靜壓梯度大幅度升高,這是與真正的失重環(huán)境存在差異的。
失重環(huán)境可導(dǎo)致流體靜壓消失,體液頭向轉(zhuǎn)移,約有1.5 ~2 L 的血液從下肢轉(zhuǎn)移到上半身,其中約有20%匯集到頭部,引起腦循環(huán)的改變[8]。那么,平臥或頭低位臥床并非真正的失重,只是對(duì)失重狀態(tài)下血液系統(tǒng)發(fā)生的血液頭向分布的生理效應(yīng)加以模擬。為了尋求更真實(shí)的模擬失重時(shí)的血液動(dòng)力學(xué)的改變,對(duì)平臥或頭低位臥床的角度,進(jìn)行了比較研究。1970年蘇聯(lián)學(xué)者首次采用頭低位-4°頭低位臥床后,又進(jìn)行了0°、-4°、-8°、-12°頭低位臥床生理反應(yīng)的比較研究,還多次進(jìn)行了0°、-6°臥床結(jié)果的比較,結(jié)果表明-6°頭低位臥床能更好地模擬失重環(huán)境下血流動(dòng)力學(xué)和腦循環(huán)方面的改變[9-12]。Satake 等[13]利用單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層攝影(SPECT)、Kawai 等[14]利用TCD 證實(shí)了-6°頭低位臥床實(shí)驗(yàn)中腦血流循環(huán)改變與失重環(huán)境相類(lèi)似,顧正章等[15]在30 d 的-6°頭低位模擬微重力臥床實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),受試者雙側(cè)丘腦、枕葉及右側(cè)頂下小葉的灰質(zhì)密度減少,而這可能與腦血流與灌注的變化有關(guān)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)表明,-6°頭低位臥床引起的多個(gè)系統(tǒng)(包括循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等)和器官(如心臟、大腦、骨骼肌肉等)的生理病理反應(yīng),與微重力導(dǎo)致的影響相似。因此,此方法簡(jiǎn)單、易行,是目前應(yīng)用最為廣泛的人模擬失重效應(yīng)的方法。
在航天醫(yī)學(xué)問(wèn)題的研究中,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物作為研究材料最先進(jìn)入太空。在地面模擬失重的研究中,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物得到了更為廣泛的應(yīng)用。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,起初是采用全身或局部限動(dòng)的方法模擬失重狀態(tài)下的低活動(dòng)度,逐漸發(fā)展到采用頭低位的方法模擬失重環(huán)境下的血液頭向分布生理學(xué)效應(yīng),而后者更為科學(xué)。根據(jù)物種的不同,具體的實(shí)驗(yàn)方法也不同。
大量研究結(jié)果表明,大鼠的心血管、骨骼肌肉等系統(tǒng)的變化與太空失重下有許多相似之處,并積累了大量的資料,因此,大鼠是地面模擬失重實(shí)驗(yàn)中最常用的動(dòng)物。
大鼠的限動(dòng)方法有貼身籠具法(tight-fitted cage)、背部懸吊法和尾部懸吊法(partial body support system)。如前蘇聯(lián)研究者M(jìn)eyerson 和Markova采用貼身籠具以全身禁動(dòng)的方法,但大鼠處于全身禁動(dòng)狀態(tài),其健康所需的基本活動(dòng)也受到了限制,因此,美國(guó)國(guó)家航空航天局與重力生物學(xué)會(huì)聯(lián)合發(fā)展了頭低位懸吊的方法:即大鼠穿著馬甲、取頭低位背部懸吊,前肢著地支持部分軀體重量,后肢離地不荷重,并使其在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)不受限制。但因固定不方便,馬甲不易合體,引起的不舒服和皮膚損傷等應(yīng)激,限制了背部懸吊法的應(yīng)用。19 世紀(jì)80年代,Morey-Holton 等率先建立了尾部懸吊的方法,1993年經(jīng)陳杰等[16]進(jìn)一步完善(見(jiàn)圖1),使尾部懸吊法簡(jiǎn)單易行,操作性強(qiáng),最重要的是將引起大鼠應(yīng)激反應(yīng)損傷降低到最低程度,是目前應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)物模擬失重效應(yīng)模型。
尾吊大鼠模型角度的選擇因不同的實(shí)驗(yàn)方案而不同。在模擬失重血液頭向分布研究中,身體軸與地面成30°被廣泛公認(rèn)。這一角度由Morey-Holton等[17]研究提出,保證頭低位30°時(shí),后肢離地不再負(fù)重,而由前肢承受軀體的部分重量(恰好為50%的體重)。陳杰[16]在30°尾吊大鼠實(shí)驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn),最初幾天動(dòng)物頭、面及頸部腫脹,眼結(jié)膜充血、眼眶周?chē)[,表明體液發(fā)生明顯的頭向轉(zhuǎn)移;沈羨云等[18]發(fā)現(xiàn)尾吊大鼠在30 d 模擬失重后出現(xiàn)了明顯的血液流變性降低和紅細(xì)胞變形能力下降,這與失重環(huán)境下血液瘀滯顱腦的“瘀血證”[19,20]相似。因此,30°是比較公認(rèn)的,能夠保證大鼠尾吊模型達(dá)到模擬航天失重飛行血液頭向分布的最佳效果。但如果考慮大鼠不同姿態(tài)下所受載荷時(shí),孫聯(lián)文[21]發(fā)現(xiàn)30°這一角度并非是最為合適的,實(shí)驗(yàn)研究顯示:自由活動(dòng)大鼠在站立與休息狀態(tài)下,前肢承重分別為體重的44.6%與23.9%。由于尾吊大鼠前肢承重與角度呈線性關(guān)系,若要使尾吊大鼠前肢承重占體重比例與自由活動(dòng)大鼠站立與休息的狀態(tài)相當(dāng),經(jīng)計(jì)算,則尾吊角度應(yīng)分別約為35°與63°。因此,基于大鼠前肢承重量的多少、尾吊持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短等因素,尾吊角度并不一致,至于如何選擇,則需要深入研究、綜合考慮,避免尾吊角度過(guò)大所致的應(yīng)激反應(yīng)。
圖1 大鼠尾部懸吊法示意圖Fig.1 Diagram of a rats tail-suspended experiment
兔作為模擬失重動(dòng)物,最先也是放入貼身籠具中,全身處于禁動(dòng)狀態(tài),受到實(shí)驗(yàn)操作不方便、衛(wèi)生難以及時(shí)清理等限制,目前多采用局部肢體限動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方法。因模擬方法不一樣,結(jié)果存在差異。蔣程等[22]比較籠具頭低位-20°、籠具頭低位0°、全身懸吊頭低位-20° 7 d(見(jiàn)圖4)對(duì)家兔血液流變性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:籠具-20°和籠具0°這兩組家兔的血液粘滯度顯著增高,以籠具-20°組較為明顯,而全身懸吊-20°組家兔的血液粘滯度變化較小,至懸吊第7 天,血液粘滯度反而有所降低,表明不同的模擬失重方法所引起的家兔血液流變性的變化是不同的。同時(shí),肌電分析表明,在3 種模擬失重方法中,籠具-20°狀態(tài)的肌電波幅是最高的,籠具0°次之,全身懸吊-20°最低,可見(jiàn)因?qū)嶒?yàn)角度的不同,產(chǎn)生的肌肉負(fù)荷以及全身應(yīng)激水平也是不一致的。
圖2 籠具頭低位-20°Fig.2 Cage head down -20
圖3 籠具頭低位0°Fig.3 Cage head down 0
圖4 全身懸吊頭低位-20°Fig.4 Body-tail hanging head down -20°
因豚鼠體積小,尾巴短小,用大鼠尾部懸吊的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是不可取的,但因豚鼠具有耳殼比例比較大,因此是聽(tīng)覺(jué)器官研究中最常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。韓浩倫等[23]發(fā)現(xiàn)豚鼠后肢結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),膝部關(guān)節(jié)較大,皮膚和皮下組織活動(dòng)靈活,用薄層棉片包裹豚鼠后肢踝部關(guān)節(jié)以上部位,再用膠布圍繞棉片纏繞數(shù)圈,保證30°的頭低位角度。所以,在模擬失重實(shí)驗(yàn)中涉及前庭器官、聽(tīng)覺(jué)等研究方案時(shí),豚鼠則是首選動(dòng)物。
多用鑄模固定法、座椅法減少流體靜壓對(duì)心血管系統(tǒng)的影響和肌肉-骨骼系統(tǒng)的載荷。但因犬、猴類(lèi)體積較大,性情比較暴躁,鑄模固定法、座椅法不舒服,不適合長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性低等缺點(diǎn)限制,它們并非最常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,國(guó)內(nèi)報(bào)道文獻(xiàn)亦少。
在地面還可以采用多種方式模擬失重環(huán)境或失重生物效應(yīng),探索失重效應(yīng)的生理病理發(fā)生機(jī)制。如回轉(zhuǎn)器,利用持續(xù)的回轉(zhuǎn)作用,使不同矢量方向的重力作用相互抵消,以致各個(gè)方向的矢量和為零,從而對(duì)失重的生物效應(yīng)加以模擬和研究;再如利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)(磁懸浮)模擬失重環(huán)境,保證長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定的失重環(huán)境,是目前地面上唯一能夠?qū)崿F(xiàn)較長(zhǎng)失重時(shí)間(如晶體生長(zhǎng))的模擬技術(shù),但受到技術(shù)難度高,研究費(fèi)用昂貴等限制。
地面處在大氣重力環(huán)境,目前不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)失重環(huán)境的真正模擬,只能基于某種機(jī)制或技術(shù)手段,對(duì)失重狀態(tài)下產(chǎn)生的某些生理效應(yīng)加以模擬。如頭低位臥床或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)常用的動(dòng)物尾吊,采用不同的模擬方法,加以模擬失重狀態(tài)下血液頭向分布的特點(diǎn),從而探討因血液重新分布,瘀滯在顱腦,引起的神經(jīng)系統(tǒng)改變(認(rèn)知、學(xué)習(xí)記憶、空間辨識(shí)等功能障礙)。因此,可以理解為,目前沒(méi)有唯一的指標(biāo)對(duì)失重成功與否進(jìn)行判定,但是可以根據(jù)失重模擬狀態(tài)下的生理效應(yīng)加以反推,如心血管系統(tǒng)功能失調(diào)、失重性骨質(zhì)疏松、免疫功能紊亂等,如何科學(xué)、規(guī)范、統(tǒng)一地評(píng)判失重狀態(tài)地面模擬的成功與否,亟待更加深入的研究和驗(yàn)證。
航天飛行中因失重引起的航天飛行綜合征以及對(duì)抗措施是目前載人航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重要課題之一。在地面模擬失重實(shí)驗(yàn)中,人體實(shí)驗(yàn)與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相比較,人體實(shí)驗(yàn)是最早、最直接,方法相對(duì)簡(jiǎn)單,受試者容易配合及接受,可長(zhǎng)期進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),能更真實(shí)地模擬飛行員在航天飛行失重環(huán)境中的生理學(xué)效應(yīng)。但是,人體實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行有創(chuàng)的監(jiān)測(cè)手段,從而限制對(duì)其進(jìn)行更深入的生理病理機(jī)理研究,而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展正好彌補(bǔ)了人體實(shí)驗(yàn)的這一缺陷。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可從不同的研究角度制定不同的研究方案,從細(xì)胞、分子等微觀水平,揭示失重生理病理發(fā)生機(jī)制。然而動(dòng)物畢竟與人類(lèi)屬于不同的種屬,有著最本質(zhì)的區(qū)別。因此,利用四肢行走、身體尺寸較小的動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果只能是間接的,不能隨意地將結(jié)果外延運(yùn)用到人類(lèi),但兩者可以相互佐證,使實(shí)驗(yàn)研究更為深入、科學(xué)。
在模擬失重的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中,大鼠因其自身特質(zhì),且體積相對(duì)小,實(shí)驗(yàn)易操作,因此應(yīng)用最為普遍,實(shí)驗(yàn)資料相對(duì)豐富,可以根據(jù)不同的研究方案,選擇不同的尾吊角度,但是懸尾方法不當(dāng),引起的應(yīng)激反應(yīng)也大;家兔應(yīng)用次之,目前多集中血液系統(tǒng)、耳、腦、球結(jié)膜微循環(huán)改變的觀察,特別是失重下血瘀證模型的建立,是研究中醫(yī)藥對(duì)血瘀證影響的首選實(shí)驗(yàn)動(dòng)物;豚鼠尾巴短小,限制了懸尾方法的應(yīng)用,但因其耳殼較大,是聽(tīng)覺(jué)器官研究最常用的動(dòng)物,也是失重研究前庭器官改變、聽(tīng)力改變的首選。
綜上,無(wú)論是人體實(shí)驗(yàn),還是動(dòng)物實(shí)驗(yàn),都是為了更好地研究航天飛行中因失重引起的飛行綜合征和空間運(yùn)動(dòng)病的生理病理機(jī)制。航天失重存在多重機(jī)制假說(shuō),引起的機(jī)體功能紊亂則是一個(gè)多層次、多系統(tǒng)的綜合醫(yī)學(xué)問(wèn)題。要解決載人航天醫(yī)學(xué)問(wèn)題,筆者認(rèn)為,運(yùn)用強(qiáng)調(diào)“整體觀念”、“天人合一”、“辨證論治”的中醫(yī)學(xué)理論,引入具備綜合、整體調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)的中藥復(fù)方或單體來(lái)應(yīng)對(duì)航天失重條件下引起的機(jī)體的復(fù)雜多系統(tǒng)變化將是今后的研究趨勢(shì)。
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