袁國棟 1，2，李玉恒 1，凌樹寬 1，許 斌 3，趙建寧 3，李英賢

(1.中國航天員科研訓練中心航天醫(yī)學基礎與應用國家重點實驗室，北京 100094；2.東南大學醫(yī)學院，南京 210009；3.東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院骨科，南京 210002)

1 引言

航天飛行中，為安全高效地進行太空探索和研究，充分了解長期暴露于太空環(huán)境對航天員健康的影響并進行干預至關重要。失重可引起人體內環(huán)境穩(wěn)態(tài)的失衡，可能導致多系統(tǒng)功能紊亂，包括骨丟失，肌肉萎縮，鈣和鈉代謝異常等現(xiàn)象。當進行艙外活動或操縱大型精密的器械設備時，對航天員的身體狀態(tài)有著苛刻要求。隨著航天飛行時間的增長，航天員發(fā)生骨質疏松性骨折的風險也逐漸增加，骨丟失在人類進入太空后數(shù)天便開始發(fā)生。未來長期載人航天飛行，如果不對失重性骨丟失進行有效防護，人類對宇宙的探索將會受到阻礙。目前，物理鍛煉仍是防護失重性骨丟失的主要措施，而同時使用藥物干預可以達到更佳的防護效果。近年來越來越多的藥物研究陸續(xù)開展，部分藥物也已經(jīng)應用于航天飛行。本文總結歸納防護失重性骨丟失的藥物，并對其作用機制進行闡述，以期為中國制定綜合防護失重性骨丟失的戰(zhàn)略規(guī)劃方案提供參考。

2 航天環(huán)境中的骨代謝

在航天飛行中，失重狀態(tài)使骨吸收增加，骨形成減少，腸道鈣吸收減少，繼而導致承重骨(如股骨，脛骨和椎骨)骨密度和骨量下降，而顱蓋骨趨于增厚。LeBlanc對俄羅斯和平號空間站(Mir)上的18名航天員進行雙能X線吸收法測定(Dual-emission X-ray Absorptiometry，DXA)掃描，發(fā)現(xiàn)脊柱、股骨頸、股骨轉子和骨盆的骨密度(Bone Mineral Density，BMD)平均每月下降1%～1.6%，明顯高于原發(fā)性骨質疏松癥BMD的下降速度(每年0.5%～1%)。失重環(huán)境下成骨細胞的分化受到抑制，調節(jié)成骨細胞分化的重要轉錄因子Runx2對骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(Bmp2)刺激的反應性降低。另外，失重狀態(tài)能夠激活NF-κB信號通路，使Rankl/Opg比值上調，促進破骨細胞分化并增強破骨細胞功能，從而使骨吸收增加。這與雌激素缺乏性骨質疏松癥的發(fā)病機制不同，其骨吸收增加的同時骨形成亦有增加，但后者不足以代償過度的骨吸收。

3 失重性骨丟失防護藥物

3.1 已應用于航天飛行中的藥物

3.1.1 維生素D和鈣劑

在太空中航天員體內游離Ca增多，腸道鈣吸收減少。維生素D是維生素D和維生素D的總稱，人體內維生素D主要由皮膚中7-脫氫膽固醇經(jīng)日光中的紫外線照射轉化而來，在肝臟和腎臟中經(jīng)生物轉化成具有活性的1，25(OH)D。小腸是維生素D的主要靶器官，1，25(OH)D可促進小腸黏膜鈣結合蛋白的合成，參與鈣的轉運，促進鈣的吸收。臨床研究發(fā)現(xiàn)，同時補充鈣劑和維生素D可降低骨質疏松性骨折的風險。Bikle等研究發(fā)現(xiàn)，骨骼無承重的3種狀態(tài)(航天飛行、臥床、動物尾吊模型)下1，25(OH)D合成減少。動物實驗研究表明外源性1，25(OH)D可以防止小鼠尾吊所致的骨丟失，使小鼠的骨密度升高，并改善血清骨鈣素和ALP水平。但也有研究報道單獨補充鈣劑并不能防止失重性骨丟失的發(fā)展，因此，是否鈣劑和1，25(OH)D的聯(lián)用能夠預防失重性骨丟失還有待進一步的研究。

3.1.2 維生素K

維生素K是γ-羧化酶的輔酶，在γ-羧基谷氨酸的形成過程中起著重要作用。γ-羧基谷氨酸是骨鈣素發(fā)揮正常生理功能所必需的氨基酸，具有提高骨量的作用。人體內維生素K含量低時，骨鈣素不能完全羧化，因此未羧化骨鈣素(ucOC)可用于評估維生素K的功能狀態(tài)。Augusseau等、Vermeer等研究報道在Mir上的兩名航天員血清中的ucOC濃度明顯上升，且在執(zhí)行任務過程中一直維持在較高水平，而其中一位航天員服用維生素K后ucOC濃度明顯降低。Smith等發(fā)現(xiàn)在國際空間站(ISS)上工作4至6個月的11名美國航天員血漿中維生素K濃度下降了42%。Iwasaki等則發(fā)現(xiàn)飲食維生素K可以維持尾吊小鼠的骨小梁結構和骨量。與上述研究結果不同的是，Zwart等發(fā)現(xiàn)在ISS工作了2～6個月的航天員血漿維生素K濃度與飛行前相比沒有明顯變化。此外，在3個獨立的臥床試驗(臥床21～90天)和14天的飽和潛水試驗中，受試者血漿維生素K，尿γ-羧基谷氨酸和血清ucOC濃度在實驗前后都無明顯差別。由于目前相關的太空研究及其所參與的航天員數(shù)量有限，補充維生素K是否能夠有效防護失重性骨丟失還有待進一步證實。

3.1.3 雙膦酸鹽

雙膦酸鹽是臨床上使用最廣泛的抗骨質疏松藥。Leblanc等報道在17周的臥床實驗中，8名男性受試者在臥床期間每日口服阿侖膦酸鈉，另外13名受試者不服藥作為對照組，研究發(fā)現(xiàn)服用阿侖膦酸鈉可有效改善骨密度。在隨后開展的太空研究，在ISS上平均工作了5.5個月的7位航天員在飛行前3周開始口服阿侖膦酸鈉，并在整個飛行過程中持續(xù)服用，且所有航天員可在空間站通過高級抗阻力鍛煉裝置(Advanced Resistive Exercise Device，ARED)進行鍛煉。研究結果發(fā)現(xiàn)服用阿侖膦酸鈉配合ARED鍛煉可以減輕多項因長期太空飛行所致的骨骼生理指標下降。但是，在某些情況下雙膦酸鹽類藥物可能會引起不良反應，比如胃腸道反應以及下頜骨壞死等，因此有學者認為在長期的太空飛行中，雙膦酸鹽并不是防護失重性骨丟失最理想的選擇。

3.2 具有潛在治療效果的藥物

3.2.1 蛋白類藥物

1)骨保護素(Osteoprotegerin，OPG)。骨保護素是一種分泌型糖蛋白，屬于TNF受體超家族成員，可與Rankl結合，競爭性拮抗Rank和Rankl相互作用，從而抑制破骨細胞分化和骨吸收活性。早期地面動物實驗報道OPG可防止小鼠尾吊所致的骨強度和骨量的減少。OPG-Fc是小鼠內源性OPG類似物，Lloyd等發(fā)現(xiàn)飛行前對小鼠進行OPG-Fc給藥可以有效防止失重性骨丟失。在這項研究中，研究人員將小鼠分為3組:基線組、太空飛行組(SF)和地面對照組(GC)。SF和GC組中各一半小鼠皮下分別注射OPG-Fc和磷酸鹽緩沖液(Phosphate Buffer Saline，PBS)，研究發(fā)現(xiàn)SF/OPG-Fc組小鼠的骨體積分數(shù)(BV/TV)相比SF/VEH組(注射PBS)或GC/VEH組增高；另外，與SF/VEH組相比，SF/OPG-Fc組小鼠血漿中TRAP5b濃度較低，提示OPG-Fc能夠抑制破骨細胞的分化而抑制失重性骨丟失。

2)甲狀旁腺激素相關蛋白(PTHrP)。PTHrP表達于骨、皮膚、甲狀腺、心臟等組織，其空間結構、活性都與甲狀旁腺激素(PTH)類似。臨床上常用的特立帕肽便是一種PTHrP類治療骨質疏松的藥物，臨床研究顯示，與安慰劑組相比，特立帕肽治療可大大降低椎體骨折風險，并可降低新發(fā)椎體骨折的發(fā)生率，增加腰椎、股骨頸的骨密度。Torday等研究發(fā)現(xiàn)在太空中飛行兩周后，大鼠股骨和脛骨中PTHrP含量比地面對照組低60%，而顱蓋骨沒有差異。為了進一步研究PTHrP在失重性骨丟失中的作用，Camirand等把從PTHrP的基因敲除小鼠(

Pthrp

)和野生型小鼠(

Pthrp

)顱蓋骨和小梁骨中提取的成骨細胞(COs和TOs)送上太空。經(jīng)過6天至6周的太空飛行，

Pthrp

COs和

Pthrp

COs的凋亡率沒有明顯差異，而

Pthrp

TOs凋亡率相較

Pthrp

TO明顯增高。另外，給予小鼠外源性PTHrP(重組PTHrP蛋白)可緩解長期暴露于失重環(huán)境對TOs的有害作用，這說明PTHrP類藥物有潛力防護失重性骨丟失，不過需要開展太空試驗進一步驗證。

3)骨硬化蛋白抗體。由SOST基因編碼的骨硬化蛋白是Wnt通路的抑制因子，也是骨形成的重要負調節(jié)劑，在調節(jié)骨對機械負荷的反應中起關鍵作用。SOST基因與骨質疏松的發(fā)生關系密切，Yerges等研究了65歲以上美國白人男性374個骨代謝候選基因的2722個SNP與股骨骨密度的相關性，發(fā)現(xiàn)SOST基因上游的rs1230399與股骨骨密度相關最顯著。Blosozumab是人工合成的Ig4型的單克隆骨硬化蛋白抗體，一項隨機雙盲安慰劑對照的2期臨床試驗表明，Blosozumab能夠提高脊柱、股骨頸及髖骨的骨密度，且有劑量依賴性。Morse等研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠中敲除SOST基因，一方面可以緩解由于機械負荷減少引起的骨丟失，另一方面在機械負荷增加后能夠促進骨形成。Li等、Spatz等研究發(fā)現(xiàn)骨硬化蛋白抗體(SclAbII)可以抑制部分負重小鼠、去卵巢(OVX)大鼠骨量和骨密度的降低。另外，有研究發(fā)現(xiàn)臥床和太空飛行過程中人體內骨硬化蛋白水平都有明顯升高，未來可進行骨硬化蛋白抗體的太空研究，以觀察其對失重性骨丟失的治療效果。

4)肌肉生長抑制素(MSTN)/激活素A(activin A)拮抗劑。MSTN和activin A都是TGF-β家族成員，可通過與激活素受體ACVR2A和ACVR2B結合啟動下游信號而影響成骨細胞和破骨細胞活性。MSTN主要功能是抑制成肌細胞的增殖，是肌肉生長發(fā)育的負性調控因子，有文獻報道MSTN信號的抑制參與了低強度脈沖超聲波(Low-intensity Pulsed Ultrasound，LIPUS)抑制去卵巢和尾吊大鼠骨丟失的過程。激活素A抑制劑ACE-011可以競爭性抑制activinA與內源性受體的結合而阻斷下游信號，ACE-011的臨床試驗表明，ACE-011可以提高絕經(jīng)后婦女骨密度，迅速、持續(xù)誘導血清骨吸收標志物CTX下降。Lee等構建了MSTN基因敲除的小鼠(

Mstn

)，研究發(fā)現(xiàn)太空中的

Mstn

小鼠的肌肉質量約為野生型小鼠的2倍，給予小鼠MSTN/activinA抑制劑ACVR2B/Fc注射，可明顯改善地面和太空中小鼠的骨密度。另外，ACVR2B/Fc還可以促進小鼠回到地面后肌肉質量和骨密度的恢復。由于MSTN/activin A拮抗劑或許能同時減輕太空飛行過程中的骨丟失和肌肉萎縮，與其他僅針對失重性骨丟失的藥物相比可能有著更大的應用前景。5)鳶尾素(Irisin)。航天飛行中骨質疏松和肌肉萎縮常常同時發(fā)生。骨骼肌對骨骼發(fā)育至關重要，為了適應肌肉施加的機械負荷的變化，骨骼的質量和結構也會發(fā)生相應改變。人體運動后骨骼肌細胞會產(chǎn)生一種名叫鳶尾素的肌動蛋白，臨床研究發(fā)現(xiàn)老年男性血漿中鳶尾素水平與骨密度呈正相關。Colaianni等發(fā)現(xiàn)鳶尾素可以延緩尾吊小鼠骨質疏松和肌肉萎縮的進展，在機制研究上，Chen等報道鳶尾素通過上調β-Catenin表達而促進成骨細胞分化。在一項太空研究中，Colucci等設計了3種共培養(yǎng)方案:成骨細胞(OB)/破骨細胞(OC)/內皮細胞(EC)、OB/OC和OB/EC。結果發(fā)現(xiàn)在太空組中，3種共培養(yǎng)體系中成骨細胞分化重要的轉錄因子

Runx

2，

Osterix

，

Atf

4和反映成骨細胞功能的分子

Collagen I

的表達都有顯著下降，而在鳶尾素處理后上升。這說明鳶尾素在失重環(huán)境下可促進成骨細胞分化，增強成骨細胞的活性。

3.2.2 小分子藥物

1)脂肪酸ω-3。膳食中的ω-3脂肪酸多為不飽和脂肪酸如二十碳五烯酸(EPA)，臨床研究發(fā)現(xiàn)長期有氧運動訓練和ω-3脂肪酸的攝入對絕經(jīng)后骨質疏松癥患者骨密度的改善具有協(xié)同作用。Zwart等研究發(fā)現(xiàn)EPA不僅可以抑制Rankl誘導的RAW264.7細胞的分化，還能夠阻遏TNF-α刺激或模擬微重力所致的NF-κB信號通路的激活。另外，臥床過程中攝入更多的ω-3脂肪酸可使尿I型膠原氨基端末肽(N-terminal telopeptide of type I collagen，NTX)下降，提示ω-3脂肪酸攝入抑制了骨吸收。在隨后的太空試驗發(fā)現(xiàn)，在短期太空飛行后航天員外周血單核細胞中NF-κB p65表達上升，提示NF-κB信號通路的激活。魚肉中含有豐富的ω-3脂肪酸，上述研究還發(fā)現(xiàn)航天員在太空中進食更多的魚肉可緩解航天飛行后的骨密度下降，這一發(fā)現(xiàn)對制定科學的航天員飲食方案有較大參考價值。

2)3-羥基丁酸(3HB)。聚羥基丁酸(PHB)降解產(chǎn)物3-羥基丁酸是酮體的主要成分，在許多生理活動中起著重要作用。3HB可以促進小鼠成骨細胞系MC3T3-E1的分化。動物實驗發(fā)現(xiàn)3HB可以抑制小鼠卵巢切除引起的骨丟失。Cao等研究發(fā)現(xiàn)3-羥基丁酸及其衍生物亦可防護失重性骨丟失，進一步機制研究表明3-羥基丁酸抑制了

Nfatc

1去磷酸化以及核異位從而抑制了破骨細胞分化。

3.2.3 單體藥物

酚類化合物是天然抗氧化物，多項研究發(fā)現(xiàn)從自然植物中提取的酚類化合物如白藜蘆醇，姜黃素和多酚可有效緩解模擬微重力造成的骨丟失。梅干中富含維生素K以及酚類化合物，多項臨床研究表明每日食用梅干可預防婦女絕經(jīng)后骨質疏松，梅子粉飲食也可有效緩解小鼠尾吊造成的骨丟失。這些結果提示富含酚類化合物的食物或許可作為航天食品的選擇。

3.2.4 小核酸藥物

失重環(huán)境下miRNA表達會發(fā)生改變。Mangala等運用NASA研發(fā)的HARV生物反應器模擬微重力培養(yǎng)TK6人淋巴細胞72 h，結果顯示在模擬微重力條件下miR-150、miR-34a、miR-423-5p、miR-22、miR-141、miR-618和miR-222表達明顯改變。Wang等發(fā)現(xiàn)在尾吊小鼠骨骼組織中miR-214表達明顯上升，miR-214通過靶向ATF4 3’UTR抑制其翻譯水平，進而抑制成骨細胞的功能，抑制骨形成。另一方面，miR-214抑制劑治療能有效緩解尾吊所致的骨丟失。miR-214在破骨細胞分化過程中表達明顯升高，其通過靶向Pten調控Pten/PI3k/Akt信號通路從而促進破骨細胞的功能。破骨細胞能夠分泌包含miR-214的外泌體，并通過Ephrin A2和Eph A2的相互作用識別成骨細胞，轉運進入成骨細胞抑制成骨細胞的功能。上述結果表明，miR-214抑制劑有望應用于治療失重性骨丟失。

3.2.5 中藥

很多中藥如淫羊藿苷、黃芩、生姜總黃酮對失重性骨丟失具有防護作用，這些研究均是在動物模型中進行驗證，但缺乏航天實驗數(shù)據(jù)。隨著中國空間站建成，可開展相應研究，以證實中藥防護失重性骨丟失的有效性，從而制定出有中國特色的防護失重性骨丟失藥物方案。

3.3 其他

3.3.1 褪黑素

在軌飛行中，航天員的生物鐘會嚴重紊亂。褪黑素是松果體分泌的一種胺類激素，一般在黑暗中合成，因而其血液濃度存在晝夜節(jié)律性。有文獻報道對松果體進行外科消融后，在大西洋鮭魚，雛雞和大鼠中觀察到了脊柱畸形。Amstrup等臨床研究表明，服用褪黑素可以改善婦女絕經(jīng)后的骨質疏松癥狀，增加股骨頸骨密度。Ikegame等報道褪黑素可能成為預防太空飛行中骨質丟失的潛在藥物。研究人員將再生的金魚鱗片作為研究太空飛行中骨重塑模型，在早期地面實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在金魚鱗片系統(tǒng)中使用褪黑素可以抑制破骨細胞活性，現(xiàn)階段實驗發(fā)現(xiàn)，在太空中破骨細胞骨吸收活性顯著升高，褪黑素合成減少，而經(jīng)過褪黑素處理后破骨細胞骨吸收活性明顯下降，進一步研究發(fā)現(xiàn)褪黑素是通過上調降鈣素的表達水平而抑制了破骨細胞活性，從而防止了骨質流失。

3.3.2 氫分子

氫分子有抗氧化、抗炎、神經(jīng)調節(jié)等諸多生理功能，臨床上有廣泛應用。臨床研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)8周飲用富氫水0.9 L/d可明顯降低2型糖尿病患者血低密度脂蛋白與8-異前列素的水平，并使糖耐量受損的患者糖耐量明顯改善。一項類風濕性關節(jié)炎的臨床研究中，飲用富氫水的患者尿液中的8-羥基脫氧鳥嘌呤顯著下降，C反應蛋白水平明顯降低，類風濕性關節(jié)炎癥狀也得到改善。Sun等研究報道氫分子可有效防護失重性骨丟失，體外細胞實驗發(fā)現(xiàn)富氫培養(yǎng)基不但可以抑制Rankl誘導的RAW264.7細胞的分化，并能緩解模擬微重力所致的MC3T3-E1分化的抑制和ROS的產(chǎn)生。體內實驗表明飲用富氫水減輕了尾吊引起的大鼠股骨和腰椎骨密度下降，說明氫分子能夠抑制失重性骨丟失。不過鑒于富氫水還未開展骨質疏松相關的臨床試驗，其安全性和有效性有待進一步確認。

3.3.3 其他潛在治療靶點

隨著對失重性骨丟失機制研究的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)了越來越多新的治療靶點，如Wnt通路抑制因子Dkk2、連接蛋白43(Cx43)、水通道蛋白-9(AQP9)、堿性調寧蛋白 h1(CNh1)、酪蛋白激酶2相互作用蛋白1(CKIP-1)等。這些研究中都構建了基因敲除的模式動物，并發(fā)現(xiàn)敲除上述基因均可緩解失重性骨丟失。但是，由于缺乏上述分子的抑制劑的臨床實驗數(shù)據(jù)和相應的在軌研究，上述基因是否可以作為防護失重性骨丟失的靶點還有待進一步驗證。

4 結語

航天員中長期駐留的生命健康保障是航天醫(yī)學面臨的巨大挑戰(zhàn)。目前，只有維生素D和鈣劑、維生素K及雙膦酸鹽類藥物已應用于航天飛行，有潛在治療效果的空間藥物研究尚不充分。國際上應對失重性骨丟失還未有完善的綜合防護策略，未來應開展有關失重性骨丟失的空間藥物研究，以制定安全有效、切實可行的失重性骨丟失綜合防護措施。