航天飞行中宇宙辐射对宇航员骨骼系统的影响

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(南华大学医学院心血管病研究所，湖南省动脉硬化学重点实验室，湖南 衡阳 42100)

·小专论·

航天飞行中宇宙辐射对宇航员骨骼系统的影响

余康伦,李国华，姜志胜*

(南华大学医学院心血管病研究所，湖南省动脉硬化学重点实验室，湖南 衡阳 42100)

在航天飞行中，宇航员会受到来自太阳质子事件和银河宇宙射线的辐射影响，导致骨质总量降低，骨折风险增高。为了实现远距离、长时间的太空飞行任务，宇航员的骨骼系统健康显得至关重要。随着现代骨形态计量学的运用和陆地实验室中宇宙相关辐射动物模型的建立，辐射引起骨骼系统骨质丢失的机制被逐步阐明，这些机制包括辐射性骨细胞损伤、辐射性炎症和辐射性血管损伤等。本文就宇宙辐射的特点以及辐射对骨骼系统影响的研究现状及其机制作一综述。

航天; 宇宙辐射; 骨骼

随着中国航空航天事业的不断发展，中国载人航天技术日趋成熟，当前中国深空探测的目标是太阳系探测。然而存在于宇宙空间中的辐射会引起宇航员骨质总量的降低，增加骨折的风险。要完成近地轨道之外的远距离太空飞行任务，宇航员的骨骼系统健康显得尤为重要。因此，探索宇宙空间辐射环境对骨骼系统的影响并寻找相应的对策具有重要的意义。

1 宇宙辐射的种类

在近地轨道(Low-Earth Orbit)以外的航天飞行中，宇航员不可避免的会接受到来自宇宙空间的辐射，主要有银河宇宙射线(Galactic Cosmic Rays，GCR)、太阳质子事件(Solar Proton Events，SPE)和二次辐射等。

1.1银河宇宙射线GCR来源于太阳系之外，主要由质子构成，因其在太空中传播速度很快，导致环绕原子核周围的电子丢失，容易发生电离。GCR含有约1%的重离子(Heavy Ion)，具有高电荷(Z)和高能量(E)的特点，穿透性强，即使有宇宙飞船防护罩的防护作用，仍然能对宇航员的身体造成较大的损害。在整个太空飞行中，GCR持续存在，虽然总体辐射能量较低，但是由于累积作用，在远距离、长时间的飞行任务中仍然会对机体产生较大伤害[1]。

1.2太阳质子事件SPE又称“质子风暴(Proton Storm)”,来源于太阳闪焰。与GCR相比，SPE的发生较为短暂且随机。因其具有极高的能量，会给在地球轨道外进行航空飞行作业的宇航员带来极大的危害[2]。例如在1972年8月和1989年10月发生的太阳质子事件,即使在1.9 cm厚度铝板或5 cm厚度水的防护下，宇航员所接受到的全身辐射剂量仍高达2 Gy[3]。

1.3二次辐射当GRC和SPE中所含的重离子撞击宇航飞船的防护结构时，会发生二次辐射，产生X-射线和中子射线等。二次辐射存在于整个飞行过程中，对宇航员骨骼系统产生不可忽略的影响[4]。

2 骨形态计量参数

2.1骨组织学骨是由骨质、骨髓、骨膜构成。骨质包括骨松质和骨密质。骨松质由大量骨小梁互相交织构成，结构疏松。骨密质因骨板平行排列，结构紧密，质地坚硬。成骨细胞分泌的骨基质矿化后转变为坚硬的新生骨质即成骨作用，与此同时部分成骨细胞被包埋其中，分化为骨细胞。破骨细胞通过分泌胶原酶和酸，分解骨质使得矿物质得以重新利用。正是在这两种细胞的动态作用下，形成了人体的骨骼系统。

2.2骨形态计量学随着计算机以及显微成像技术的发展，体视学(Stereology)能将显像仪器获得的二维平面信息转换为三维形态，可对测量物体进行定量描述，并反映其形态结构。骨组织形态计量学主要是通过显微镜获取骨组织切片图像，再运用特定软件，结合体视学方法，对二维图片进行分析，用于评价机体骨骼系统的成骨作用、破骨作用和骨骼三维结构。在宇航员着陆地球后，通过骨组织活检，获得骨骼系统样本。本文主要介绍干骺端骨松质各项指标的评估，其中包括静态参数和动态参数。

常用的骨形态计量学静态参数有骨组织面积(Total Tissue Area)，骨小梁面积(Trabecular Area)，骨小梁周长(Trabecular Perimeter)，骨小梁面积百分数(Percent Trabecular Area)，骨小梁厚度(Trabecular Thick),骨小梁数量(Trabecular Number)和骨小梁分离度(Trabecular Separation)等。静态参数可直接从组织切片中获取，主要用于评估所采样的骨骼系统三维形态结构。

常用的骨形态计量学动态参数有成骨细胞数量,成骨细胞周长(Osteoblast Surface)，成骨细胞贴壁周长百分数和单位骨表面周长成骨细胞数，用以反映成骨作用程度。破骨细胞数量、破骨细胞周长、破骨细胞贴壁周长百分数和单位骨表面周长破骨细胞数，用以反映破骨作用程度，骨形成率用以反映每年的骨生长速度。而在动物实验中常用的参数有单荧光周长，双荧光周长,双荧光间距。通过计算得出的荧光周长百分数和矿化沉积率可分别用以反映骨骼矿化程度和每日骨矿化厚度。近年来，利用钙绿黄素(Calcein)荧光标记新生矿化骨的方被广泛运用于骨骼系统动态变化的评估，其原理是利用钙绿黄素在新生骨基质矿化时能沉积其内，使其被荧光标记的特点[5-6]。

3 陆地实验室的研究方法

为了研究宇宙辐射造成宇航员骨质减少的机制，在陆地实验室建立与宇宙环境条件相似的辐射模型开展相关研究。

3.1陆地实验室的辐射源陆地实验室常以线性加速器为辐射源，产生铁离子辐射、碳离子辐射、质子射线、X-射线和伽马射线等电离辐射。为了模拟与GCR中含有的少量原子序数超过92、具有高能量的重粒子产生的辐射条件[7]，铁离子和碳离子辐射被认为是较好的模型。质子射线与GCR和SPE中含有的主要射线成分相一致。而X-射线和伽马射线用以模仿重粒子撞击宇宙飞船防护罩时产生的二次辐射。

陆地实验室使用的辐射剂量低至0.5 Gy高至50 Gy。但根据人类已进行的远距离太空飞行任务中相关研究报告的评估，在近地轨道以外进行4～6个月的飞行中，每位宇航员平均接受到的辐射量大约等同于1 Gy质子辐射或2 Gy 伽马辐射，因此1～2 Gy被认为是能够较好地模拟宇宙环境的剂量大小[8]。

陆地实验室使用的辐射照射时长设定短至数秒或长至数周。短时间内的大剂量辐射用以研究重粒子辐射的影响[9]，而长时间小剂量辐射用以模拟质子辐射和二次辐射的影响[10]。

3.2陆地实验室的动物模型为了建立明显的辐射损伤更好的观察骨骼系统的变化，大剂量的重离子辐射被认为是较好的模型。Sawajiri等人以大鼠为实验对象，在研究中使用了肿瘤治疗中常用的碳离子辐射，分别采取的辐射剂量为15 Gy、22.5 Gy和30 Gy。结果发现与对照组相比，大鼠骨质总量随着碳离子辐射剂量的增加而减少。在受到碳离子辐射后长骨硬度变得更加脆弱，骨小梁数量、厚度和面积百分比减少，间隔增宽。因此说明了宇宙辐射中所含有的少量重粒子辐射对骨骼系统存在较大的危害[9]。

根据人类已进行的远距离太空飞行任务中相关研究报告的评估，4～6个月的宇宙飞行中每个宇航员接受的总辐射剂量约为1～2 Gy[8]。因此，在陆地实验室动物模型中,1～2 Gy被认为是模拟太空飞行辐射环境最佳的剂量大小。Hamilton等人以小鼠为实验对象，采用2 Gy的辐射剂量大小，使用的辐射种类有碳离子辐射、铁离子辐射、质子射线和伽马射线。在小鼠接受照射110天之后对胫骨近端和股骨远端进行骨计量学参数进行评估，发现每一种辐射都导致骨小梁面积百分数、数量和厚度降低，骨小梁间隔增宽。说明当生物体在受到辐射剂量平均大小为2 Gy时，不论辐射的种类，都足以对骨骼系统产生危害[11]。

单个宇航员在长达数月的飞行任务中积累的辐射总量约为2 Gy，上述地球模型中却是在数分钟内将2 Gy辐射全部照射完毕，与太空飞行任务中，宇航员长时间积累小剂量辐射的情况不相符。考虑到宇宙辐射主要由质子辐射构成，小于2 Gy的质子辐射被认为是较好的辐射模型之一。Bandstra等人以质子为辐射源，对小鼠进行试验。运用0.5 Gy、1 Gy和2 Gy的辐射剂量进行研究,在2 Gy实验组中与对照组相比，观察到骨小梁面积分数明显减少(-20%)，骨小梁间隔增大(+11%)。在1 Gy实验组中与对照组相比，只有骨小梁面积分数发生降低(-13%)。然而在0.5 Gy的剂量下，并未观察到骨小梁相关骨计量学参数的降低。其可能原因是小鼠在辐射117天后接受骨计量学评估，对于低剂量的辐射，骨骼系统的恢复能力代偿了辐射引起的骨质损失[12]。

GRC中含有的少量重离子撞击飞船防护罩所产生的二次辐，其陆地实验室动物模型也是不可忽略的一环。Bandstra等人通过对小鼠头部进行大剂量铁离子辐射，继而观察产生的二次辐射对骨骼的影响。实验发现与对照组相比，胫骨近端因离头部较远受到的二次辐射吸收剂量为0.18 Gy，并没有发现其中骨小梁形态计量参数的变化。而肱骨近侧因离头部较近，受到的二次辐射吸收剂量为0.47Gy，结果显示骨小梁面积百分数和厚度降低，说明该模型产生的二次辐射在0.47Gy的剂量下能够引发骨骼系统骨质的减少[13]。

近年来，随着陆地实验室宇宙相关辐射对骨骼系统影响研究的动物模型不断构建完善，将其与之前已经得到广泛运用的失重动物模型相结合的研究开始出现。 Lloyd等人以16周龄的小鼠为实验对象，在对小鼠进行1 Gy质子辐射后，将尾部悬吊4周，使得后肢悬空引发废用，用来模拟太空中的失重状态。结果发现与对照组相比，在辐射和后肢悬吊同时存在的情况下，小鼠四肢骨的骨小梁面积分数和骨小梁数都极大降低。这揭示了辐射与失重对骨质总量的降低可能存在叠加效应[14]。但失重和宇宙相关辐射两种因素相结合的研究还很少，更多的实验有待进行，以揭示其中的作用机制。

4 宇宙相关辐射造成骨骼系统骨质减少的机制

电离辐射能使电子脱离运行轨道，直接破坏有机物中的化学键或使人体产生活性氧自由基，间接损伤DNA、RNA 和细胞器。目前辐射所致的骨质减少的机制主要有辐射性骨细胞损伤、辐射性炎症和辐射性血管损伤等。

4.1辐射性骨细胞损伤由于成骨细胞和破骨细胞直接参与骨骼系统的构建，所以辐射对这两种细胞的损害被认为是造成骨质减少的主要原因。在动物的体内外实验中发现，辐射能够降低成骨细胞的增殖和分化，阻断其细胞周期，减少骨基质分泌，并使成骨细胞对凋亡因子更加敏感[15]。

研究发现，骨质总量减少的程度与辐射剂量的大小存在着明显的相关性，而在骨骼构建中，唯一拥有吸收骨质起到生理性骨质减少作用的是破骨细胞[15]。近几年的研究表明，在辐射早期，破骨细胞的数量和活性出现急性增高，这或许解释了辐射早期发生的骨质总量减少。然而，最近Oest等人在对小鼠进行的实验中，运用5 Gy大小的辐射剂量，分别在照射后1、2、4、8、12、26周，观察小鼠骨骼中破骨细胞数，发现在辐射早期的增高现象之后，破骨细胞数逐渐减少直至枯竭，26周之后破骨细胞数量仍然不能够恢复。值得思考的是破骨细胞作为骨骼重建的“拆卸师”与成骨细胞相配合，在外界机械作用力的刺激下，骨小板顺着应力方向生长排列，使得骨骼在生物形态学上能够承受的最大负重最优化。也许正是因为辐射后破骨细胞的长期缺失，骨骼的重建受到影响，骨小板的排列无法达到最佳生物形态结构，从而导致了皮质骨的硬度减小，骨折的发生率增高[16]。

另外，Green等人在对小鼠进行的试验中，运用5 Gy剂量的高线性转移( Linear Energy Transfer,LET)辐射后，与对照组相比，实验组新生骨基质的矿化程度，在辐射后10天减少达到3.2～5.8%,说明辐射引起的成骨细胞分泌的骨基质矿化减少可能是导致骨质减少的关键因素之一[17]。

4.2辐射性炎症辐射后，破骨细胞急剧增高的原因尚不明确，但辐射诱导的组织炎症反应可能是其原因之一。研究发现，小鼠在接受4 Gy的伽马辐射24小时之后，由于骨髓中的造血细胞死亡，中性粒细胞和巨噬细胞活性增加，参与死亡细胞的清除。同时发现肿瘤坏死因子(TNFα)和白介素-1β 含量增加，它们都能增强破骨细胞活性[18]。最近Swift等在对小鼠的实验中发现，在皮肤外伤存在的情况下，接受辐射120天之后，血清中反映破骨细胞数的TRAP 5 b 、成骨作用抑制因子骨硬化蛋白升高；辐射后30天内骨钙蛋白的代谢受到抑制。与对照组相比，在辐射和皮肤外伤同时存在的实验组中，股骨远端的骨小梁面积百分数、骨小梁数量和骨小梁厚度均发生显著的降低。另外，众所周知，外伤失血1小时后，炎症反应增强，而当发生创伤性失血的小鼠在接受辐射后，其骨质损失结果与上述受到皮肤外伤的小鼠相似[19-20]。可见炎症反应加强了辐射引起的骨质丢失，但其中的内在作用机制尚不明确，有待新的研究进一步探索。

4.3辐射性血管损伤有关辐射性骨质减少的研究发现，辐射后骨中血管发生闭塞性血管内膜炎，从而导致血管数量减少。在辐射早期，由于骨单元中血管腔内的内皮细胞发生肿大和空泡化，导致血管新生减少，最终导致结缔组织替代血管平滑肌填补于血管腔中。骨中血管形成减少，骨骼系统新陈代谢受到影响，从而导致骨生长受到损害[18]。

5 展 望

综上所述，宇宙环境中存在的宇宙辐射会导致宇航员的骨质总量减少，发生骨折的几率增加。除了辐射性骨细胞损伤、辐射性炎症和辐射性血管损伤外，是否还存在其它的致病机制？目前不同种类、较大剂量的辐射引起的骨质总量减少已经得到了广泛研究和证实，而宇航员在飞行时主要接受长时间、小剂量的辐射，这种辐射对宇航员的骨骼系统产生什么影响？机制又有哪些？宇宙辐射和失重对骨骼系统的共同影响有着怎样的机制？上述问题都有待于进一步的探索与研究。

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10.15972/j.cnki.43-1509/r.2017.03.027

2017-02-14；

2017-04-24

*通讯作者，E-mail: zsjiang2005@163.com.

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