地面模拟空间辐射的中药疗法研究新进展

周英钰,张 红,卢卫红,高振洪

(哈尔滨工业大学食品与工程系,黑龙江哈尔滨 150000)

地面模拟空间辐射的中药疗法研究新进展

周英钰,张 红,卢卫红*,高振洪

(哈尔滨工业大学食品与工程系,黑龙江哈尔滨 150000)

本文综述了宇宙空间辐射的危害,并探究防辐射药物的发展历程和作用机制。与盛行的化学类防辐射药物相比,天然药物以其安全无毒、成分多样、多途径、多靶点治疗疾病的特点而被重视。本文综合国内外对地面模拟空间辐射的治疗,对中药进行论述,主要对其功能和不同类型的化学成分进行总结和分类。为抗辐射药物方面的研究提供了依据,并在一定程度上从保障宇航员健康的层面推动航天事业的发展。

空间辐射,防辐射,中药,分类

空间科学对于社会的发展进步有着不可或缺的地位,一个国家的航天技术和空间活动表现出其综合国力,并对其他如医疗保健、新能源开采利用、机械自动化等科学领域具有重大的带头作用,故而注重空间活动的安全是世界各国在趋于长期布局,中长期计划衔接过程中的共同趋向[1-2]。为了发挥我国传统中药的优势,来开发可供空间应用、感官满意度高、可长期服用并控制释放的药食同源功能性食品和无痕添加剂,探究中药防辐射的作用机理、发掘其良好的理化性质、纯化其有效化学部位、做相应的药理毒理研究至关重要,并可以采用模拟移动床技术对构效明确的制剂进行中试放大,从而来实现成果转化[3]。进而对在轨飞行提供医疗支持,为有人月球基地任务提供空间后勤保障。同时也可扩展到相关的民用,如日常生活和医疗电磁波辐射防治、灾后应激的心理恢复等。由于空间辐射实验成本高、造模困难、工作人员职业素养要求高,故而较少的文献探究空间辐射的防治,本文以地面模拟空间辐射作为主要的论述材料进行分析佐证,来探究中药防辐射的作用机理并进行相应分类。

1 空间辐射的危害及防治机理

宇宙空间辐射能破坏如核酸、脂类和蛋白质的生物大分子,从而引起宇航员机体的损伤,其中以核酸损伤最为明显。Song Y等人以幼年的鲑鱼为实验动物,发现地面模拟空间辐射会造成氧化应激、代谢障碍、细胞编程死亡、DNA损伤和氧化磷酸化波动等不良影响[4]。除此之外,辐射还易导致免疫细胞和器官的损伤和退化[5],使得免疫细胞亚群的剂量依赖性损失[6],从而引起生物体肠道病变[1，7]和皮肤表皮细胞层组织的超微结构损伤[8],严重时可致癌[9]。由于水约占人体重的50%～75%,受到辐射后会产生大量的自由基[10],发生过氧化反应后导致细胞功能的紊乱,Berovic N等人通过蛋白质的辐射损伤和恢复过程的定量分析表明,水是常温下使酶破坏的主要因素[11],其作用机制是自由基介导的过程[12]。故而抑制自由基和脂质的过氧化反应,提高免疫细胞存活率和数量,保证免疫器官的正常功能,是目前预防和治疗辐射损伤的主要途径。

2 国外空间辐射治疗概况

利用模式生物探究空间辐射的危害、作用机理和防治药物靶点,有助于解决空间生存中重粒子辐照的危险并有助于形成先导化合物,是目前国际上研究空间辐射治疗的主要方式。模式生物通过空间搭载及在宇宙空间站饲养等方式被研究,并通过低成本地面模拟空间条件的实验来对空间辐射进行猜想、预防、治疗和内在联系的研究。

现在所研究的防辐射药物主要包括硫胺类化合物,杂环化合物,激素,金属鳌和剂,细胞因子,维生素,有机磷化合物等。此外,美国国家航天生物医学研究所辐射效应组还推荐的半胱氨酸和半胱胺,并采用了乳突贴敷的方法防止药物的突释,延长了其药效时间,但长期使用化学药物必定会对人们的身体健康产生一定的副作用,如一定程度的依赖性和慢性疾病的发生[13]。而我国特有的药食同源成分正好可以在此发挥优势,不仅可以进行神经调节,干预细胞代谢,而且无毒副作用,安全性高,其作用机制通常是诱导机体自身产生的免疫能力和适应性从而提高机体抵御辐射损伤的能力[14-15]。

3 防辐射中药的有效成分的作用机理

天然药物以其固有的优势逐渐被研究者重视[16]。大量实验已证实中药具有防辐射功能,如苞叶雪莲、灵芝、当归、大豆、枸杞等都有一定的治疗和预防辐射损伤的作用[17]。已经发现的天然药物中抗辐射活性成分有多糖类(如枸杞多糖、当归多糖、灵芝多糖、刺五加多糖)、皂苷类(如人参皂苷、三七皂苷)、多酚类(茶多酚、香草多酚、葡多酚)等[18]。为了进一步探讨空间辐射损伤的机制和治疗,国内外探究了多种对地面模拟空间辐射损伤治疗的中药活性成分,其效用主要体现在激活通路,产生有益细胞因子,保护核酸免受侵袭,防止由免疫缺失引发的各种并发症的产生,阻碍由于细胞过氧化导致的细胞衰亡和癌变,并增强免疫力[15]。本文也就此加以总结分析。

3.1 作用于代谢通路和细胞因子

很多中药中主要成分的作用机理在于激活相应机体代谢通路,从而产生有益细胞因子、激素、蛋白质受体等,进而对地面模拟辐射损伤进行治疗。多糖类效用物质是国内外研究较为广泛的一类分支,例如我国东北地区生产的刺五加,其主要活性物质是刺五加多糖,能引起Bax基因的表达上调,Bcl-2表达下调,通过激活ERK和p38通路诱导增强小鼠腹腔巨噬细胞功能[19]。同时也能与淋巴细胞表面TLR4受体结合从而减少前炎性细胞因子的分泌,直接影响T淋巴细胞内cAMP(环磷酸腺苷),cGMP(环鸟甘酸)等信号分子浓度,提高NF-KB通路活性。可见刺五加多糖可通过调节免疫细胞相关通路和细胞因子来影响肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等细胞因子的浓度,抑制由免疫缺失引发辐射损伤。而枸杞中的主要有效成分枸杞多糖则可以激活转录因子NFAT和AP-1,提高CD25的表达,并诱导IL-2和IFN-γ的基因转录和相应蛋白的分泌,从而增强T淋巴细胞的活性抵抗外界不良因素[20]。再比如,TLR4是灵芝多糖的指定受体,可以介导的巨噬细胞中TNF-α,IL-1β和IL-12p70,单核细胞(PBMC)、上皮内淋巴细胞(IEL)和淋巴集结淋巴细胞(PPL)内IL-2,IL-10等细胞因子的产生和CD86,MHC II类分子的表达,从而增强其抗地面模拟辐射的功能。除此之外,黄酮类和皂苷类活性物质在激活机体代谢通路上也有很大作用。例如黄芪总黄酮可以通过上调Bax和HO-1,下调Bcl-2和Caspase-3等细胞因子来抑制氧自由基的形成和促进辐射损伤细胞组织的修复[21]。而人参中的多种皂苷也能产生类似的积极作用,人参皂苷Rg3就可以通过抑制NF-0202B的活性和NF-0202B调节的基因产物,从而抑制由辐射引起的肿瘤的恶化[22]。Rb1可以上调血清中的IL-2、IL-4、IL-10、TNF-α和INF-γ,来抵抗外界辐射。Rg1则可以诱导增强由巨噬细胞产生的IL-1,并使T、B淋巴细胞产生的IL-6,提高免疫细胞数量和活性来增强生物体免疫力以达到防辐射的目的[23]。可见中药活性物质的作用机制在于可产生多种干扰素、细胞因子和抗体来平衡细胞免疫和体液免疫并且增加巨噬细胞吞噬能力和杀伤力,保护外周血细胞和骨髓中白细胞,促进机体胸腺及脾效用细胞的生长分化,从而抵抗辐射损伤[24-25]。

3.2 保护核酸并且增加骨髓造血干细胞造血能力

机体遭受到辐射损伤时,最早受到影响的当属造血系统,故而维持造血系统的正常工作是辐射治疗的第一步,很多中药对于生物体的造血系统都有保护作用。大枣作为“五果”之一,还是天然维生素丸,其有效成分为大枣多糖,可以抗癌防癌、降血压胆固醇、保肝护肝、补气养神,并且具有促进造血的功能,对气血双虚有显著疗效[26-27]。黄芪中的黄酮,大豆中的大豆异黄酮,苞叶雪莲和灵芝中的多糖等也是提高机体造血能力的主要有效成分,对辐照后人体骨髓间充质的细胞具有保护作用,并可提高细胞存活率,对于提高损伤小鼠的骨髓细胞DNA含量、降低骨髓细胞微核率和精子畸变数,增加骨髓细胞集落和成纤维细胞集落的生产率有显著疗效,其抗突变和防辐射效果多与中药提取物的浓度含量成正比[28]。除此之外,皂苷可使X射线诱发的染色体畸变率、细胞畸变率明显降低,主要作用于骨髓造血组织,通过促进细胞组织的造血功能及免疫细胞从骨髓的外周释放的能力,来阻碍小鼠外周血核酸损伤和抑制微核的形成,邹丹等人发现三七皂苷可以提高小鼠血红蛋白、计数白细胞、血小板、骨髓有核细胞数还可以增加造血祖细胞、造血干细胞的集落产率[29]。陈锡文等用X射线全身照射小鼠后连续7 d注射三七总皂苷,发现给药组小鼠的外周白细胞、红细胞、骨髓有核细胞数、胸腺系数和脾脏系数均高于对照组,说明三七皂苷可以参与保护辐射后小鼠的造血系统,以达到防辐射的功效[30]。

3.3 免疫作用

机体的免疫系统是抵抗外界不良因素的敏感系统,多篇地面模拟空间辐射的报道中也主要研究中药对于机体免疫的影响。如枸杞多糖灌胃后的小鼠相比于对照组,外周血白细胞数、吞噬细胞和骨髓造血干细胞形成集落数会明显增加,微核率也有一定程度的下降[31-32]。这表明枸杞具有抗模拟辐射损伤作用,可以增强其免疫器官和细胞的活性,抵抗外界不良因素,从而延长生物体存活时间和机体内在指标的稳定。近年来,当归多糖的抗辐射功效也开始被挖掘,且不同结构的当归多糖防辐射效果不同,其中,中性糖支链表达产物在半乳糖醛酸聚糖主链的调节作用下具有较强功能,对增加损伤小鼠的外周血白细胞和脾淋巴细胞数有显著作用,可通过升高生物体内辐射肺损伤指标TNF-α的含量实现其防辐射功效[33-34]。除此之外,大枣多糖也能增强淋巴细胞、白细胞的免疫能力,调节和干预细胞因子,控制细胞的生长、分化、代谢和衰老,从而增强机体免疫功能[26]。而红景天中的主要效应成分红景天苷则可以提高机体对抗各种来自化学、生物或物理因素的刺激来增强免疫力,可以有效的抑制氧自由基,增加外周血细胞的数量并加强造血干细胞的生长分化能力,降低免疫细胞和器官的损伤程度,对模拟辐射损伤的机体有一定的修复作用。

3.4 抗氧化效用

4 展望

随着社会的发展进步,航天事业的飞速发展,作为空间飞行环境重要环境因素之一的粒子辐射,是宇航员身体健康的隐形杀手,危害着人体各系统的正常运作。故而构建空间环境损伤营养需求数据库与长效保障机制是长期在轨飞行以及登月计划的迫切需求。但是对于防辐射领域,人类的研究涉足尚浅,主要停留在化学药物研发和物理阻隔等方面。与化学药物相比,中药和天然产物具有安全无副作用、多组分、多靶点等优势,通过控制机体内有益细胞因子、干扰素和基因产物从而激活抗氧化和免疫的通路达到平衡特异性免疫和非特异性免疫的目的,从微观上的激素调节、修复核酸、促进蛋白表达到宏观上提高生物体寿命、体重、进食量等方面起到抗辐射的作用,在开发相关药物方面有很好的前景。但是现在所进行的地面模拟空间辐射的研究主要是离体实验,不能全面的描述由于空间辐射带给生物体的损伤,更不能很好的进行相应的防护措施和药物研发。故而除了地面模拟空间辐射的研究,由于空间环境的复杂性,更要建立相应的空间辐射损伤模型,依据模式生物所在航天器或者空间站受到的损伤来对应有效物质单体或复合物,筛选具有修复作用的药效成分,除了进一步探究空间辐射环境下控制药物突释的方法和生物体内药物代谢的规律,还要在个体、细胞、蛋白、基因、代谢的不同层面进行病理变化预警和营养需求的研究,构建相关的数据库、蛋白质组和基因芯片。发挥我国既是中药又是食品的药食同源中药的优势,以其安全、感官满意度高、可长期服用并控制释放的特点,来开发可供空间应用的功能性食品和添加剂。我们更应在地面模拟的科研基础之上,拓展思路、寻求突破,整合现有的资源与力量,针对航天事业发展的重大需求、追踪国际航天医学的前沿问题展开分析与研究,做一些必要的预研,提出行之有效的解决方案,为尽快提升我航空兵战斗力,圆满完成中长期载人航天生存保障任务做出贡献。

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Advances in treatment for simulated space radiation of Chinese traditional medicine

ZHOU Ying-yu,ZHANG Hong,LU Wei-hong*,GAO Zhen-hong

(College of chemistry and chemical engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150000,China)

The harm of space radiation and the mechanism of anti-radiation drugs are summarized in the paper. Compared with the popular chemical drugs,natural medicines become increasingly recognized on their characters of low toxicity,diverse composition,various ways and multi-target. In order to discuss the treatment of such disease which causes by ground simulated space radiation,the importance of exploring the classification,physicochemical properties and anti-radiation function of edible traditional Chinese medicine should be emphasized,which can provide a basis for the study of anti-radiation drugs and promote the development of aerospace industry by protecting the health of astronauts.

space radiation;anti-radiation;Chinese tradition medicine;classification

2016-08-22

周英钰(1993-)，女，硕士研究生，研究方向：极端环境与空间营养学,E-mail：18045117047@163.com。

*通讯作者:卢卫红(1970-)，女，博士，教授，研究方向：极端环境与空间营养学,E-mail：lwh@hit.edu.cn。

哈尔滨市优秀学科带头人项目(2013RFXXJ042);载人航天领域预先研究项目(040102);载人空间站工程应用项目(01-1-08)。

TS255

A

1002-0306(2017)05-0371-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.05.062