失重性骨丢失的药物防护综述

袁国栋 1，2，李玉恒 1，凌树宽 1，许 斌 3，赵建宁 3，李英贤

(1.中国航天员科研训练中心航天医学基础与应用国家重点实验室，北京 100094；2.东南大学医学院，南京 210009；3.东部战区总医院骨科，南京 210002)

1 引言

航天飞行中，为安全高效地进行太空探索和研究，充分了解长期暴露于太空环境对航天员健康的影响并进行干预至关重要。失重可引起人体内环境稳态的失衡，可能导致多系统功能紊乱，包括骨丢失，肌肉萎缩，钙和钠代谢异常等现象。当进行舱外活动或操纵大型精密的器械设备时，对航天员的身体状态有着苛刻要求。随着航天飞行时间的增长，航天员发生骨质疏松性骨折的风险也逐渐增加，骨丢失在人类进入太空后数天便开始发生。未来长期载人航天飞行，如果不对失重性骨丢失进行有效防护，人类对宇宙的探索将会受到阻碍。目前，物理锻炼仍是防护失重性骨丢失的主要措施，而同时使用药物干预可以达到更佳的防护效果。近年来越来越多的药物研究陆续开展，部分药物也已经应用于航天飞行。本文总结归纳防护失重性骨丢失的药物，并对其作用机制进行阐述，以期为中国制定综合防护失重性骨丢失的战略规划方案提供参考。

2 航天环境中的骨代谢

在航天飞行中，失重状态使骨吸收增加，骨形成减少，肠道钙吸收减少，继而导致承重骨(如股骨，胫骨和椎骨)骨密度和骨量下降，而颅盖骨趋于增厚。LeBlanc对俄罗斯和平号空间站(Mir)上的18名航天员进行双能X线吸收法测定(Dual-emission X-ray Absorptiometry，DXA)扫描，发现脊柱、股骨颈、股骨转子和骨盆的骨密度(Bone Mineral Density，BMD)平均每月下降1%～1.6%，明显高于原发性骨质疏松症BMD的下降速度(每年0.5%～1%)。失重环境下成骨细胞的分化受到抑制，调节成骨细胞分化的重要转录因子Runx2对骨形态发生蛋白2(Bmp2)刺激的反应性降低。另外，失重状态能够激活NF-κB信号通路，使Rankl/Opg比值上调，促进破骨细胞分化并增强破骨细胞功能，从而使骨吸收增加。这与雌激素缺乏性骨质疏松症的发病机制不同，其骨吸收增加的同时骨形成亦有增加，但后者不足以代偿过度的骨吸收。

3 失重性骨丢失防护药物

3.1 已应用于航天飞行中的药物

3.1.1 维生素D和钙剂

在太空中航天员体内游离Ca增多，肠道钙吸收减少。维生素D是维生素D和维生素D的总称，人体内维生素D主要由皮肤中7-脱氢胆固醇经日光中的紫外线照射转化而来，在肝脏和肾脏中经生物转化成具有活性的1，25(OH)D。小肠是维生素D的主要靶器官，1，25(OH)D可促进小肠黏膜钙结合蛋白的合成，参与钙的转运，促进钙的吸收。临床研究发现，同时补充钙剂和维生素D可降低骨质疏松性骨折的风险。Bikle等研究发现，骨骼无承重的3种状态(航天飞行、卧床、动物尾吊模型)下1，25(OH)D合成减少。动物实验研究表明外源性1，25(OH)D可以防止小鼠尾吊所致的骨丢失，使小鼠的骨密度升高，并改善血清骨钙素和ALP水平。但也有研究报道单独补充钙剂并不能防止失重性骨丢失的发展，因此，是否钙剂和1，25(OH)D的联用能够预防失重性骨丢失还有待进一步的研究。

3.1.2 维生素K

维生素K是γ-羧化酶的辅酶，在γ-羧基谷氨酸的形成过程中起着重要作用。γ-羧基谷氨酸是骨钙素发挥正常生理功能所必需的氨基酸，具有提高骨量的作用。人体内维生素K含量低时，骨钙素不能完全羧化，因此未羧化骨钙素(ucOC)可用于评估维生素K的功能状态。Augusseau等、Vermeer等研究报道在Mir上的两名航天员血清中的ucOC浓度明显上升，且在执行任务过程中一直维持在较高水平，而其中一位航天员服用维生素K后ucOC浓度明显降低。Smith等发现在国际空间站(ISS)上工作4至6个月的11名美国航天员血浆中维生素K浓度下降了42%。Iwasaki等则发现饮食维生素K可以维持尾吊小鼠的骨小梁结构和骨量。与上述研究结果不同的是，Zwart等发现在ISS工作了2～6个月的航天员血浆维生素K浓度与飞行前相比没有明显变化。此外，在3个独立的卧床试验(卧床21～90天)和14天的饱和潜水试验中，受试者血浆维生素K，尿γ-羧基谷氨酸和血清ucOC浓度在实验前后都无明显差别。由于目前相关的太空研究及其所参与的航天员数量有限，补充维生素K是否能够有效防护失重性骨丢失还有待进一步证实。

3.1.3 双膦酸盐

双膦酸盐是临床上使用最广泛的抗骨质疏松药。Leblanc等报道在17周的卧床实验中，8名男性受试者在卧床期间每日口服阿仑膦酸钠，另外13名受试者不服药作为对照组，研究发现服用阿仑膦酸钠可有效改善骨密度。在随后开展的太空研究，在ISS上平均工作了5.5个月的7位航天员在飞行前3周开始口服阿仑膦酸钠，并在整个飞行过程中持续服用，且所有航天员可在空间站通过高级抗阻力锻炼装置(Advanced Resistive Exercise Device，ARED)进行锻炼。研究结果发现服用阿仑膦酸钠配合ARED锻炼可以减轻多项因长期太空飞行所致的骨骼生理指标下降。但是，在某些情况下双膦酸盐类药物可能会引起不良反应，比如胃肠道反应以及下颌骨坏死等，因此有学者认为在长期的太空飞行中，双膦酸盐并不是防护失重性骨丢失最理想的选择。

3.2 具有潜在治疗效果的药物

3.2.1 蛋白类药物

1)骨保护素(Osteoprotegerin，OPG)。骨保护素是一种分泌型糖蛋白，属于TNF受体超家族成员，可与Rankl结合，竞争性拮抗Rank和Rankl相互作用，从而抑制破骨细胞分化和骨吸收活性。早期地面动物实验报道OPG可防止小鼠尾吊所致的骨强度和骨量的减少。OPG-Fc是小鼠内源性OPG类似物，Lloyd等发现飞行前对小鼠进行OPG-Fc给药可以有效防止失重性骨丢失。在这项研究中，研究人员将小鼠分为3组:基线组、太空飞行组(SF)和地面对照组(GC)。SF和GC组中各一半小鼠皮下分别注射OPG-Fc和磷酸盐缓冲液(Phosphate Buffer Saline，PBS)，研究发现SF/OPG-Fc组小鼠的骨体积分数(BV/TV)相比SF/VEH组(注射PBS)或GC/VEH组增高；另外，与SF/VEH组相比，SF/OPG-Fc组小鼠血浆中TRAP5b浓度较低，提示OPG-Fc能够抑制破骨细胞的分化而抑制失重性骨丢失。

2)甲状旁腺激素相关蛋白(PTHrP)。PTHrP表达于骨、皮肤、甲状腺、心脏等组织，其空间结构、活性都与甲状旁腺激素(PTH)类似。临床上常用的特立帕肽便是一种PTHrP类治疗骨质疏松的药物，临床研究显示，与安慰剂组相比，特立帕肽治疗可大大降低椎体骨折风险，并可降低新发椎体骨折的发生率，增加腰椎、股骨颈的骨密度。Torday等研究发现在太空中飞行两周后，大鼠股骨和胫骨中PTHrP含量比地面对照组低60%，而颅盖骨没有差异。为了进一步研究PTHrP在失重性骨丢失中的作用，Camirand等把从PTHrP的基因敲除小鼠(

Pthrp

)和野生型小鼠(

Pthrp

)颅盖骨和小梁骨中提取的成骨细胞(COs和TOs)送上太空。经过6天至6周的太空飞行，

Pthrp

COs和

Pthrp

COs的凋亡率没有明显差异，而

Pthrp

TOs凋亡率相较

Pthrp

TO明显增高。另外，给予小鼠外源性PTHrP(重组PTHrP蛋白)可缓解长期暴露于失重环境对TOs的有害作用，这说明PTHrP类药物有潜力防护失重性骨丢失，不过需要开展太空试验进一步验证。

3)骨硬化蛋白抗体。由SOST基因编码的骨硬化蛋白是Wnt通路的抑制因子，也是骨形成的重要负调节剂，在调节骨对机械负荷的反应中起关键作用。SOST基因与骨质疏松的发生关系密切，Yerges等研究了65岁以上美国白人男性374个骨代谢候选基因的2722个SNP与股骨骨密度的相关性，发现SOST基因上游的rs1230399与股骨骨密度相关最显著。Blosozumab是人工合成的Ig4型的单克隆骨硬化蛋白抗体，一项随机双盲安慰剂对照的2期临床试验表明，Blosozumab能够提高脊柱、股骨颈及髋骨的骨密度，且有剂量依赖性。Morse等研究发现，在小鼠中敲除SOST基因，一方面可以缓解由于机械负荷减少引起的骨丢失，另一方面在机械负荷增加后能够促进骨形成。Li等、Spatz等研究发现骨硬化蛋白抗体(SclAbII)可以抑制部分负重小鼠、去卵巢(OVX)大鼠骨量和骨密度的降低。另外，有研究发现卧床和太空飞行过程中人体内骨硬化蛋白水平都有明显升高，未来可进行骨硬化蛋白抗体的太空研究，以观察其对失重性骨丢失的治疗效果。

4)肌肉生长抑制素(MSTN)/激活素A(activin A)拮抗剂。MSTN和activin A都是TGF-β家族成员，可通过与激活素受体ACVR2A和ACVR2B结合启动下游信号而影响成骨细胞和破骨细胞活性。MSTN主要功能是抑制成肌细胞的增殖，是肌肉生长发育的负性调控因子，有文献报道MSTN信号的抑制参与了低强度脉冲超声波(Low-intensity Pulsed Ultrasound，LIPUS)抑制去卵巢和尾吊大鼠骨丢失的过程。激活素A抑制剂ACE-011可以竞争性抑制activinA与内源性受体的结合而阻断下游信号，ACE-011的临床试验表明，ACE-011可以提高绝经后妇女骨密度，迅速、持续诱导血清骨吸收标志物CTX下降。Lee等构建了MSTN基因敲除的小鼠(

Mstn

)，研究发现太空中的

Mstn

小鼠的肌肉质量约为野生型小鼠的2倍，给予小鼠MSTN/activinA抑制剂ACVR2B/Fc注射，可明显改善地面和太空中小鼠的骨密度。另外，ACVR2B/Fc还可以促进小鼠回到地面后肌肉质量和骨密度的恢复。由于MSTN/activin A拮抗剂或许能同时减轻太空飞行过程中的骨丢失和肌肉萎缩，与其他仅针对失重性骨丢失的药物相比可能有着更大的应用前景。5)鸢尾素(Irisin)。航天飞行中骨质疏松和肌肉萎缩常常同时发生。骨骼肌对骨骼发育至关重要，为了适应肌肉施加的机械负荷的变化，骨骼的质量和结构也会发生相应改变。人体运动后骨骼肌细胞会产生一种名叫鸢尾素的肌动蛋白，临床研究发现老年男性血浆中鸢尾素水平与骨密度呈正相关。Colaianni等发现鸢尾素可以延缓尾吊小鼠骨质疏松和肌肉萎缩的进展，在机制研究上，Chen等报道鸢尾素通过上调β-Catenin表达而促进成骨细胞分化。在一项太空研究中，Colucci等设计了3种共培养方案:成骨细胞(OB)/破骨细胞(OC)/内皮细胞(EC)、OB/OC和OB/EC。结果发现在太空组中，3种共培养体系中成骨细胞分化重要的转录因子

Runx

2，

Osterix

，

Atf

4和反映成骨细胞功能的分子

Collagen I

的表达都有显著下降，而在鸢尾素处理后上升。这说明鸢尾素在失重环境下可促进成骨细胞分化，增强成骨细胞的活性。

3.2.2 小分子药物

1)脂肪酸ω-3。膳食中的ω-3脂肪酸多为不饱和脂肪酸如二十碳五烯酸(EPA)，临床研究发现长期有氧运动训练和ω-3脂肪酸的摄入对绝经后骨质疏松症患者骨密度的改善具有协同作用。Zwart等研究发现EPA不仅可以抑制Rankl诱导的RAW264.7细胞的分化，还能够阻遏TNF-α刺激或模拟微重力所致的NF-κB信号通路的激活。另外，卧床过程中摄入更多的ω-3脂肪酸可使尿I型胶原氨基端末肽(N-terminal telopeptide of type I collagen，NTX)下降，提示ω-3脂肪酸摄入抑制了骨吸收。在随后的太空试验发现，在短期太空飞行后航天员外周血单核细胞中NF-κB p65表达上升，提示NF-κB信号通路的激活。鱼肉中含有丰富的ω-3脂肪酸，上述研究还发现航天员在太空中进食更多的鱼肉可缓解航天飞行后的骨密度下降，这一发现对制定科学的航天员饮食方案有较大参考价值。

2)3-羟基丁酸(3HB)。聚羟基丁酸(PHB)降解产物3-羟基丁酸是酮体的主要成分，在许多生理活动中起着重要作用。3HB可以促进小鼠成骨细胞系MC3T3-E1的分化。动物实验发现3HB可以抑制小鼠卵巢切除引起的骨丢失。Cao等研究发现3-羟基丁酸及其衍生物亦可防护失重性骨丢失，进一步机制研究表明3-羟基丁酸抑制了

Nfatc

1去磷酸化以及核异位从而抑制了破骨细胞分化。

3.2.3 单体药物

酚类化合物是天然抗氧化物，多项研究发现从自然植物中提取的酚类化合物如白藜芦醇，姜黄素和多酚可有效缓解模拟微重力造成的骨丢失。梅干中富含维生素K以及酚类化合物，多项临床研究表明每日食用梅干可预防妇女绝经后骨质疏松，梅子粉饮食也可有效缓解小鼠尾吊造成的骨丢失。这些结果提示富含酚类化合物的食物或许可作为航天食品的选择。

3.2.4 小核酸药物

失重环境下miRNA表达会发生改变。Mangala等运用NASA研发的HARV生物反应器模拟微重力培养TK6人淋巴细胞72 h，结果显示在模拟微重力条件下miR-150、miR-34a、miR-423-5p、miR-22、miR-141、miR-618和miR-222表达明显改变。Wang等发现在尾吊小鼠骨骼组织中miR-214表达明显上升，miR-214通过靶向ATF4 3’UTR抑制其翻译水平，进而抑制成骨细胞的功能，抑制骨形成。另一方面，miR-214抑制剂治疗能有效缓解尾吊所致的骨丢失。miR-214在破骨细胞分化过程中表达明显升高，其通过靶向Pten调控Pten/PI3k/Akt信号通路从而促进破骨细胞的功能。破骨细胞能够分泌包含miR-214的外泌体，并通过Ephrin A2和Eph A2的相互作用识别成骨细胞，转运进入成骨细胞抑制成骨细胞的功能。上述结果表明，miR-214抑制剂有望应用于治疗失重性骨丢失。

3.2.5 中药

很多中药如淫羊藿苷、黄芩、生姜总黄酮对失重性骨丢失具有防护作用，这些研究均是在动物模型中进行验证，但缺乏航天实验数据。随着中国空间站建成，可开展相应研究，以证实中药防护失重性骨丢失的有效性，从而制定出有中国特色的防护失重性骨丢失药物方案。

3.3 其他

3.3.1 褪黑素

在轨飞行中，航天员的生物钟会严重紊乱。褪黑素是松果体分泌的一种胺类激素，一般在黑暗中合成，因而其血液浓度存在昼夜节律性。有文献报道对松果体进行外科消融后，在大西洋鲑鱼，雏鸡和大鼠中观察到了脊柱畸形。Amstrup等临床研究表明，服用褪黑素可以改善妇女绝经后的骨质疏松症状，增加股骨颈骨密度。Ikegame等报道褪黑素可能成为预防太空飞行中骨质丢失的潜在药物。研究人员将再生的金鱼鳞片作为研究太空飞行中骨重塑模型，在早期地面实验已经发现在金鱼鳞片系统中使用褪黑素可以抑制破骨细胞活性，现阶段实验发现，在太空中破骨细胞骨吸收活性显著升高，褪黑素合成减少，而经过褪黑素处理后破骨细胞骨吸收活性明显下降，进一步研究发现褪黑素是通过上调降钙素的表达水平而抑制了破骨细胞活性，从而防止了骨质流失。

3.3.2 氢分子

氢分子有抗氧化、抗炎、神经调节等诸多生理功能，临床上有广泛应用。临床研究发现连续8周饮用富氢水0.9 L/d可明显降低2型糖尿病患者血低密度脂蛋白与8-异前列素的水平，并使糖耐量受损的患者糖耐量明显改善。一项类风湿性关节炎的临床研究中，饮用富氢水的患者尿液中的8-羟基脱氧鸟嘌呤显著下降，C反应蛋白水平明显降低，类风湿性关节炎症状也得到改善。Sun等研究报道氢分子可有效防护失重性骨丢失，体外细胞实验发现富氢培养基不但可以抑制Rankl诱导的RAW264.7细胞的分化，并能缓解模拟微重力所致的MC3T3-E1分化的抑制和ROS的产生。体内实验表明饮用富氢水减轻了尾吊引起的大鼠股骨和腰椎骨密度下降，说明氢分子能够抑制失重性骨丢失。不过鉴于富氢水还未开展骨质疏松相关的临床试验，其安全性和有效性有待进一步确认。

3.3.3 其他潜在治疗靶点

随着对失重性骨丢失机制研究的不断深入，研究发现了越来越多新的治疗靶点，如Wnt通路抑制因子Dkk2、连接蛋白43(Cx43)、水通道蛋白-9(AQP9)、碱性调宁蛋白 h1(CNh1)、酪蛋白激酶2相互作用蛋白1(CKIP-1)等。这些研究中都构建了基因敲除的模式动物，并发现敲除上述基因均可缓解失重性骨丢失。但是，由于缺乏上述分子的抑制剂的临床实验数据和相应的在轨研究，上述基因是否可以作为防护失重性骨丢失的靶点还有待进一步验证。

4 结语

航天员中长期驻留的生命健康保障是航天医学面临的巨大挑战。目前，只有维生素D和钙剂、维生素K及双膦酸盐类药物已应用于航天飞行，有潜在治疗效果的空间药物研究尚不充分。国际上应对失重性骨丢失还未有完善的综合防护策略，未来应开展有关失重性骨丢失的空间药物研究，以制定安全有效、切实可行的失重性骨丢失综合防护措施。