空间多环境因素对机体的复合生物学效应研究进展

徐 颖， 周光明， 胡文涛

(苏州大学苏州医学院放射医学及防护学院放射医学与辐射防护国家重点实验室，江苏省高校放射医学协同创新中心， 苏州 215123)

1 引言

航天员在太空进行研究活动时不可避免地面临恶劣的环境因素，包括微重力、弱磁场、不同于地球环境的昼夜节律、空间紫外线和电离辐射、幽闭环境、有害气体和噪音等。

太空环境中的重力大小约为10～10G，通常称为微重力状态。 国际空间站(International Space Station，ISS)为各种微重力科学研究提供一个长期稳定的环境。 空间电离辐射主要来源有3 类:银河宇宙射线(Galactic Cosmic Ray，GCR)、太阳粒子事件(Solar Particle Event，SPE)以及地球俘获带辐射(Trapped Radiation Belts，TRB)。 空间辐射具有低剂量、低剂量率、富含高能重离子(High Atomic Number and High Energy，HZE)等特点。

除重力和电离辐射之外，外层空间的磁场以及昼夜节律也与地球表面环境不同。 地磁场(Geomagnetic Field，GMF)强度约为50 μT，而外层空间磁场强度极低，称为弱磁场或亚地磁场(Hypomagnetic Field，HyMF/HMF，＜5 μT)。火星磁场(＜5 μT)、月球磁场(＜300 nT)和星际空间磁场(＜10 nT)等磁场均属于弱磁场。 地球环境下昼夜变化周期约24 h，而在外太空中，昼夜变化类型复杂多样。 为保障航天员的睡眠质量，保持与地球上相似的生物钟，通常需要采取光干预措施。

紫外线(Ultraviolet，UV)辐射是太阳电磁光谱的一部分，根据其波长可分为4 种类型，即UVA(320 ～400 nm)、UVB(280 ～320 nm)、UVC(100 ～280 nm)和EUV(10 ～100 nm)。 太空中UVC 辐射强度比地球上的要高，而在月球和火星表面UVB 辐射强度也超过了陆地生命的安全极限。

除上述空间环境因素之外，噪音、幽闭环境和有害气体等因素对航天员健康的影响也不容忽视。 此外，由于人体代谢和非金属材料脱气以及实验活动等产生的有害气体造成舱内空气污染，对人体可能产生致畸、致癌、基因突变等效应。

研究证明空间环境对生物体有不利影响。 航天员执行太空探索任务可能会引起基因调控和基因组完整性改变、线粒体功能障碍等分子细胞生物学变化，导致反映在整体水平的肌肉萎缩和骨质丢失、免疫失调、血管功能改变、认知能力下降等健康风险。 目前众多研究人员开展了单种空间环境因素对生物体影响的研究，但关于多环境因素的复合生物学效应的实验研究较为有限。 本文将对此方向最新研究进行综述。

2 微重力与空间辐射的复合生物学效应

目前空间环境的生物效应实验研究多以微重力和空间辐射两大空间环境因素为特征处理因素。 重力的变化会影响细胞的增殖、分化、信号转导和基因表达等功能，导致航天飞行过程中组织或器官水平的生理变化。 而微重力是否影响DNA 的损伤应答反应，取决于细胞类型和生长条件。 微重力对生物体的效应主要包括基因表达改变、染色体畸变、细胞凋亡、免疫抑制、心血管疾病、骨骼肌萎缩、骨质丢失等。

ISS 在约350 km 高空绕地球运行，其主要的辐射源是GCR，辐射水平为0.4 ～1.0 mSv/d，约为地面辐射水平的100 倍。 对于低地球轨道以外的探测任务，如月球和火星的探测，航天员将受到更多来自GCR 的影响。 此外，来自宇宙的初级空间辐射与航天器舱壁反应可以产生中子、X射线和γ 射线等次级射线，这种次级空间辐射比初级空间辐射更能有效地产生活性氧。 空间辐射会对机体产生基因毒性作用，如单链和双链DNA断裂、染色质结构的破坏、碱基的互变异构等，还能使机体发生氧化应激、免疫失调和中枢神经系统损伤等变化。

2.1 微重力与辐射复合作用在动物水平的研究

2.1.1 对骨骼的影响

空间微重力引起骨丢失和肌肉萎缩，目前有关微重力和空间辐射的联合作用对骨骼影响的研究正逐步开展，认为辐射或能加重微重力对骨骼质量的影响。

研究人员应用高传能线密度(Linear Energy Transfer，LET)的铁离子辐射(0.5 Gy 或2 Gy)和后肢去负荷(Hindlimb Unloading，HLU)模型研究二者联合作用对C57BL/6J 小鼠腰椎的影响，结果表明:辐射可能加速或加重由腰椎废用引起的骨强度降低，并部分阻止去负荷的适应性反应所致的松质骨微结构的恢复，引起骨骼完整性的丧失；较高剂量(2 Gy)可能会改变椎体内皮质松质骨的应力传递。 低LET 的质子照射(1 Gy)联合HLU 模型也可以降低C57BL/6 小鼠股骨和胫骨的骨强度和力学性能。 月面环境下的部分失重联合辐射也能影响骨骼的变化。 研究人员使用定制小鼠吊笼来模拟月面环境的重力状态，雌性BALB/cByJ 小鼠部分失重状态下接受低剂量、高LET 硅离子辐射(0.17 Gy 单次辐射，0.5 Gy 单次和分次辐射)，发现二者联合作用后通过减少骨形成和增加骨吸收对骨量的维持产生负面影响，骨形成反应下降与硬化素诱导的Wnt 信号抑制有关。

2.1.2 对神经系统的影响

微重力和辐射联合作用也能对神经系统产生影响，通常表现为拮抗效应。 在Long Evans 大鼠前额皮层(Prefrontal Cortex，PFC)和杏仁核中，微重力和辐射(3 Gy 的射线全身照射和1.5 Gy的碳离子头部照射)共同作用导致了它们对5-羟色胺(5-Hydroxytryptamine，5-HT)神经递质的拮抗效应且辐射作用占主导地位。 在PFC 中可观察到5-HT 代谢的抑制和去甲肾上腺素能神经传递的增强，二者变化程度能引起皮层神经元网络激活的适应性变化，可导致一些行为测试中学习参数的改善。 HLU 模型模拟的微重力和电离辐射(3 Gy 的射线全身照射和1.5 Gy 质子头部照射)也在雄性Wistar 大鼠的心理情绪状态和认知能力方面起到拮抗作用，这与PFC、海马体和下丘脑中单胺类物质含量变化有关。

鉴于以上结果，研究人员深入研究微重力和辐射联合作用下单胺类物质的变化，发现大鼠PFC、海马体和纹状体中 5-HT 和多巴胺(Dopamine，DA)转换率发生改变，这可能使微重力和辐射单独作用时产生的不良影响减少，如恢复大鼠的运动、自主行为和探索行为以及受损的长时语境记忆，并推测PFC 中的5-HT 受体5-HT和海马体中的DA 受体D参与其中。 暴露于微重力和空间辐射联合作用下的大鼠神经系统再适应可对应于人类神经系统的改变。 辐射在性别、年龄、辐射类型、暴露时间和总剂量方面引起不同的神经系统反应，而微重力和辐射的联合作用对不同性别和年龄个体的神经系统影响仍不清楚。

2.1.3 对循环系统的影响

微重力和辐射联合作用也能对循环系统产生影响。 相对于HLU 的单独作用，雌性ICR 小鼠在2 Gy 的质子辐射联合HLU 作用后可导致其脾脏T 淋巴细胞和毒性T 细胞的数量显著减少，且T淋巴细胞的活化受到抑制，增殖能力显著降低。 C57BL/6J 小鼠在50 cGy 质子辐射联合HLU 处理后其视网膜中的内皮型一氧化氮合酶(endothelial Nitric Oxide Synthase，eNOS)水平显着升高，视网膜血管中的B 细胞计数显著降低，NK 细胞计数提高。 另有研究人员应用1 Gy的铁离子束照射(剂量率为10 cGy/min)和HLU(13～16 d)处理C57BL/6 小鼠，发现二者联合作用能够通过NOS 通路进一步损害腓肠肌供血动脉的内皮依赖性血管舒张功能，并对eNOS、黄嘌呤氧化酶和超氧化物歧化酶1 蛋白水平产生负面影响。

以上实验表明，复合作用能导致淋巴细胞和白细胞数量和功能下降，血管舒张功能受损，这可能导致航天员的免疫系统和心血管功能障碍。

2.1.4 对生殖系统的影响

微重力和辐射联合作用还能对生殖系统产生影响。 昆明小鼠在0.2 ～1 Gy 碳离子辐射联合HLU 作用下睾丸组织形态发生了变化，睾丸中生殖细胞凋亡增加。 剂量大于0.4 Gy 时精子发生受到显著抑制，睾丸组织DNA 损伤水平表现出一定的量效关系，而剂量为1 Gy 时微重力能够拮抗辐射诱导的睾丸组织DNA 损伤。 另一项研究也有类似发现。 相对于正常重力状态下，昆明小鼠暴露在0.4～1 Gy 的碳离子照射和HLU 模型模拟的微重力下，其精子、初级精母细胞和精原细胞明显减少。 微重力联合剂量在0.8 Gy 及以上的辐射可诱导Bax/Bcl-xL 比值显著上调，推测生殖细胞损伤加剧是因细胞线粒体凋亡途径引起的凋亡增加所致。 有研究应用HLU 联合碳离子辐射(0.25～2 Gy)作用于Swiss-Webster 小鼠，发现二者联合作用能增加小鼠生精细胞的凋亡、减少精子数、降低精子存活率及加重精子的DNA 损伤，而剂量为2 Gy 时提示微重力可能具有拮抗辐射诱导的生精细胞凋亡和精子DNA 损伤的作用。

以上结果提示微重力和辐射复合作用对雄性生殖系统产生诸多不利影响，精子DNA 损伤可能是导致男性在空间环境下生育力下降的潜在机制之一。 然而微重力和空间辐射对雌性生殖系统的复合效应研究尚未见相关文献。

2.2 机制研究

有研究人员从基因表达和表观遗传方面对微重力联合辐射致使细胞损伤的机制进行研究。 人成纤维细胞暴露于1 Gy 的碳离子辐射和3D 回旋器模拟的微重力处理后，细胞周期抑制基因ABL1和CDKN1A 的表达减少，细胞周期促进基因CCNB1、CCND1、KPNA2、MCM4、MKI67 和STMN1 的表达增加，这可能导致在细胞周期检查点未能实现阻滞，诱发DNA 损伤。 而相对于单独X 射线(1 Gy)照射的作用，X 射线联合微重力作用后未见细胞周期相关基因表达有明显变化。

有不少研究从细胞的凋亡和氧化应激方面来揭示微重力联合辐射引起的细胞损伤机制。 研究人员将小鼠神经元细胞暴露于慢性中子辐射(剂量率为0.2 mGy/d)后在随机定位机模拟的微重力下孵育，发现轴突有很强的回缩，早期和晚期凋亡细胞显著增加。 模拟微重力和慢性辐射在晚期凋亡诱导方面存在协同效应，轴突的长度和面积明显减少，对轴突的生长、细胞存活和信息传递产生负面影响。 同样地，旋转壁容器模拟的微重力增加了碳离子辐射(0.2 ～0.8 Gy)诱导的人B淋巴母细胞HMy2.CIR 凋亡，进一步研究认为模拟微重力促进了辐射诱导细胞中活性氧的产生，导致生物大分子氧化损伤。 虽然近些年来越来越多科研工作者从不同方面对微重力联合空间辐射致细胞损伤的机制进行研究，但目前相关研究仍处于起步阶段。

2.3 存在的争议

微重力和空间辐射联合作用可以使细胞损伤加剧，如微重力联合锂离子(0～7 Gy)辐照能降低人宫颈癌HeLa 细胞的存活率；微重力联合氖离子辐照(0.5 ～5 Gy)可使人外周血淋巴细胞DNA 损伤程度加重。 然而二者在诱发染色体畸变(Chromosomal Aberration，CA)方面的相互作用一直存在争议。 RWV 模拟的微重力对X 射线或质子束(0 ～6 Gy)诱导的人淋巴细胞CA 没有影响。 但同时暴露于辐射(0.5 ～3 Gy 的X 射线或碳离子束)和回转器模拟微重力下的人成纤维细胞CA 增加；暴露于X 射线(1.5 Gy)和回旋器模拟的微重力下的人淋巴细胞CA 也增加了。

微重力和空间辐射联合作用在细胞损伤修复方面的效应也存在争议。 模拟微重力状态下，人淋巴细胞接受5 Gy 的γ 射线或0.5～5 Gy 的氖离子辐射后其DNA 损伤修复效率降低。 而在地面接受5 Gy 或10 Gy 的X 射线照射后的人成纤维细胞搭载STS-65 任务进入太空，在空间环境中，细胞的DNA 损伤修复与正常重力下的DNA修复效率无明显差别。

鉴于以上研究结果以及存在的争论，后续研究中应仔细考量辐射品质、生物样品甚至收样时间点对研究结果的影响，以期得到更为可靠的结论。

3 微重力与弱磁的复合生物学效应

地磁场提供了抵御太阳风或其他宇宙辐射的屏障，并防止氧气逃逸到星际空间，促使地球的生命进化，而在弱磁场环境下，失去了地磁场的保护，会触发多种生物效应。 HMF 能干扰生物体多种功能，包括基因表达、个体生长、胚胎发育、人的学习和工作能力等，是一个不可忽视的空间危险因素。

随着月球和火星探索计划的启动，航天员在远距离的太空任务中不可避免地会暴露在弱磁场环境。 微重力和弱磁场的复合生物学效应研究主要集中于联合因素对小鼠和大鼠骨骼系统的影响。 研究表明平均磁场强度小于300 nT 的HMF可加剧HLU 雄性SD 大鼠的骨丢失，改变股骨生物力学特性，同时观察到股骨骨小梁有明显的RANKL(NF-κB 受体性活化因子RANK 的配体)表达和血清铁浓度升高。 RANKL 的高表达是骨丢失 的 主 要 原 因。 同 样 也 在 HLU 雄 性C57BL/6 小鼠中发现，平均磁场强度小于300 nT的HMF 促进了股骨的骨质丢失，对股骨生物力学特性产生负面影响，且小鼠血清、肝脏、脾脏和骨骼中铁的蓄积量明显高于单独微重力实验组和HMF 实验组。 推测是铁过载引起氧化应激反应，促使骨质丢失。

与HLU 联合GMF 后再负荷一段时间相比，HLU 联合HMF(B ＜300 nT)后再负荷组雄性C57BL/6 小鼠股骨和胫骨骨矿含量更低、股骨微结构和力学性能更差，胫骨失衡的骨重建恢复得更不理想，同时，血清、胫骨、肝脏和脾脏中铁含量更高。 小鼠经铁离子螯合剂甲磺酸去铁胺(Deferoxamine，DFO)处理后，其骨、肝和脾中的铁含量降低。 DFO 能显著减轻HLU 联合HMF 再负荷组小鼠微重力所致骨丢失，证实HMF 抑制微重力引起的骨丢失的恢复可能是由于铁调素Hepcidin表达增加和膜铁转运蛋白(Ferroportin，FPN)表达降低，而抑制铁蓄积恢复到生理水平。 以上实验揭示了HMF 在微重力作用后骨丢失恢复中所起的作用，其潜在作用机制可能是由于HMF 引起的生物节律和微量元素浓度的变化，导致生物体产生氧化应激反应，这为航天员骨丢失的治疗提供了新的视角。

另有少部分的研究是关于微重力和弱磁复合作用对组织介电特性的影响。 雄性SD 大鼠在HLU 作用4 周后其腓肠肌的介电特性没有显著变化，而强度小于300 nT 的HMF 单独作用可使导电率增加。 同时研究发现HLU 和HMF 的联合作用对腓肠肌介电特性的影响比二者单独作用时都要小，而不是简单的相加关系。 HLU 和HMF 单独或联合作用对雄性SD 大鼠脾脏、全血和睾丸的介电特性产生不同的影响，其变化程度因组织不同而异。 这些实验提示空间环境下生物组织的介电特性与正常情况下不同，值得进一步研究，从而扩展空间环境中航天员生理病理的检测和监测应用。

4 其他空间环境因素复合生物学效应

在低轨道运行的航天器绕地球1 圈大约是90 min，其明暗周期模式与人类在地球生活的节律不一致，这会影响航天员生物钟，导致睡眠质量下降，危害身体健康。 有研究人员应用昼夜节律改变(45 min 明期∶45 min 暗期)联合HLU及4 Gy 的X 射线辐照作用于大鼠，研究三者复合作用对其后肢骨骼的影响，发现三因素联合能显著降低骨骼的生物力学性能、骨骼矿物质密度和骨小梁参数，造成骨质丢失，但是这些数据的降低与HLU 组没有显著性差异，表明昼夜节律改变对于骨骼各参数的影响不显著。 另有研究人员将SD 大鼠置于能模拟昼夜节律紊乱(12 h 明期:12 h 暗期)、微重力(HLU 模型)、噪音(65 dB)和幽闭环境的新型鼠笼，发现大鼠有类似抑郁的行为，其剪接体相关蛋白表达上调，而氧化磷酸化、谷氨酸能和GABA 能突触相关蛋白表达以及Post-Synaptic Density Protein-95(PSD-95)蛋白表达下调，推测这些差异表达蛋白质可能成为精神障碍的标记物。 这些发现为了解抑郁行为的发生机制提供了有用信息，而且可能为长期航天飞行中心理障碍的治疗提供潜在的靶点。

5 展望

本文综述了空间多环境因素复合作用对机体的生物学效应及其机理的研究进展，发现空间环境因素的复合生物学效应是表现为协同、叠加还是拮抗不仅取决于所研究的生物学终点，也取决于所选择的空间环境因素类型、剂量、处理时间等。

通过综述相关文献，发现有关空间多环境因素复合作用对机体生物效应的研究在以下2 个方面有待完善:①明确空间单因素生物学效应是深入理解空间复合环境生物学效应的关键。 因此，要利用天基和地基实验平台，深入研究微重力、空间辐射、弱磁等空间环境因素的单因素生物学效应及机理；②空间站作为最真实的空间复合环境，所获得的研究数据最具有说服力。 中国之前的航天搭载研究多基于返回式卫星，飞行周期短，所得数据十分有限。 随着中国空间站的建成，长周期空间生命和航天医学研究迎来重要发展机遇期。如何提高空间站研究资源利用效率、提升研究水平是空间生命科学工作者亟需考虑的问题。

天基平台实验机会毕竟有限，因此开展大量设计良好的地基实验对于解决空间环境所致健康问题十分必要。 现有的地基实验平台在模拟空间环境时呈现出诸多问题，比如重离子辐照实验代价高昂、地面难以真正模拟空间微重力状态等。鉴于上述问题提出如下对策:①开展团队协作，提高空间研究资源利用效率；②地基实验研究和仿真模拟相结合，实验和理论并重；③针对特定飞行任务，借助空间站环境开展设计良好的天地基对照实验，解析空间辐射和微重力的不同效应；④应用特殊人群开展天地基对照实验，如NASA 的双胞胎研究。