人在太空：长期航天飞行心血管监测及保护策略

高 峰，邢长洋,2

(1空军军医大学航空航天医学系，教育部航空航天医学重点实验室，陕西 西安 710032；2空军军医大学唐都医院超声医学科，陕西 西安 710038)

随着中国空间站的建成，我国航天员进出太空将成为常态，且太空驻留时间会进一步延长。此外，我国“登月”“探火”等深空探测活动也将相继开展，届时航天员的太空驻留时间将长达400～500 d。

人类已在地球上生存300万年，从基因到器官、机体都与地面重力这一基本环境特征高度适应和匹配。一旦进入太空脱离地面重力环境，首先引起机体各器官系统相应的适应性变化以适应新环境，即适稳态调节[1]。但长期处于失重与深空辐射环境可产生协同效应致机体适稳态超负荷，导致过度应激和某些组织器官结构和功能损伤，影响航天员健康和工作能力。其中，失重引起的心血管结构和功能重塑，是影响航天员健康及工作效能的一个重要因素[2]。航天飞行过程中如何进行精准的心血管功能评估和个性化的心血管保护以及飞行后高效的心血管康复，是保障航天员健康及未来深空探测任务顺利实施的重要问题[3]。目前，通过采取积极的运动锻炼等对抗措施，航天员在近地轨道的短、中期航天飞行健康已得到较好的保障。但长期航天飞行以及登月等深空探测，航天员还将面临显著增强的太空辐射等诸多新的医学及健康风险和挑战[4-6]。

1 长期航天飞行致心血管功能变化

进入太空失重环境后，循环系统原地面重力方向的流体静压梯度消失，体液向头侧分布，导致头部血流增多、血管内静水压增大，头侧静脉扩张，下肢静脉容量减低[7]。初期由于回心血量增多，心脏容积增大，每搏量和心输出量均明显增加，颈动脉压力感受器兴奋。随着时间的推移，由于头侧动脉压力感受器持续性地反馈调节，引起多尿，加之通常航天员液体摄入量减少等因素，共同导致血容量减少、心脏容积减小、心输出量和每搏量减低。长期失重可导致动脉系统发生差异性重构，主要表现为心脏水平以上的动脉出现内膜和中膜增厚及弹性减低，而心脏水平以下的动脉结构和功能通常变化不显著。此外，颈静脉由于长期充盈，易导致血流缓慢，甚至引起血栓形成。下肢静脉在长期体液重新分布和下肢肌肉萎缩等因素的影响下血容量则进一步减低[8]。我们在模拟失重的尾吊大、小鼠上均发现，4周模拟失重即可引起心肌质量减少、心肌应变下降、心脏舒张功能降低(二尖瓣舒张早期/晚期血流速度比值<1)[9]。这与早期国际空间站及俄罗斯空间站上观测到的航天员心输出量改变相似，表明这种以轻度心脏充盈减少、心肌萎缩、心脏做功减少为特征的“太空心”是长期失重所致的心脏主要变化[2-10]。

2 超声技术在航天飞行心血管监测及评估中的作用

目前对中、短期太空飞行航天员心血管系统适应性变化已有较全面的认识，但对长期太空环境引起的心血管改变仍有诸多未知，而精准的心血管保护措施恰是基于对心血管功能的评估，因此对航天员在太空进行实时心血管功能监测及评估具有重要意义。超声成像因其具有无辐射、便携性、即时性和全身性等优点，是最早也是目前惟一在航天飞行过程中由航天员自行操作的医学影像设备，在航天员心血管功能监测和评估中发挥了重要作用。

2.1 长期航天飞行超声心动图监测

超声心动图是临床上无创实时监测心脏结构和功能的一线技术。经过近70年的不断革新，已经从一维、二维发展到实时三维，从先天性结构异常、心脏功能疾病诊断发展到亚临床心肌损伤检测，在心脏功能评估、早期损伤预警、动态随访监测等方面具有无可替代的价值。根据公开资料显示，早在1982年美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)就尝试通过超声心动图对航天员进行心脏功能检查，在此后的航天飞行任务中逐渐形成了一整套可由航天员执行的超声心动图操作方案，并随着技术的进步而不断丰富和完善[11]。我国在2016年的天宫二号空间实验室首次运用超声技术进行了航天员在失重环境下心脏及血管功能研究。

通过超声心动图监测，ARBEILLE等[12]发现从进入太空后第4日起左室容量减低，并一直持续至6个月任务结束。美国最早开展航空心脏超声研究的学者JAMES THOMAS在2014年美国心脏病学会年会上报告，太空中航天员的心脏变得更圆，其球形指数增加了9.4%；其带领的团队还利用先进的超声斑点追踪技术评估心肌应变，发现与飞行前相比，飞行中的心肌长轴应变减低，意味着心肌收缩力减弱。2018年NASA进行的长达一年的“双胞胎研究”发现，与地面平卧位相比，航天员在太空中的心输出量呈现先减低后恢复的趋势，这可能是失重循环血容量减低和运动等在轨保护方案共同作用的结果[13]。目前关于航天员右心功能的在轨评估尚未见报道，但地面模拟失重研究提示长期失重也引起右心结构和功能变化，且左、右心呈现差异性重塑[14]，并可能具有一定的病理生理意义。因此今后对右心的监测评估也应当引起重视。根据现有超声心动图的自动化水平，右心功能的评估并不会增加航天员的操作负担，建议将其纳入到现有心脏评估内容中。

总的来看，在现有的失重防护措施下，在6个月左右的长期航天飞行中航天员的心脏重构特征主要是：心输出量和每搏量呈现出先减低后恢复的适应性变化，心肌质量及做功略有减低，总体呈现亚临床功能减低的趋势。未来应当将超声斑点追踪等更精准的新技术应用到航天心血管健康监测中，并应从现有的左心评估为主转变为包括右心在内的全心健康评估。

2.2 长期航天飞行超声动脉血管监测

超声对航天飞行过程中动脉血管的评估主要包括管径及内中膜厚度、血管弹性和血流动力学三大方面。前述提到的失重体液头向分布，对脑动脉血管(颅内动脉，如大脑中动脉及基底动脉；颅外动脉，如颈内动脉和椎动脉)造成持续的压力刺激，致形态上出现肥厚性重构，血管平滑肌细胞层数增加、细胞增生，进而引起动脉顺应性减低[7]。LEE等[15]对13名在轨4个月以上的国际空间站航天员进行颈动脉超声检查，发现长期太空飞行导致颈动脉内径显著增宽。多项研究一致报道3～6个月的航天飞行引起颈动脉的内、中膜厚度的增加，以脉搏波传导速度为主要监测指标的动脉僵硬度升高[16]。根据2016年HUGHSON等[17]对国际空间站驻留约6个月(146～193 d)的8名航天员进行颈动脉僵硬度的研究发现，航天员的颈总动脉僵硬度明显增加，6个月航天飞行导致的血管硬化程度相当于地面人群10～20年的增龄变化。这是近年航天医学一项令人吃惊的发现，其病理生理意义、尤其是对大脑功能的远期影响正在深入研究中。关于长期航天飞行对脑血流速度的影响，目前尚有争议。通过经颅多普勒超声监测大脑中动脉血流频谱，测得的脑血流速度改变不一致，这可能是由于航天员样本量较小及超声检测技术差异较大所致[12，18-19]。从超声技术的角度，大脑中动脉血流速度的检测对非专业人员还较为困难，在实际操作中可能并没有前后一致地测量到颅内动脉的同一位置，或信号强度有所不同；而且经颅多普勒超声不能测量颅内动脉的内径。更理想的监测手段应当是对颈动脉的血流速度和内径进行同时测量，观察并计算脑血流量。与颈动脉不同，上肢及下肢动脉似乎受长期失重影响不甚明显，因此这方面的研究报道较少。总之，长期航天飞行对机体动脉系统的影响主要在脑循环系统，引起颈动脉内、中膜厚度增加及弹性减低和血流动力学变化，希望未来能够兼顾动脉结构和血流动力学的精准超声监测技术为失重脑血管和脑血流变化提供更全面可靠的数据。

2.3 长期航天飞行超声静脉血管监测

2019年《美国医学会杂志》(JAMA)和2020年《新英格兰医学杂志》(NEnglJMed)先后报道了国际空间站上超声发现航天员出现左侧颈静脉血栓[20-21]。该航天员在空间站2个月后，通过日常超声监测发现单侧颈内静脉明显扩张，并怀疑血栓形成，经同地面进行会诊后确诊为颈静脉血栓，随后紧急通过飞船运送抗凝药至空间站进行治疗。治疗过程中的超声随访显示，3周后血栓体积有所减小，但90 d后仍处于血流自显影状态(血栓形成前期)，直至返回地面仍未完全缓解。随后进一步的深入研究发现，国际空间站的11名航天员颈静脉均发生了内径扩张和血流速度减低，其中6名出现了血流自显影，提示血栓风险增加[22]。与颈静脉的充盈性变化相对，在长期航天飞行中航天员的下肢静脉表现为充盈减少，顺应性减低，排空率也减低，但回到地面后能够较快恢复[23]。上述发现提示，长期航天飞行应重视颈静脉的超声监测[24]，对可疑血栓或血栓形成前期进行及时干预，并密切监测和评估治疗效果。

3 长期太空飞行心血管保护策略

长期太空飞行中的心血管保护不仅对于航天员健康及其完成航天任务至关重要，而且对于返回地面时的立位耐力反应及航天员远期心血管健康亦有重要影响。目前航天员主要采用包括运动锻炼、下体负压以及饮食和药物干预为主的综合保护方案。

3.1 运动保护方案

积极的运动锻炼是目前航天员心血管保护及对抗失重引起的多种病理生理效应最重要的手段，通常采用耐力及抗阻锻炼综合方案。由于航天器内狭小的空间限制，航天员所能使用的运动锻炼设备有限，目前采用的主要是跑台、功率自行车、拉力器和综合抗阻训练器，我国空间站最新还采用了一种微重力抗阻锻炼装置“太空划船机”。此外，航天员穿着的内置弹力带的“企鹅服”，可使航天员在活动或完成操作时需克服弹性阻力，从而在日常生活和工作中尽可能多地进行被动抗阻运动[25]。不同国家航天员的具体运动方案(包括运动频率、时长、强度、耐力及抗阻的组合方式等)不完全一致，并且不同航天员由于基础身体条件的不同也可能在运动方案上有个性化的调整。欧洲航天局目前对综合训练方案中耐力及抗阻锻炼的运动量分配建议是46%∶54%[26]，国际空间站上通用的每日运动锻炼时长为2.5 h[27]。随着运动医学的发展，近年来还不断提出一些新的运动策略和方案。我们的研究显示，高强度间歇训练(high-intensity interval training，HIIT)可能更适合航天条件下的运动锻炼。HIIT不仅对提高心肺能力效果显著，且具有高效、耗时短的特点，以及显著改善代谢状态和提高心输出量等综合作用；进一步辅以肢体血流束缚，能够引起更强的短时缺氧状态，激发机体自身的保护性调节机制[28]。

近年的研究及航天实践显示，目前的航天运动锻炼方案对中短期飞行的航天员心脏具有明确的保护效果，尤其是航天员在中长期失重条件下发生的心肌萎缩和收缩功能降低等问题得到明显改善。一项国际空间站的研究表明，13名航天员经过4～6个月的航天飞行，核磁共振测量的心肌质量和容积在任务前后并未发生显著的变化[29]。然而研究人员通过斑点追踪超声等新技术发现，长期航天飞行仍将引起亚临床心肌损伤和功能障碍，其主要原因可能是航天条件下体液流失引起的循环容量减低，对心血管系统的负荷和刺激减小，而这一点尚不能通过现有的运动锻炼方案逆转或完全消除[30]。头低位卧床等地面模拟失重研究显示，HIIT能够在单次的短时运动中对四肢和多器官产生更强刺激，提示该运动方式对长期失重心血管系统的保护效果可能更优[31]。

尽管众多的基础和临床研究均表明，运动能够显著改善脑血流，延缓动脉老化，尤其是血管内、中膜厚度和僵硬度增加，促进脑血管健康，并进一步改善认知功能[32-33]。然而，目前的航天员运动方案对于长期失重引起的脑血管内中膜厚度增加、弹性减低和血流动力学变化，似乎并未起到显著的作用，仅对降低失重条件下升高的脑血管阻力有一定效果。对于长期失重引起的颈静脉血流瘀滞甚至形成血栓的问题，运动锻炼同样未表现出明显的作用。OGOH等[34]提出了蹦跳锻炼方案，他们在60 d的头低位卧床模拟失重研究中对不同频次、不同强度的蹦跳锻炼对脑血流动力学的保护作用进行分析，发现该方法具有改善脑循环状态和提高脑血流的潜力，值得进一步深入研究[34]。值得重视的是，目前的航天运动方案对于超过180 d的长期太空飞行及驻月等深空活动的心血管保护效果尚有待明确。

3.2 下体负压

失重造成的体液头向分布是引起心血管功能失调的始动因素，因此通过下体负压将血液重新引导至下肢是对抗失重心血管改变的最直接手段。早在1973年的Skylab计划中，NASA就首次将下体负压装置带上太空作为航天员健康保护设备[35]。通过降低对中央和头颈部血管压力及容量感受器的刺激，下体负压能够从起始阶段阻断失重引起的体液流失，从而减轻继发的心血管系统重构。头低位卧床模拟失重的人体数据表明，将下体负压和补液等方法相结合，几乎可以完全对抗短期模拟失重引起的心血管功能改变[35]；下体负压与运动锻炼相结合对长期模拟失重也有良好的效果[36-37]。对于脑循环，尽管尚无明确证据证明下体负压对于减弱长期失重引起的颈动脉内、中膜增厚和弹性减低有积极作用，但是多项研究发现下体负压能够有效对抗长期失重引起的脑血流动力学变化和颅内压升高，对航天员太空飞行相关神经-眼综合征也有良好的预防效果[38]。目前认为，下体负压至少可以减少失重所导致的颈动脉血流和压力变化，对改善脑循环和防止血管重构起到积极作用。最近一项对14名国际空间站航天员的研究发现，在(210±76)d的航天任务中，通过施加45 min 25 mmHg的下体负压，可将长期失重引起的颈静脉扩张和血流变化改善至飞行前状态[39]。我们在前期的变重力条件下脑血流保护研究中发现，下体负压的施加和释放能够对脑血流产生明显的影响，通过精准的时机控制，可以对抗变重力引起的脑血流变化，维持脑血流灌注的稳定[40]。这些结果均提示，下体负压能够直接对抗长期失重引起的体液转移，在航天员心脑血管保护方面具有重要价值。科学精准的下肢负压方案配以更加轻便灵活的下体负压装置有望在长期航天飞行心血管保护中发挥重要作用。

3.3 饮食和药物

长期航天飞行航天员骨骼肌活动显著减少并伴有消化系统等的变化，导致机体代谢改变。因此根据航天代谢变化，保证饮食和营养适应航天员特殊需求是保障长期航天情况下航天员心血管代谢健康一个不容忽视的问题。目前世界航天大国均针对各自航天员的人种等特点和饮食习惯，结合航天任务需求和条件制定了各具特色的“太空食谱”[41]，其共性特征是在保证营养素全面的前提下，提倡低卡饮食。健康人群和卧床试验研究均表明，低卡饮食对心血管代谢健康有益[42-43]。药物干预具有简单高效的优点，针对心血管功能失调，目前航天药物的主要作用包括维持循环容量(抗利尿激素)、保护血管(白藜芦醇)以及防治心律失常、抗凝防血栓等。中药作为中华医学的宝藏，在我国航天员心血管保护方面发挥了独特的作用。李勇枝课题组研发的中药“太空养心丸”可改善60 d卧床所致的心脏功能减低，并对脑血流和立位耐力也有一定的保护作用[44-45]。中医药“强身固本、寓治于防”的整体观辩证理念有望在我国长期航天飞行心血管保护及航天飞行后疗养康复方面发挥更大的作用。我们课题组前期发现时间限制性进食能够改善模拟失重大鼠心脏功能和葡萄糖代谢，进而改善模拟失重引起的心脏功能不良[9]。该策略可通过提高机体胰岛素敏感性，不仅可以促进心血管健康，还可能对长期航天或航海、尤其是幽闭环境下因体力活动减少所致的机体不利影响具有整体代谢改善及身心裨益效应。

4 挑战与展望

星空浩瀚，探索永无止境。随着“天宫”空间站的建成，我国载人航天事业进入了一个新的发展阶段。随着航天员太空驻留时间显著延长及未来“登月”“探火”等深空探测活动，航天员健康保障面临诸多新的问题和挑战。例如，驻月任务中的重力条件与现有的空间站重力条件并不完全相同，空间站重力为零，而月球上的重力约为地球重力的1/6，在这样的条件下航天员的心血管系统如何变化，能否常规进行直立活动，以及相关保护手段是否需要进行调整均不明确；另外，登月等深空探测活动将面临更强的太空辐射，而后者作用的主要靶器官之一即为血管内皮细胞，且辐射与微重力具有协同作用，可共同促进和加剧血管衰老及血管内皮功能障碍。而血管衰老是高血压、脑卒中、缺血性心脏病等诸多心脑血管疾病的独立危险因素，可能影响航天员远期心血管健康。新的使命和任务要求我们既要立足现实，不断优化目前的应用性保护策略，切实保障我国载人航天计划顺利实施及航天员健康，同时还要放眼未来，深化基础研究[46]，争取创新性突破，为世界载人航天事业做出“中国贡献”。

航天员“精准运动处方”是长期航天心血管保护策略的一项重要内容。一方面，可根据超声对心血管结构和功能的日常动态评估，制定不同航天员个性化的运动方案；另一方面，航天飞行期间航天员任务繁重，时间及条件、资源有限，亟需提高航天飞行过程中的运动锻炼效率。HIIT具有短时、高效、灵活、全身性和方式多样性等优点，具备作为“航天员精准运动处方”关键成分的潜质。此外，航天员每日运动量及强度问题也值得进一步探讨。根据太空环境-人体适应特点，采取变强度渐进运动策略，即太空中以短时高效运动为主，适当减少太空运动时间，通过返回地面前进行运动强化，返回地面后再强化康复训练，达到既减少航天员在轨运动负担，又保证航天员返回地面后可通过康复训练达到心血管功能等的良好恢复。此外，时间限制性进食及低温等代谢干预也简单易行，是长期航天心血管保护的潜在策略和措施，值得进一步深入研究。