刘 菁，冷非凡，高玉海，陈克明

近年来人类对太空环境的探索逐步加深，国内外航空事业也不断取得新的突破，但与此同时太空微重力对宇航员身体带来的健康威胁也愈加明显，其中骨丢失已成为影响宇航员健康的首要风险。骨骼是支撑机体和维持生命活动的重要器官，它赋予我们基本的形态并帮助我们完成各项运动，对力学载荷十分敏感，流体剪切力、牵拉力、失重、超重等力学刺激都可影响骨骼的动态平衡[1]。太空的微重力环境会导致宇航员骨丢失，降低骨密度，增加骨脆性，进而诱发骨质疏松。微重力环境引起的骨丢失已成为航天生理学和空间医学领域的核心问题。基于以上背景，本文综合介绍目前关于微重力环境引起骨丢失方面的工作进展，以期为相关防治工作的开展提供一些思路和理论依据。

1 太空微重力环境对宇航员骨代谢的影响

人体骨骼在正常环境中，由成骨细胞承担的骨形成和破骨细胞承担的骨吸收在大多数情况下处于动态平衡，而当处于太空微重力环境中，骨骼几乎完全失去重力作用，为适应这一变化而发生一系列改变，如骨吸收的增加和骨形成的减少[1]。与人体因衰老和性腺功能下降导致的原发性骨质疏松不同，微重力环境引起的是一种废用型和继发性骨质疏松，微重力环境引起的骨丢失速度比在地面上更快且更难以恢复。为了探寻太空环境中骨丢失的具体机制，多位学者对宇航员飞行前后的各项生理指标进行密切追踪，发现宇航员任务结束后唾液、血液和尿液中钙离子水平升高现象极为普遍[2]，且有试验结果表明，尿液中矿物质变化较大的宇航员骨矿物质密度降低幅度更大[3]，这一现象说明钙离子的流失似乎是太空环境中骨丢失的重要环节。Smith等[4]认为，太空环境中身体的低负重增加了骨吸收，这使得大量的钙从骨骼中释放出来，从而增加了血钙浓度，他们同时发现人体内甲状旁腺激素和1，25-二羟维生素D水平也均被下调，而维生素D的下调导致肠钙吸收的减少，这进一步诱导了骨丢失的发生。然而宇航员并非所有骨骼都会发生骨丢失现象，多项研究表明微重力环境导致的骨丢失有明显的部位选择性。在美国和俄罗斯对宇航员长期飞行后不同部位骨骼变化情况的合作研究发现，腰椎、骨盆等下肢骨出现了骨丢失现象，而颅骨却出现了增高趋势[5-6]。Oganov等[7]进一步研究发现颅骨和颈椎出现了骨密度增加的趋势，宇航员骨丢失现象仅发生在负重的下肢骨，这被称为骨密度移位现象，归因于骨组织为应对机械力改变。此外，重力缺乏会使宇航员承重骨机械载荷降低，但不同部位承重骨骨丢失有差异，位置越低骨丢失越严重[6]。微重力环境对宇航员不同部位骨骼的影响差异显著，影响方式也复杂多样，具体机制还需进一步探究。

2 地面模拟微重力环境引起的骨丢失现象

尽管在空间站进行研究可以直接展示飞行中骨丢失的真实状态，但是由于样本有限、成本高昂和空间飞行的复杂性等原因，更多学者选择在地面开展模拟微重力环境的各种实验来研究微重力环境诱导骨丢失的机制和防治措施。目前地面模拟微重力环境的研究方式主要分为长期卧床模型、鼠尾悬吊模型和细胞模型。

2.1长期卧床模型 多数人在每日的日常活动中有大半的时间都是在直立状态下进行的，这时脊椎是垂直受力的，只有在约8 h的睡眠时间中脊椎受力方向是水平的，持续的长时间卧床状态会使体液向上移位，下肢机械载荷减少。在对卧床志愿者身体各项指标的追踪中发现，从卧床休息开始尿液中钙排泄量就出现增加，同时钙吸收减少，骨骼结构发生改变，骨密度降低，这与太空微重力环境造成的废用型骨质疏松极为相似[8]。不仅如此，长期卧床模型与太空飞行具有同样的位点特异性。研究发现，人的腰椎、股骨、胫骨、跟骨等承重骨在长期卧床后会出现明显的骨丢失现象，并且丢失量随卧床时间延长而增多，但颅骨等非承重骨受影响较小[9]。也有研究人员对24名男性受试者进行60 d卧床研究，来评估他们桡骨和胫骨的皮质面积、厚度和骨密度，结果表明卧床状态对胫骨远端的影响最强，骨密度损失的同时皮质面积和厚度也出现减少[10]，而在同年对24名女性受试者的相同研究中也证实了这一结果[11]。但是不同性别受试者在微重力环境下所受的影响是否相同还需要进一步验证，我们知道，正常状态下男性的骨密度和骨含量均高于女性，然而微重力环境对骨代谢的影响是否会因性别产生不同的差异？有研究人员结合5项卧床研究数据就面积骨密度、骨生化和肾结石风险进行分析，结果表明男性和女性在卧床休息时的骨骼反应是相同的[12]。

卧床模型在帮助我们更深入了解微重力环境对骨密度、骨标志物和钙平衡的影响及其机制的同时，还可用卧床模型来寻找应对骨丢失的措施，如卧床期间进行跳跃训练可以有效抑制骨丢失[13]，通过侧面交替的阻力振动锻炼也可以有效防止卧床期间的胫骨骨丢失等[14]。卧床模型的优点在于可以实时跟踪观察受试者的各项指标变化，但是卧床模型不可用于研究宇航员飞行期间电磁辐射和带电粒子对其带来的威胁等其他生理问题。

2.2鼠尾悬吊模型 鼠尾悬吊模型是目前常采用模拟微重力环境的动物模型，在实验中将实验动物的尾部悬吊，头部向下倾斜30°，靠前肢支持身体全部重量，后肢则处于无负荷的半废用状态。尾吊状态下的小鼠会发生头部液体的转移和后肢肌肉骨骼的卸载，从而会在全身多个生理系统中产生一系列变化来适应这种状态的改变，如小鼠后肢的卸荷会导致负重后躯肌肌肉组织的选择性萎缩，进而减少肌肉通过肌腱附着在骨骼上的力，这就会诱导该部位的骨丢失。研究发现，空间飞行和鼠尾悬吊都可以对高周转率的松质骨快速产生影响，而对我们正常负荷状态的承重骨如胫骨与跟骨影响较大[15]。有趣的是，尾吊小鼠骨吸收指数和净骨丢失指数持续增加[16]，这进一步印证了在宇航员身上观察到的负钙平衡和骨密度下降与骨吸收增加的关系紧密。而后科研工作者对悬吊小鼠后肢进行详细的组织形态学分析，结果证实骨密度减少是因纵向骨的生长和骨形成的抑制及骨吸收的增加[17]。

目前，鼠尾悬吊模型已被广泛用于研究骨骼对负重反应的生理变化及分子机制，如失重状态下大鼠的骨结构和力学性能的动态变化[18]，小鼠皮质骨骨丢失的机制[19]，以及X射线辐射与微重力联合作用对骨骼的影响等。Cunningham等[20]对成年大鼠进行尾吊发现，尾吊后大鼠的骨小梁体积分数会出现显著降低。Cabahug-Zuckerman等[21]研究结果表明尾吊可以降低小鼠血浆中的骨钙素和碱性磷酸酶水平，小鼠尿钙增加同时骨形成相关指标降低，骨吸收指标如破骨细胞数量等增加。不仅如此，许多试验人员依据鼠尾悬吊模型中骨丢失的分子机制，给出了很多治疗措施，如本实验室研究发现，50 Hz 0.6 mT的脉冲电磁场可以通过sAC/cAMP/PKA/CREB信号通路显著改善尾吊大鼠的骨丢失[22]，Sun等[23]报道35 Hz的局部振动也可以有效减缓尾吊大鼠的骨丢失现象，以及淫羊藿苷[24]和1,25-二羟维生素D3[25]等药物可以预防失重诱导的骨丢失现象。鼠尾悬吊模型是一种较为理想的模拟微重力环境方法，与航天飞行中观察到的骨丢失现象高度近似，并且具有广泛的适用性，它可以帮助我们研究因飞行空间有限和因伦理问题无法进行的实验，但是缺点在于尾吊对小鼠脊椎的影响还不够明确，并且尾吊小鼠的应力响应不一致及对小鼠体质量、骨吸收等方面的影响差异较大，此外尾吊还会对小鼠的情绪产生影响，进而干扰实验结果。

2.3细胞模型 成骨细胞和破骨细胞是参与骨代谢的重要功能细胞，在骨代谢过程中破骨细胞贴附在旧骨上进行吸收，成骨细胞合成新骨，骨组织不断重建来维持人体正常骨量代谢。为更深入了解微重力环境对骨代谢的影响机制，人们进行了大量细胞学研究。三维回转仪是用来模拟微重力环境对细胞影响的常用工具，研究表明三维回转仪模拟的微重力环境可显著抑制成骨细胞活性和形成钙化结节的能力[26]；Gioia等[27]使用三维回转仪培养人类原代成骨细胞，发现这种模拟微重力环境抑制了Runx2和BMP2等基因的表达并影响了细胞周期。Yan等[28]发现，模拟微重力环境显著减少了骨髓间充质干细胞的增殖，细胞周期阻滞在G2/M期，且凋亡细胞增多。张晓铀等[29]对模拟微重力环境下的成骨细胞周期进行研究，结果发现G1期细胞数增多，S期与G2+M期细胞数量显著减少。微重力环境除对细胞活性、周期和凋亡等生理指标产生众多影响外，还改变了成骨细胞的形态和细胞骨架。航天器搭载的成骨细胞形态与地面培养的正常细胞相比，形态异常，应力纤维数量减少，核结构明显改变[30]，而地面模拟微重力环境实验也观察到成骨细胞微丝结构解聚，张力纤维减少且排列紊乱等现象[31]。

以上结果表明，微重力环境从多个方面抑制了成骨细胞的功能，但在相同环境中却发现了破骨成熟相关基因表达量快速增长的现象[32]，Sambandam等[33]发现，模拟微重力环境下c-Jun、MITF和CREB等与破骨细胞活性相关的转录因子均出现表达量的上调。狄升蒙等[34]使用三维回转仪处理破骨细胞前体细胞，发现微重力组的G1期细胞比例增加且抗酒石酸酸性磷酸酶阳性率升高，表明微重力环境促进了破骨细胞前体细胞向破骨细胞的分化。上述研究结果表明，微重力环境引起的骨丢失是通过减少骨形成和增加骨吸收共同实现的，这进一步解释了微重力环境引起骨丢失的发生机制。

3 微重力环境对骨代谢相关信号通路的影响

3.1RANK/RANKL/OPG信号通路 多项研究表明，微重力环境下骨形成标志物降低的同时骨吸收标志物显著增高，而RANK/RANKL/OPG信号通路在调控成骨细胞骨形成与破骨细胞骨吸收的平衡中起着重要的相互调节作用。其中RANKL可以和RANK结合来促进破骨细胞前体细胞分化为成熟破骨细胞，而成骨细胞分泌出的OPG可以与RANKL竞争性结合来抑制破骨细胞分化成熟。微重力环境会打破RANK/RANKL/OPG信号通路的平衡状态[34]，如一项鼠尾悬吊模型研究发现，促进破骨细胞分化的RANKL、RANK等骨髓细胞因子含量显著升高，成骨标志物OPG则明显下降，RANKL/OPG增高使破骨细胞分化而增强骨吸收[35]；还有研究报道，尾吊大鼠产生RANKL的骨细胞数量增加，从而促进了骨小梁表面的骨吸收，诱导了骨丢失[36]。科研人员在空间站进行的小鼠搭载实验对RANKL抑制剂骨保护素OPG测试结果表明，抑制RANKL也许可以作为抵抗太空飞行对宇航员骨骼健康有害影响的一种可行方法[21]。

3.2BMP/Smads信号通路 BMP/Smads信号通路是调控前成骨细胞分化、参与骨形成的关键信号通路，其中BMP是参与骨形成和骨骼修复的重要转录因子，它可以通过经典的Smads信号通路促进骨形成，BMP/Smads信号通路是骨骼形成必须的条件，研究发现敲除Smad1/5/8的小鼠出生时因软骨发育障碍而死亡[37]。多项研究表明，微重力环境显著抑制了BMP/Smads经典信号通路包括BMP2蛋白表达及Smad1/5/8 磷酸化、入核复合体形成，与此同时，p-Smad1/5/8的核转位及其转录活性也被降低[38-39]。Zhang等[39]将人骨髓间充质干细胞送上卫星并诱导其向成骨细胞分化，发现微重力环境降低了BMP2的表达和Smad1/5/9的活性，微重力环境通过BMP/Smads信号通路抑制了骨髓间充质干细胞向成骨细胞的分化。Dai等[40]研究表明，微重力环境下Runx2对BMP2的响应下调，前列腺素E合成降低，BMP2合成代谢途径被显著减弱。最近研究发现，抑制miR-494可以促进BMP2对成骨细胞的诱导作用，部分修复微重力环境下成骨细胞的分化障碍[41]。有研究证明，BMP家族中BMP2不仅可以响应力学刺激[42]，对细胞骨架也有一定的调节作用[43]。Xu等[44]研究证实了模拟微重力环境可以通过解聚微丝骨架进而影响BMP2诱导的Smad1/5/8磷酸化、入核和Smads活性，通过抑制BMP2/Smads信号传导影响成骨细胞的成骨活性。

3.3Wnt/β-catenin信号通路 Wnts是一类可以传递多种力学信号的分泌性糖蛋白[45]，它通过胞膜受体以依赖或非依赖β-catenin的方式激活多个信号通路，进而调控细胞的增殖与分化。多项研究表明，Wnt信号通路在微重力环境下对骨细胞的增殖与分化过程发挥关键的信号调节作用。杨先炯等[46]模拟微重力环境培养骨髓间充质干细胞，发现微重力环境下调Wnt3a和胞质中β-catenin的表达，Wnt信号通路下游基因Cyclin D1的表达也被抑制，提示Wnt3a/β-catenin信号通路参与了微重力环境诱导的间充质干细胞增殖抑制。Li等[47]的大鼠尾吊模型研究同样证实了尾吊大鼠中的Wnt信号通路受到抑制，而Wnt信号通路抑制物DKK4出现高表达，LncRNA-H19出现低表达。进一步研究发现，尾吊造成的LncRNA-H19低表达是DKK4上调和Wnt信号通路被抑制并引起骨丢失的重要原因。一项研究发现，模拟微重力环境干扰了骨细胞的细胞骨架，抑制了β-catenin的核转位，Wnt/β-catenin信号通路阳性调节因子Smads表达被降低，而负性调节因子NMP4/CIZ表达增加[48]。有研究报道显示，三维回转仪处理的破骨细胞产生的衍生外泌体OC-Exos通过干扰Wnt/β-catenin信号通路而抑制了MC3T3-E1细胞的成骨分化[49]。总之，微重力环境下Wnt/β-catenin信号通路对骨组织细胞的调控机制十分庞杂，微重力环境会对Wnt信号通路的多个上游和下游基因产生影响，从而调节骨细胞的增殖与分化。

4 结论与展望

虽然宇宙飞船有效阻挡了温度和辐射等极端环境，但是失重状态却难以改变，其中失重导致的骨丢失更是人类关注的重大问题之一。在微重力环境下，机体骨钙代谢紊乱，承重骨发生明显的骨丢失并且难以恢复，这种失重造成的骨丢失甚至骨质疏松严重威胁着宇航员的身体健康，阻碍航天事业的发展。多年以来，航天医学专家不断追寻微重力环境诱导骨丢失的形成机制，从临床、动物和细胞3个方面结合分析来寻求空间骨丢失的成因和解决方法。微重力环境引起骨质疏松的原因与骨形成的减少和骨吸收的增加密不可分，并且涉及RANK/RANKL/OPG、BMP/Smads、Wnt/β-catenin等多条信号通路，但由于空间环境的多样性和骨组织代谢的复杂性，失重性骨丢失还需要国内外学者研发出更贴合空间飞行状态的地面模拟装置，并进行更深入探索，以保障宇航员的身体健康和工作效率。