淺談太空飛行時肌肉萎縮

淺談太空飛行時肌肉萎縮

當(dāng)軌道空間失去時，人體器官的重力負荷消失，人們無法在宇宙中保持自己的姿勢，不要抵抗重力。這會導(dǎo)致肌肉系統(tǒng)，尤其是骨骼肌肉的變形和肌肉萎縮。肌肉萎縮會隨著時間的推移而惡化，這很難適應(yīng)以前的重力環(huán)境。因此，相關(guān)機制和保護措施的研究一直是航空航天醫(yī)學(xué)的研究重點。失重引起的肌肉萎縮有以下特點:①抗重力肌(下肢、臀部和脊柱的肌肉群)萎縮大于非抗重力肌(面部、肋間肌等);②慢肌的萎縮大于快肌;③在同一肌肉中,慢肌纖維(Ⅰ型纖維)的萎縮大于快肌纖維(Ⅱ型纖維);④在萎縮的肌肉中出現(xiàn)功能性的變化,如Ⅰ型纖維向Ⅱ轉(zhuǎn)化,代謝和能量的改變等.失重和模擬失重時肌肉萎縮主要表現(xiàn)在肌肉質(zhì)量的下降和形態(tài)學(xué)的變化,同時伴隨代謝及功能的改變.1重飛行時血漿中自身免疫組化的變化航天中用于衡量肌肉質(zhì)量的指標(biāo)很多,包括體重、下肢體容積和圍徑、核磁共振成像、肌肉組織的活檢及相關(guān)自身免疫抗體等.飛行后航天員體重平均減少3%～4%,體重減輕的幅度與飛行時間無關(guān).一般航天飛行時間短于6個月的航天員體重約下降6～7kg,個體之間的差別較大.體重的減少不完全是由于肌肉質(zhì)量的下降,也與飛行中體液的喪失有關(guān).失重時下肢圍徑和下肢容積都明顯減少.例如“禮炮-6號”航天員小腿容積在飛行96d、140d、175d時分別減少16%～20%,20%～30%和19%～24%.一般在失重飛行初期下降明顯,之后緩慢下降.失重初期的下降主要是由于血液的轉(zhuǎn)移和體液的喪失,之后的下降則與肌肉萎縮有關(guān).采用核磁共振成像和肌肉組織的活檢方法可對飛行前后航天員肌肉質(zhì)量變化進行定量研究.航天員飛行9d前后腿、比目魚肌和腓腸肌的容積和橫截面積出現(xiàn)明顯變化——比目魚肌體積喪失5.8%,腓腸肌喪失4.0%,腿總體積喪失4.3%,按此肌肉萎縮的速度推算,如果航天中不采用任何防護措施,飛行35d后,比目魚肌將喪失23%～25%.飛行17d后,航天員膝蓋伸肌和臀部肌群橫截面積減少8%,膝蓋屈肌無顯著變化.自身免疫抗體是肌肉萎縮后的產(chǎn)物,它的出現(xiàn)表示著肌肉萎縮.前蘇聯(lián)分析了航天前后航天員血漿中的自身免疫抗體,證明有45%的航天員自身免疫陽性,其中3名特別明顯.2比目魚肌組織病理改變形態(tài)學(xué)觀察方法可以更好說明失重對肌肉系統(tǒng)的影響.這些實驗大部分是在動物中進行的.在“宇宙-1887號”上飛行12.5d的大鼠,比目魚肌出現(xiàn)廣泛的壞死,組織中出現(xiàn)巨噬細胞和衛(wèi)星細胞,并出現(xiàn)微血點和水腫.飛行22d的大白鼠著陸后,比目魚肌中出現(xiàn)明顯的病理改變:水腫、結(jié)締組織增生、肌纖維膜間層擴散、部分肌纖維分解和被吞蝕.同時,出現(xiàn)肌纖維中Ⅰ型和Ⅱ型肌纖維萎縮、Ⅰ型纖維的萎縮比Ⅱ型纖維明顯、Ⅰ型肌纖維向Ⅱ轉(zhuǎn)化,尤其是在地面時起維持體位作用的肌肉更明顯.肌肉的超微結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變,表現(xiàn)為肌膜下線粒體含量、肌原纖維和線粒體含量下降,A帶區(qū)線粒體增加,而Ⅰ帶區(qū)的線粒體卻減少.飛行17d后宇航員比目魚肌細肌絲減少,粗細肌絲比例增大,短肌絲增加,細肌絲密度在暗帶重疊區(qū)明顯下降.3重、輕、輕和重對大鼠肌肉和肌肉的影響3.1.1肌肉中蛋白質(zhì)含量降低在失重狀態(tài)下,骨骼肌中的肌球蛋白和肌動蛋白含量都會減少,肌球蛋白的類型發(fā)生變化,并以慢肌為主的抗重力肌蛋白最為顯著.比目魚肌中肌球蛋白重鏈(MHC)表達發(fā)生質(zhì)的改變,Ⅰ型表達減少而Ⅱ型表達增加,即MHCⅠ型向Ⅱ型方向轉(zhuǎn)化.在“天空實驗室-3”號中飛行7d的大鼠,其各種肌肉的蛋白質(zhì)均下降;但羥脯胺酸(組成膠原蛋白的氨基酸)的變化不一致:比目魚肌、內(nèi)收肌和趾長伸肌的羥脯胺酸含量降低,跖肌、腓腸肌無明顯改變,拇長伸肌甚至增加,說明在不同肌肉中,失重對膠原蛋白和非膠原蛋白的影響不同.3.1.2蛋白質(zhì)合成代謝降低航天飛行中,肌肉蛋白合成率降低,降解率升高,蛋白質(zhì)含量降低,出現(xiàn)負氮平衡.“天空實驗室-3”的實驗結(jié)果表明大鼠在飛行后比目魚肌和腓腸肌的DNA含量未變,而mRNA的含量降低22%～28%;飛行14d的大鼠,股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌a-肌動蛋白mRNA分別減少25%和36%.上述結(jié)果說明失重可能是通過抑制蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄過程,減少蛋白質(zhì)的合成.3.1.3蛋白質(zhì)分解代謝增強失重條件下,肌肉的組織蛋白酶、鈣激活蛋白酶和蛋白水解酶活性增強,與蛋白質(zhì)分解有關(guān)的編碼基因MURF1(muscleringfingerl)和MAFbx(muscleatrophyF2box)表達也增強.航天員在飛行后,尿樣中總羥基賴氨酸、氮甲基組氨酸以及幾乎所有的氨基酸的排出都增加,說明了航天中肌肉的分解增強.3.1.4負氮平衡體內(nèi)排出的含氮廢物主要是蛋白質(zhì)分解代謝產(chǎn)物,也可以反映體內(nèi)蛋白質(zhì)的分解量.航天中尿和糞中氮排出量增加.測量了航天員飛行前中后的氮平衡,結(jié)果是航天飛行前呈正氮平衡,飛行初期出現(xiàn)了負氮平衡,整個飛行過程中,總氮排出量超過飛行前,著陸后很快恢復(fù)到飛行前水平.3.2骨骼肌的能量代謝失重和模擬失重情況下,肌肉的糖酵解作用、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化作用發(fā)生改變.“天空實驗室”飛行中航天員血液里的葡萄糖和胰島素的濃度明顯下降,著陸后增加;航天后鼠比目魚肌(慢肌)的乳酸脫氫酶、α-甘油磷酸鹽脫氫酶和磷酸果糖激酶的活性明顯增加.4重新犯罪導(dǎo)致肌肉穩(wěn)定性下降用握力計測量航天員飛行前和飛行中手的握力,飛行前握力是45～65kg的人,飛行中握力將減少4～22kg.腿部肌肉力量的下降比手握力的下降更多.失重飛行后航天員軀干的力量也明顯下降.兩名參加“聯(lián)盟-9”號飛行的航天員只飛行了18d,軀干肌肉的力量分別降低了40kg和65kg,而且到返回后第11天才恢復(fù).失重時肌肉工作的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性和精細程度都明顯下降,尤其在失重飛行的頭幾天,做一件事所花費的時間要比地面上完成同樣工作所需的時間多得多,而且不準(zhǔn)確,往往是用力過度.前蘇聯(lián)研究了兩名“聯(lián)盟-9號”航天員飛行后垂直姿勢的協(xié)調(diào)性,證實了失重可以引起肌肉協(xié)調(diào)性下降.他們使用了平衡儀測量了航天員在嚴(yán)格保持確定姿勢,進行頭部運動(閉眼和歪頭)時的穩(wěn)定描記圖.結(jié)果兩名航天員飛行后第2d,穩(wěn)定描記圖的振幅加大,頻率減小,垂直穩(wěn)定性大大降低.此結(jié)果與航天員的主述(腿肌疼痛、身體有沉重感、站立時很難保持平衡)相符.著陸后第4d,總的重心擺動頻率和振幅仍有明顯改變,到第10d,垂直姿勢的協(xié)調(diào)性才好轉(zhuǎn).在地球上,正常情況下人的骨骼肌保持一定的張力.失重后,航天員肌張力降低,腿骨前肌和三頭肌的橫向硬度指數(shù)下降.4.4失重骨骼肌變化和防護失重引起的骨骼肌變化,不僅影響到骨骼肌功能和運動協(xié)調(diào)能力,也是引起心血管調(diào)節(jié)功能(立位耐力和運動能力)下降和骨質(zhì)疏松的原因之一.應(yīng)該指出,上述的失重飛行中的骨骼肌變化是航天員在飛行中采用了多種防護措施(如進行拉力器、自行車功量計、跑臺、阻力器運動和穿企鵝副等)和花費了很多時間(長期飛行每天要進行2～2.5h進行鍛煉)情況下出現(xiàn)的,可以預(yù)料如果沒有這些防護措施,航天員骨骼肌的變化將會更大,將不能進行長期飛行.因此,對失重骨骼肌變化和防護的研究是十分重要的.3.1蛋白質(zhì)代謝失重期蛋白質(zhì)合成率下降、分解率上升導(dǎo)致肌蛋白含量減少,是引起肌萎縮的直接原因.4.1肌肉疲勞、力量和耐力的下降4.2協(xié)調(diào)色散4.3神經(jīng)系統(tǒng)改變失重引起神經(jīng)傳導(dǎo)功能的變化主要表現(xiàn)在肌電變化(優(yōu)勢頻率向高頻段移動,肌電增幅下降,不對稱,對抗肌肌電同時發(fā)生);腱反射閾值降低,持續(xù)時間縮短;神經(jīng)肌肉