国际空间站上宇航员的日常锻炼如何改变他们的骨质流失速度?人类个体差异能否解释微重力环境下骨质流失的差异?

斯蒂芬·尤德克斯,石溪大学生物医学工程副教授,对这一难题提供了见解。

太空中骨质流失的程度和速度令人震惊:平均而言,宇航员每月会损失约 2% 的下肢骨骼(与四肢相关的部分)骨矿物质。

目前,所有太空旅行者每天在跑步机上或使用产生运动阻力的设备锻炼约两个小时。宇航员和航天员群体中几乎没有不锻炼的人,这实际上排除了对太空锻炼是否对骨骼有益进行适当分析的可能性。然而,很明显,目前太空中的锻炼方案充其量只能部分有效地阻止骨质流失。因此,尚未确定预防骨质流失所需的锻炼数量和质量。


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重要的是要记住,活动形式多种多样,就像在地球上一样,骨骼对某些活动的反应比对其他活动更好。虽然运动是一种复杂的刺激,可以影响人体内的许多不同系统(例如,肌肉、心血管、神经或激素系统),但骨骼主要对由内部(肌肉)或外部(地面反作用力)力产生的机械刺激敏感。

大多数科学家都认为,太空中的锻炼很难复制地球上的日常负荷条件。不幸的是,尚不清楚应该加强机械负荷环境的哪个方面才能获得更高的效率:宇航员的锻炼是否应该包含更大的力量和更大的力施加速率(如冲击负荷)?或者宇航员应该更频繁地进行短时间锻炼?也许应该让骨骼承受更大数量的、力幅度更小的加载周期(基本上是振动)?世界各地不同实验室的许多研究目前正在解决这些问题和其他问题。

虽然太空骨骼的退化已被广泛认识,但个体之间骨质流失的巨大差异却鲜为人知。在为期六个月的任务返回地球后,一些个体在特定骨骼部位损失了高达 25% 的骨骼结构,而另一些宇航员则基本上没有明显的骨质流失。这就引出了一个问题:究竟是什么区分了“失败者”和“非失败者”? 识别这些差异可能直接导致开发有效的骨质流失对策。

鉴于所有宇航员都在太空中锻炼,研究人员研究了影响骨量的其他因素,以调查它们是否可以解释观察到的个体差异。在这些因素中,最常被讨论的是辐射、营养和遗传。

最不为人所知的因素是辐射。目前,关于不同类型太空辐射对骨骼影响的研究很少,但在不久的将来可能会变得突出。目前,对于为期 2.5 年的火星之旅中辐射对骨骼的影响尚未达成共识。无论如何,给定行程中的所有个体都将受到相似水平的辐射。因此,仅辐射本身无法解释骨量的个体差异。同样,由于膳食选择相对较少(营养成分已根据太空中的营养需求进行了优化),营养受到严格控制,并且不易发生巨大变化。

然而,长期以来人们都知道,个体之间的基因变异是造成地球上骨量差异的原因。根据太空中个体之间运动水平、辐射和饮食的统一性,似乎很明显,个体的基因型可能强烈影响太空中的骨质流失水平。虽然这很有趣,但由于在太空中停留相当长时间的人数相对较少,因此很难直接检验这种假设。(出于统计原因,基因研究通常需要较大的样本量。)

幸运的是,近交系小鼠的可用性使得可以通过模拟太空飞行的动物模型对这一假设进行一些测试。这些研究表明,与人类一样,某些基因品系小鼠的骨骼容易发生骨质流失,而其他小鼠品系则几乎没有反应。因此,基因可能确实在决定个体在太空中的骨骼变化中起着重要作用。未来鉴定出负责这一性状的特定基因可能最终有助于设计有效预防骨质流失的策略。

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