火星之旅对人体的消耗不仅仅是时间。在最初的晕动病过后，一种超乎寻常的生理转变开始了。没有重力的向下牵引，肌肉会萎缩。心脏会缩小。骨骼会变得脆弱。免疫系统会衰退。血液和其他体液会涌向头部，压迫眼睛并损害视力。90分钟的一天会扰乱宇航员的昼夜节律，辐射会扰乱他们的DNA。
“这就是你付出的代价，”加拿大航天局宇航员大卫·圣-雅克告诉《自然-医学》。 “这对你的身体来说很艰难。” 作为一名医疗专业人士和太空旅行者，圣-雅克每次离开同温层都必须平衡两个相互竞争的优先事项。“去太空很有趣，”他说。“但这对你非常非常不利。”
在国际空间站（ISS）上待六个月——平均任务时长——会造成惊人的损害。在那段时间里，宇航员的骨密度会降低，他们的动脉会增厚和僵硬，相当于正常地球衰老十年的程度。在六个月的时间里，宇航员的体温可能会升高1摄氏度，因为他们暴露于相当于375次胸部X光照射的辐射，并且更容易患上肾结石、过敏症和传染病。
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甚至宇航员的身高也会在太空中发生变化，贝勒医学院太空健康转化研究所首席医疗官伊曼纽尔·乌尔基塔告诉《自然-医学》。 “我们被设计成生活在地球上的泡泡里。” 一旦我们离开那个安全的避风港，“几乎每个器官系统都会受到影响，”他说，“以这样或那样的方式。”
随着航天机构准备在未来十年重返月球，并在那之后前往火星，太空医学研究继续雄心勃勃且具有突破性。“对于极端环境，你需要极端的方法，”乌尔基塔说。“你需要听起来疯狂的解决方案。”
地球居民应该从这些创新中受益。“是的，我们想去火星，”多伦多大学和特里利乌姆健康合作伙伴的医学教授、法国国际空间大学的教员法尔汉·M·阿斯拉尔告诉《自然-医学》。 当谈到将我们带到那里的技术成就时，他问道“我们如何利用这些来造福地球和地球上的医疗保健？” 已经，为帮助宇航员生存而开发的技术——包括远程医疗、便携式超声波、空气净化器和重力补偿紧身衣，仅举几个例子——已经进入地球医疗保健机构。
“太空探索可能是让我们挠头思考的完美借口，”圣-雅克说，“并推动医学发展。”
远程医疗的模板
欧洲航天局研究和有效载荷项目协调员图·珍妮弗·吴-安告诉《自然-医学》，让人类成为太空物种已成为太空医学的核心挑战。“仅仅把他们带到那里并让他们完整地回来是不够的，”吴-安说。相反，研究人员正在研究如何装备宇航员，以便他们可以充当自己的医疗服务提供者：监测自己的健康状况，诊断任何问题，并使用船上的一切物品进行治疗。
国际空间站位于地球上方240英里处，必须充当集家庭、办公室、研究实验室、杂货店、药房、健身房和医院于一体的角色。来自地球的定期补给航班带来食物、实验品和药品。
人类离地球越远，补给航班就越具挑战性。近年来，一些研究人员专注于如何用生物铸造厂（植物）来扩充航天器的物资储备。通过使用转基因植物作为化学工厂，宇航员有朝一日可以在太空种植他们需要的药物。
通信是深空旅行者的另一个问题。在火星上，与地球的通信延迟可能高达20分钟——单向。这意味着宇航员将无法依赖任务控制中心医疗专业人员的指导，也无法依赖跨越数百万英里广阔空间的食物或药物补给。“他们将需要在不依赖地球的情况下诊断和治疗自己，”乌尔基塔说。
加拿大航天局宇航员大卫·圣-雅克试穿生物监测仪，这是一种创新的智能衬衫，旨在测量和记录宇航员的生命体征。 来源：加拿大航天局/美国国家航空航天局
为帮助宇航员在工具和知识有限的情况下进行基础医疗而开发的技术，已经帮助在南极洲、海上船舶或家庭护理环境等偏远地区提供医疗保健，这些地区难以进入，并且面临医疗保健工作者和物资短缺的问题。“我们都渴望医疗服务来到我们身边，”圣-雅克说。 例如，一位体弱多病且卧床不起的老年人。“他们可能也身处太空，他们太难接触到了，”他说。
2021年9月，SpaceX的Inspiration4任务的全平民四人机组人员测试了Butterfly iQ，这是一种手持式超声波设备，无需任何地面支持即可拍摄他们的心脏、肺和泌尿系统的图像。 同一款袖珍设备已经部署在世界各地的农村社区，那里距离X光、CT和MRI机器有数小时的路程。 其他远程监测创新，如微型和可穿戴式扫描设备，可以收集和跟踪宇航员的生物医学数据，如呼吸、心率、体温和血氧水平。
这使得宇航员能够在健康问题出现时立即识别出来。 这些相同的设备可以全天候自主监测医院的危重病人。 一种为太空开发的便携式、可自行操作的视力测试工具可以帮助宇航员应对与太空相关的视力变化，以及全球超过十亿因未被发现和未被矫正的眼部问题而遭受视力不佳的人。
其他突破导致了不需要专家操作的轨道实验室测试系统。“它们正在为你不必去中心化实验室或抽取一整瓶血并等待整整一周才能获得结果铺平道路。” 乌尔基塔说。 这些测试可能对农村或偏远社区产生积极影响。
完美的豚鼠
1961年4月12日，俄罗斯宇航员尤里·加加林绕地球108分钟的轨道飞行标志着人类在外太空短暂历史上的第一个事件。 当时，科学家们意识到太空的物理环境——失重、辐射、极端温度和真空条件——对人体来说是充满敌意的。 但太空旅行对人体的确切生理影响仍然是一个悬而未决的问题。
“在阿波罗任务飞行之前，工程界为航天器和运载火箭的所有部件制定了0.999的可靠性数据。 他们希望我对[人类]也这样做，”美国国家航空航天局（NASA）飞行外科医生查尔斯·贝里后来回忆道。“我曾多次说过，我无法为宇航员做到这一点。”
跟随加加林进入太空的人不到600人，但对如何保护人体免受太空危险的理解已经发生了巨大的转变。 这部分归功于在国际空间站上进行研究（估计超过3,000项科学实验）或作为试验对象参与人体实验的宇航员。
约翰·霍普金斯大学医学院人类航天研究员、美国国家航空航天局人类研究项目前首席科学家马克·舍尔哈默说，在宇航员身上控制实验要容易得多。 运动和社会动态等变量“在地球上几乎不可能以连贯的方式衡量，”舍尔哈默说，但在航天器严格的限制下很容易跟踪。“我们知道他们吃什么，睡多久，工作量多少。”
然而，在地球上，研究人员只能寄希望于参与者诚实并遵守研究规则，而宇航员有义务认真而精确地执行指示，这通常是为了他们自己的安全。“他们非常非常擅长遵循程序。 他们会一丝不苟地遵循，”乌尔基塔说。“在地面试验中，你没有这种奢侈。” 圣-雅克同意，“我们是完美的豚鼠。”
迄今为止，在太空进行的健康研究受到样本量小、不可能进行盲法以及参与者绝大多数是白人男性人口的严重限制。 但随着太空旅行对太空游客变得越来越容易，其中一些统计和代表性弱点可能会开始改善。
例如，Inspiration4任务由第一位驾驶航天器的黑人女性领导，其中包括一位29岁的癌症幸存女性。 在他们为期三天的任务中，机组人员测量了他们的心脏活动、运动、睡眠、血氧饱和度和认知能力。 他们还对器官进行了超声波检查，采集并分析了血液，并测试了平衡感和感知力。
舍尔哈默将研究Inspiration4的数据，以了解前庭系统（帮助身体保持平衡）在失重环境中以及返回地球后如何运作。 这项研究最终可能会帮助地球上患有眩晕等疾病的人，舍尔哈默说，这是“太空是我们在地球上面临的所有事情的急性形式”的一个例子。
前往火星并返回
前往火星需要进一步的医学进步，以便宇航员能够在往返旅程中生存下来。
研究人员正在探索如何让宇航员进入冬眠状态，以降低他们在估计为期三年的火星往返旅程中的代谢率、耗氧量、二氧化碳产量和卡路里需求。 人们希望这将为地球上低温保存组织和器官以进行移植的努力提供信息。 与目前在有限的时间窗口内匹配捐赠者和接受者的竞赛不同，低温保存可以让器官存放在冷冻库中，以便在需要时随时取出。
前往火星还将使宇航员暴露于多年的宇宙射线照射，增加他们患癌症的风险并损害他们的心血管和中枢神经系统。“这种辐射是持续不断的，”乌尔基塔说。“低剂量，但慢性。” 在地球上，可以通过铅围裙和厚厚的混凝土板来减轻辐射暴露——这些解决方案对于太空飞行来说太重了。 相反，研究人员正在探索分子方法来增强宇航员的细胞修复能力，例如使用腺相关病毒载体进行基因治疗，这可以在宇航员离开地面之前保护他们免受辐射。 用于保护宇航员免受辐射的病毒基因治疗可以防止对车载药物的需求，并且可以提供长达数年的持久保护。
如果成功，这种病毒基因治疗可能在地球上有许多应用，包括通过基因屏蔽非癌细胞免受损害，仅使癌症暴露，从而帮助最大限度地减少放射疗法对癌症患者的有害影响。
“我们在太空中所做的一切都会对地球产生衍生效应，”乌尔基塔说。“如果不是100%，也接近100%。”
微重力的优点
生活在太空的最大挑战之一是微重力环境，但这为研究提供了好处。“将重力排除在外是有优势的，”美国国家航空航天局国际空间站项目办公室项目科学家布莱恩·丹斯伯里说，因为它允许“在有1g向下压力时不容易做到的事情。”
在微重力下，液体不需要固体容器；它们形成受表面张力约束的漂浮球体。 微重力下的流体动力学正在帮助医学研究人员研究淀粉样原纤维，这种蛋白质缠结顽固地积聚在患有阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病的人的大脑中。 在地球上，由于淀粉样原纤维的物理、化学和静电特性，科学家们很难在体外培养淀粉样原纤维。 这就是微重力可以派上用场的地方。 早期研究表明，可能可以在国际空间站的微重力环境中，在独立的液滴中生长和研究淀粉样原纤维。 如果淀粉样蛋白可以生长，就可以被理解，这可能会解开对相关神经退行性疾病的理解。
微重力减缓了晶体的形成，因此在没有重力的情况下生产高质量晶体是可能且更容易的。 这些高质量晶体可用于结构生物学研究。 此外，药物研究正在探索如何将静脉液体治疗转化为太空中的均匀结晶形式，这可能为更多廉价、纯净、可注射、速效和保质期长的药物铺平道路——这对宇航员有用，但在地球上有大量的应用。
细胞生物学实验在微重力下会发生改变，干细胞更长时间地保持其干性。 这可以改善依赖于大量干细胞的个性化干细胞疗法，这些干细胞难以在二维细胞培养物中生长。 研究人员已经开始测试在太空培养干细胞以收获并在地球上的诊所中使用的可行性。 科学家将利用微重力的影响来研究癌症如何生长，并计划在中国的全新天宫空间站进行实验。 希望这种在微重力下学到的对癌细胞生物学的更深入理解将导致新的癌症治疗方法。
一个相当先进的领域是将微重力用于工程和材料科学。 工程师们正在开发一种在太空制造视网膜植入物或人工视网膜的系统，在太空中，微重力允许更均匀的层叠。 地球上生物打印可移植材料的努力受到了重力的阻碍，丹斯伯里说，重力会使花边状的血管和神经网络坍塌。 未来，太空可能为打印出这些脆弱的组织提供恰到好处的条件。
“这在目前仍然是科幻小说，”丹斯伯里说，“但我们正在迈出第一步。”
本文经许可转载，并于2022年2月9日首次发表。