长期失重的地面模拟——卧床及其生理研究

航天员对失重的适应和返回地球后的再适应问题,无论在理论上和实践中都未彻底解决。因此,空间适应的机理和“空间适应综合征”的防治,仍是航天医学的重要课题。在地面无法创造长期失重环境,但根据失重对机体的影响,可采用失重模拟实验。其中卧床或头低位卧床是国内外应用最广泛的一种方法。本文概述了模拟失重卧床实验的目的、方法、研究内容、主要结果及国内外研究概况。     

失重效应模拟实验方法及对机体功能影响的研究进展

我国载人航天已经进入中长期飞行阶段,失重是航天员在长期的航天飞行和空间驻留时面临的一种极端的航天特因环境,除了会对航天员的身体健康产生严重的影响,还极易诱发神经精神功能紊乱,包括反应、判断、决策等认知功能减退。由于航天飞行的特殊性,在地面采用实验模拟航天失重,探究失重对机体的影响,并找到防护措施是至关重要的。因此,本文从失重效应模拟实验方法出发,综述模拟失重对机体功能的影响。     

模拟失重实验动物模型的建立与评价

随着航天技术不断发展，航天员太空飞行的时长不断增加。研究发现，航天失重环境可能会使航天员的生理和心理发生一定变化，对航天员的身体健康产生一些影响。为探究这些影响的机制并找出合理的对抗措施，使用实验动物建立模拟失重模型进行深入的研究至关重要，选择与人体组织器官、生理机能和习性相似的实验动物建立模拟失重模型，能更好地帮助相关研究。失重模型应参照能否模拟出由于失重引起心血管骨骼、肌肉等主要系统的变化，来评估模拟失重模型是否成功建立。本文对现有的地面模拟失重动物模型建立和相关研究情况进行了概述，以期为开展相关研究工作提供参考借鉴。     

长期航天飞行心血管保护:问题与挑战

我国即将运行的空间站要求航天员长期驻留太空,航天飞行引发的心血管功能及循环系统调控改变直接影响航天员的健康和工作效能,其中失重是最重要的环境因素.目前人们对短期航天飞行机体的生理变化及适应规律已有一定的经验,但对长期失重所致的心血管变化规律、特征以及相关生理效应发生机制的认识还不够全面和深入,相应的心血管保护措施仍有待完善.阐明及解决上述问题是我国载人航天发展战略的迫切需求.本文综述了失重/模拟失重条件下机体心血管系统的变化、适应特征及相关机制的国内外研究进展,尤其是针对空间站长期微重力环境的心血管效应、现有心血管保护措施以及存在的问题与挑战进行了分析和讨论,希望为我国面向空间站任务长期航天飞行的心血管保护提供借鉴和新思路.     

失重或模拟失重对大脑功能的影响研究进展

在失重或模拟失重环境中,机体会经历一系列的生理和心理变化。大脑作为"中央控制器",其基本功能是控制运动、感觉、认知、情感和记忆等。大脑功能受损将直接影响航天任务的完成,影响航天事业的发展。因此,失重或模拟失重对大脑的影响是航天医学亟待解决的重要问题。综述了失重或模拟失重对大脑功能影响的研究现状,并且从其对神经系统、血管的影响说明其作用机制,以期为解决失重对大脑功能造成的影响相关研究提供参考。     

航天飞行后心血管失调的外周效应器机制假说

作者及其同事曾用尾部悬吊大鼠模型模拟失重时的血液头向转移和重新分布变化,较系统地研究了模拟失重下心肌与动脉血管结构和功能的适应性改变。联系２０世纪９０年代空间研究与地面模拟研究最新进展,多们认为,除血量减少因素外,心血管系统的两个主要效应器－心肌和动脉血管平滑肌,在失重时发生的适应性结构和功能改变可能是导致航天飞行后心血管失调的重要原因之一。     

模拟失重对大肠杆菌K12基因表达及表型的影响

【目的】通过低剪切力模拟失重(Low-shear modeled microgravity,LSMMG)连续传代培养大肠杆菌,检测大肠杆菌在模拟失重条件下的表型变化及基因改变。【方法】利用旋转细胞培养系统模拟失重环境对大肠杆菌K12进行连续传代培养,对菌株进行增殖速率、耐酸性和生物膜形成的测定,以此评估LSMMG对大肠杆菌K12表型的影响。利用转录组测序检测模拟失重条件下差异表达的基因,与表型作比对。【结果】模拟失重导致大肠杆菌增殖速率降低,耐酸性下降,生物膜形成能力增强;模拟失重条件下,营养代谢相关差异表达基因有25个,其中20个表达下降,2个与耐酸相关基因表达均下降。【结论】模拟失重会引起大肠杆菌表型及相应的基因变化,其中生物膜形成能力的增强可能对航天飞行造成潜在威胁。     

肌管细化是失重性肌萎缩结构和功能变化的基础

本文通过新生大鼠原代培养获取骨骼肌肌管,利用水平回转器模拟失重效应,通过F-actin/G-actin以及F-actin/pERK免疫细胞化学染色,观察研究了模拟失重对肌管形态、微丝及磷酸化ERK表达的影响。通过建立的航天飞行失重性肌萎缩的细胞学模型研究发现:回转后肌管变细,F-actin染色减弱伴有G-actin染色增强,同时pERK染色减弱。表明回转模拟失重条件下肌管发生萎缩、微丝解聚并伴随信号转导活性分子磷酸化ERK表达下降。提示肌管细化是失重性肌萎缩结构和功能变化的结构基础     

失重/模拟失重条件下心肌萎缩的发生机制

心肌能够应对内外环境改变而发生重塑。失重/模拟失重等去负荷条件可导致心肌萎缩、心脏功能下降。从系统和细胞分子层面揭示失重/模拟失重造成心肌萎缩的机制对于航天飞行后心血管功能紊乱的对抗研究至关重要。失重/模拟失重导致机体血流动力负荷下降、代谢需求降低和神经内分泌变化;同时导致包括钙相关信号、NF-κB通路、ERK通路、泛素-蛋白酶体途径以及自噬等通路的改变,上述变化在心肌萎缩的发生发展过程中发挥着关键调控作用。本文从系统和细胞分子层面对失重/模拟失重引起心肌萎缩的发生机制进行综述。     

微重力环境对大鼠血浆蛋白质谱的影响

目的:探讨模拟失重环境下大鼠血浆蛋白质组变化特征.方法:健康成年雄性 Wistar 大鼠88只,按模拟失重时相随机分为11组,分别为6 h、12 h、1 d、2 d、3 d、5 d、1周、2周、3周、4周及0 h 组(对照组).采用尾悬吊法建立模拟失重动物模型,实验结束时取动物静脉血,利用表面增强激光解吸电离飞行时间质谱(SELDI-TOF-MS)技术及 MB-WCX 磁珠检测大鼠静脉血浆蛋白质谱,应用 Ciphergen Protein Chip Software 3.2.0和 Biomarker Wizard 3.1.0软件分析数据.结果:发现18个重力敏感蛋白,其中在模拟失重早期,相对分子质量较小的6个蛋白的表达呈上调趋势,而相对分子质量较大的12个蛋白的表达则逐渐下调;在模拟失重后期(悬尾2~3周后),上述蛋白的表达均呈回归趋势.结论:模拟失重环境对大鼠静脉血浆蛋白质谱产生明显影响,研究重力敏感蛋白对进一步揭示失重对机体的影响及机制具有重要意义,并对医监医保可能有一定的价值.     

模拟失重对白假丝酵母菌增殖和毒性的影响

【背景】近年来研究发现,失重条件可对一些致病微生物的增殖和毒性产生影响,白假丝酵母菌(Candida albicans)是典型的条件性致病真菌,在太空环境和人体中普遍存在,研究失重条件下白假丝酵母菌的增殖和毒性意义重大。【目的】利用旋转细胞培养系统(Rotary cell culture system,RCCS)模拟失重环境对白假丝酵母菌进行连续传代培养,检测模拟失重环境对白假丝酵母菌增殖情况、毒性以及基因表达的变化。【方法】将白假丝酵母菌接种在旋转生物反应器(High aspect rotating vessel,HARV)中,利用旋转细胞培养系统连续传代培养14 d,然后对菌株进行增殖速率测定、不同pH条件下增殖能力测定、生物膜相对形成能力测定和细胞毒性和动物毒力测定;利用转录组测序技术找出差异表达基因,结合性状分析模拟失重可能对白假丝酵母菌增殖和毒力的影响。【结果】与对照组相比,模拟失重组白假丝酵母菌对数期提前,增殖速率加快,在适宜pH条件下的增殖能力普遍提高,但其生物膜形成能力相对减弱,对LoVo细胞和小鼠的毒性减弱;转录组测序发现,模拟失重组共有280个基因表达差异达1.5倍以上(P0.05),其中248个上调、32个下调。差异基因经基因功能注释(Gene ontology,GO)和京都基因及基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集分析发现,相关胞膜形成及细胞分裂基因表达上调,生物膜形成、细胞黏附及共生粘连宿主基因表达下调。【结论】模拟失重环境可引起白假丝酵母菌增殖和毒性水平发生变化,相关改变可为研究失重环境对微生物的影响提供参考。     

载人航天的生理学问题

在科学技术高度发展的今天,载人航天已变成了现实。这不仅是空间旅行,而且也对现代生理学、医学提出了许多新的问题,其中“失重”对机体的影响,是科学家们最注意的问题之一。早在六十年代前,就有人报告过在失重时可观察到下肢变得软弱无力.其后,从生物火箭、失重飞机和失重水槽试验以及其它实际观察得知,短期失重,即使几秒、几十秒钟的失重,对人体生理、心理、工作能力等方面会有一定影响,但这种影响是轻微的、暂时的,有些影响可经过一定时间的训练或锻炼,人体完全可以适应,这就     

我国实现全程高密度观察太空青菜生长实验

在失重的环境下,青菜是如何发芽、生长和开花的?“实践8号”育种卫星本月9日在酒泉卫星发射中心顺利升空后,如今每隔2 h,就向地面传回不同时期“记录”太空青菜生长的清晰显微图像。据悉,像这种全程高密度连续观察太空农作物生长的实验,在国内尚属首次,有望对在地面如何培育优质“太空青菜”提供一定参考依据。     

模拟失重环境对大肠杆菌K12表型异质性亚群菌株的影响

【背景】我国未来几年深空探索任务将呈"井喷式"发展,微生物对于航天活动的影响越来越引起关注,而国内外少有表型异质性亚群的研究。【目的】从表型异质性的角度探讨低剪切力模拟失重环境(Low-shearmodeledmicrogravity,LSMMG)和低剪切力正常重力环境(Low-shearnormalgravity,LSNG)对大肠杆菌K12造成的影响。【方法】利用旋转细胞培养系统模拟失重环境对大肠杆菌K12进行连续传代培养,从单克隆形态、颜色以及菌体形态等方面挑选出表型异质性的亚群菌株,对不同菌株进行增殖速率、抗生素耐药性、生物被膜形成、环境压力抵抗力以及细胞毒性的测定,以此评估低剪切力和模拟失重环境对大肠杆菌K12的影响。【结果】利用旋转细胞培养系统连续传代培养,总共分离出4株形态不同的表型异质性亚群菌株,其中2株来自模拟失重组(M1,Ma),另外2株来自正常重力对照组(N1,Na);4株亚群与原始菌株(P)相比,在增殖速率、生物被膜形成、环境压力抵抗力和细胞毒性方面均有增强或减弱的明显变化,对于抗生素的耐药性无明显变化。【结论】低剪切力模拟失重环境以及存在低剪切力的正常重力环境均能引起大肠杆菌表型异质性变化,与原始菌株相比,表型异质性亚群菌株在分化上并没有统一的方向,但仍需警惕那些可能对人类造成危害的变化表型。     

结合模拟失重,改进大学生理学骨骼肌收缩实验

骨骼肌收缩实验作为大学生理学课程中一个传统的教学实验,在国内各高校的生理学教学中多有开设。本教研室一直致力于模拟失重致骨骼肌废用性萎缩方面的研究,结合科研课题对该教学实验进行了改进:以模拟失重小鼠作为实验动物,代替原用的蛙或蟾蜍;在保留原有实验内容的基础上,加入正常小鼠与模拟失重小鼠骨骼肌收缩能力的测定等新内容。通过在教学中的实际应用,发现改进后的实验不但能够完成传统的实验内容,还可通过模拟失重小鼠与正常小鼠收缩能力的测定和对比,体现模拟失重对骨骼肌收缩功能的影响,进而加深学生对骨骼肌收缩过程的理解,提高学生对失重影响人体生理功能的认识。改进后的骨骼肌收缩实验丰富了传统实验的内容,拓宽了该实验的理论和应用,有助于激发学生对生理学的学习兴趣,明显提升教学效果。     

模拟失重大鼠肠系膜小动脉平滑肌细胞电压依赖性钙离子通道电流的改变

本工作旨在探讨短、中期模拟失重下人鼠肠系膜小动脉血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)电压依赖性钙离子通道(voltage-dependent calcium channels,VDC)功能的改变。以尾部悬吊大鼠模型模拟失重对不同部位血管的影响。采用全细胞膜片钳实验技术,以Ba^2 作为载流子,测定1周及4周模拟失重人鼠肠系膜小动脉VSMCs的VDC电流密度、稳态激活与失活曲线及有关参数,并与对照组结果进行比较。研究表明,本实验所记录到的内向电流主要为钡离子通过长时程VDC(L-VDC)所形成的电流。与对照组相比,1周模拟失重大鼠肠系膜小动脉VSMCs的L-VDc电流密度仪呈降低趋势;但4周模拟失重人鼠肠系膜小动脉VSMCs的L-VDC电流密度则已显著降低。此外,与对照组相比,1、4周模拟失重大鼠肠系膜小动脉VSMCs的膜电容、翻转电位与L-VDC的一些动力学特征值,如通道的开放与关闭速率,通道电流稳态激活与火活曲线及其特征拟合参数V0.5与K的值,均末见有显著改变。结果提示：模拟失重下后身小动脉VSMCs的VDC功能降低可能是模拟失重引起人鼠后身动脉收缩反应性降低及适应性萎缩变化的电生理机制之一。     

模拟急性失重致左心功能代偿提高及其调节特性——人体超声斑点追踪应变研究

航空航天失重条件下,循环系统重力方向的流体静压梯度改变引起回心血量增加,心脏形态和功能发生相应改变,其变化特征及代偿机制尚不清楚.本研究旨在明确模拟急性航空负重力及航天微重力条件下心脏前负荷及心脏功能变化的特点及其主要代偿机制,为航空航天心脏保护提供理论依据.研究共纳入健康男性志愿者27例,通过旋转床模拟急性微重力(0...     

模拟失重大鼠心肌与血管组织的热应激诱导HSP70表达

为研究模拟失重是否可以引起大鼠心肌与血管组织HSP70的诱导表达发生改变,用尾部悬吊大鼠模型模拟失重,以研究失重对生理的影响,用Northern杂交与Western印迹分析检测4周模拟失重大鼠热应激后并在室温下恢复1h(SUS-H1)或2h(SUS-H2_心肌,血管组织HSP70表达的变化,结果表明,热应激后,各组大鼠心肌组织的HSP72 mRNA表达的均显著增加,但SUS－H2大鼠心肌组织的表达显著低于CON－H2组;各组大鼠心肌组织HSP72表达也均显著增加,但SUS－H1与SUS－H2大鼠的表达与相应对照组相比,则仅呈降低趋势,其底动脉血管组织的HSP72 mRNA与HSP72诱导表达均显著增高,而在股动脉则两者仅呈降低趋势,上述结果提示,模拟失重可导致大鼠心肌发生类似衰老的心肌改变;身体前,后部血管组织HSP70的诱导表达变化可能与血管的分化性适应方向一致。     

低聚木糖对模拟失重大鼠肠道微生态的影响

目的 研究低聚木糖对模拟失重大鼠肠道微生态的影响。方法 采用大鼠尾部悬吊法模拟失重。32只雄性SD大鼠随机分为4组,每组8只：FC组（地面对照组,饲喂基础饲料）,FS组（地面处理组,饲喂添加低聚木糖的饲料）,SC组（尾吊对照组,饲喂基础饲料）。SS组（尾吊处理组,饲喂添加低聚木糖的饲料）,实验21d,SC和SS组解除尾吊继续观察。实验21d。采用选择性培养基对大鼠粪便肠杆菌、肠球菌、类杆菌、双歧杆菌以及乳杆菌进行定量测定。结果 SC组与FC组相比,双歧杆菌数量减少,肠杆菌和肠球菌数量增加;FS组比FC组双歧杆菌数量增加显著,肠杆菌和肠球菌有不同程度的减少,SS组比SC组双歧杆菌数量增加显著,肠杆菌和肠球菌也有不同程度的减少。类杆菌和乳杆菌变化不明显。尾吊解除期,SS组双歧杆菌数量比SC组更快恢复到正常水平。结论 低聚木糖可促进尾吊大鼠肠道益生菌主要是双歧杆菌的增殖,一定程度上促进由于模拟失重造成肠道微生态失调的平衡,并对条件致病菌具有一定的抑制作用。     

模拟失重对大鼠腹主动脉L-Arg-NO-cGMP通路的影响

目的:观察尾部悬吊模拟失重对大鼠腹主动脉舒张反应性与一氧化氮合酶表达的影响。方法:体重300~330 g的20只雄性SD大鼠按体重配对随机分为对照组与模拟失重组,模拟失重大鼠采用尾部悬吊方法模拟失重。4周后,利用离体动脉血管环舒张实验与Western blot蛋白免疫印迹方法观察了腹主动脉舒张反应性和腹主动脉一氧化氮合酶eNOS(endothelial NOS)和iNOS(inducible NOS)的表达。结果:悬吊大鼠腹主动脉环对左旋精氨酸(L-Arg)与乙酰胆碱(Ach)的舒张反应显著低于对照,而对硝普钠(SNP)与环磷酸鸟苷(cGMP)的舒张反应在两组间无显著不同。其敏感性在两组间均无显著差别。腹主动脉的eNOS与iNOS表达在模拟失重组与对照组间亦未发现显著差别。结论:本工作提示尾部悬吊模拟失重下大鼠腹主动脉舒张反应的减弱可能是动脉血管内皮功能改变的结果,尤其是NOS活性的变化可能更为重要。