出品：科普中國

制作：中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心香港浸會大學羅守輝骨與關(guān)節(jié)疾病轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究所張戈教授&呂愛平教授課題組中國科普博覽

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

編者按：

昨晚發(fā)射成功的天舟一號，除了要與天宮二號交會對接、實施推進劑在軌補加，還要開展一系列空間科學實驗和技術(shù)試驗的任務。

中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心是載人航天工程空間應用系統(tǒng)的總體單位，代表中國科學院抓總負責載人航天空間科學與應用任務的規(guī)劃、實施及成果產(chǎn)出與推廣，具體承擔工程研制的組織管理，系統(tǒng)設(shè)計、集成、測試，可靠性保障，在軌技術(shù)支持，有效載荷運控管理，數(shù)據(jù)獲取及應用成果的推廣服務等系統(tǒng)技術(shù)支持、支撐、保障、服務工作。

在此特別感謝中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心的支持！

天舟一號上，搭載了一項研究“空間骨丟失”機制的實驗，由香港浸會大學羅守輝骨與關(guān)節(jié)疾病轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究所張戈教授和呂愛平教授課題組負責。

為什么要研究空間中的骨丟失問題呢？

微重力對科學家來說是一個讓人又愛又恨的環(huán)境：許多在地面上因重力無法進行的實驗，在微重力環(huán)境下都能順利完成。然而，航天醫(yī)學專家對微重力的環(huán)境是感到擔憂的，它對宇航員的健康產(chǎn)生了巨大威脅。

隨著1961年4月前蘇聯(lián)宇航員尤里·加加林乘坐“東方號”飛船進入了人造地球衛(wèi)星軌道，人類開啟了探索宇宙的時代。隨著飛行時間的逐漸增加，航天醫(yī)學專家逐漸察覺到微重力對健康的影響：空間骨流失。

圖1

空間骨流失是空間飛行的生理反應現(xiàn)象。人類長時間在空間微重力環(huán)境中會引起多個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的變化，包括心血管、骨骼和肌肉等。其中，骨骼作為重要的重力承受和感知器官，在正常生理環(huán)境中，會隨著受力刺激的變化，而不斷更新和重建。但是，在空間微重力環(huán)境的影響下，人體骨骼長期處于無負荷和無應力刺激狀態(tài)，會導致失重性骨質(zhì)變化，從而對航天員的身體健康構(gòu)成巨大的危害，這些危害主要表現(xiàn)為持續(xù)性的骨量丟失，生物力學性能下降，骨鈣素分泌降低等，即微重力誘導的骨質(zhì)減少或骨質(zhì)疏松。

前蘇聯(lián)科學家首次在“東方號”2號、3號宇航員托夫、尼古拉耶夫身上觀察到了尿液中的鈣的流失。NASA約翰遜太空中心醫(yī)學部的科學家蘭博（P. C. Rambaut）以此寫了一篇綜述文章《太空中骨骼的變化》并引起了全球航天醫(yī)學研究者的注意。

無獨有偶，“宇宙號110”上的兩只太空犬在飛行的22天中，骨密度減少了10%，排泄物中的含鈣量也都翻了一倍。

說完蘇聯(lián)，再來看看美國。

美國在結(jié)束阿波羅計劃后，在上世紀七十年代推出了第一個環(huán)繞地球的試驗性空間站——天空實驗室（Skylab），它先后搭載3批航天員駐留太空28天、59天和84天不等。它在太空駐留時間足夠長，堪稱航天醫(yī)學發(fā)展史上的里程碑。

以蘭博為代表的NASA航天醫(yī)學專家在天空實驗室的3名航天員身上，也發(fā)現(xiàn)了“骨丟失”的現(xiàn)象——他們腳跟處的骨骼中，骨密度分別減少了7.4%、4.5%、7.9%。

在如此多的事實數(shù)據(jù)面前，蘭博認為，從理論上來講，這些骨骼的變化應和微重力相關(guān)。毫無疑問，這就是“空間骨丟失”。

所以，人類未來想要進行深空探索并長時間駐留，甚至想登陸火星，就必須克服微重力帶來的健康挑戰(zhàn)。

中國航天員中心航天醫(yī)學基礎(chǔ)與應用國家重點實驗室研究員李英賢曾說道，在微重力條件下，由于人體骨骼不必承擔人體的全部重量，肌肉運動也減少了對骨骼的刺激，這導致骨質(zhì)大量脫鈣并經(jīng)腎臟排出體外。

美國國家航空航天局也曾將空間骨丟失為所有空間飛行風險因素之首。

圖2 航天員在空間站上曾實驗過多種對抗措施，包括服用維生素K 在內(nèi)的特殊藥物、每天兩小時跑步，但都沒有解決骨丟失的問題。（南方周末資料圖）

空間骨流失的成因

多年來，航天醫(yī)學專家一直在尋求“空間骨丟失”的形成機理以及解決方案。研究團隊曾實驗表明，微重力環(huán)境對“成骨細胞”特定基因和蛋白表達有抑制作用，使“成骨細胞”的活性受到抑制，最終發(fā)展為空間骨丟失。

許多證據(jù)表明，在太空生活一個月航天員所損失的骨質(zhì)，相當于患骨質(zhì)疏松的老年婦女在地面一年損失的骨質(zhì)。不僅如此，失重所導致的骨丟失將隨飛行時間的延長而持續(xù)加重。這種骨質(zhì)疏松一旦形成，即使回到地面的重力環(huán)境后也難以逆轉(zhuǎn)。

不僅太空實驗，世界各國也在開展各類模擬微重力環(huán)境條件的實驗并找到了類似的證據(jù)。例如，2011年，中國航天員訓練中心與中科院心理所合作，開展了“45天-6度頭低位臥床實驗模擬失重試驗”，招募了16名志愿者躺在床上進行日?；顒印＝Y(jié)果表明，志愿者骨密度的多少受到了模擬微重力的影響。

空間微重力環(huán)境中CKIP-1對成骨細胞分化的影響

空間微重力造成的骨丟失問題已經(jīng)成為制約人類向更深、更遠、更高的外層空間探索的重要限制因素之一，如何將空間微重力造成的骨丟失降低到最小程度是航天醫(yī)學面臨的最大挑戰(zhàn)。

CKIP-1（casein kinase 2 interacting protein-1, 酪蛋白激酶2相互作用蛋白-1）是一個重要的骨形成負調(diào)控因子。在正常生理環(huán)境中的研究表明，CKIP-1可以特異的與泛素連接酶Smurf1（Smad ubiquitination regulatory factor 1）相互作用，增強泛素連接酶活性，促進其對底物如Smad1/5等BMP通路中重要信號轉(zhuǎn)導分子的降解，抑制成骨細胞活化，從而負調(diào)控骨形成。

在此基礎(chǔ)上，我們又進一步發(fā)現(xiàn)老年人和老年大鼠在增齡過程中骨形成下降的同時骨組織CKIP-1的表達水平逐漸升高，兩者呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，提示CKIP-1在老年人骨形成能力降低的分子機制中的潛在作用。在成骨細胞中實現(xiàn)CKIP-1的基因靜默，可以在體外促進人、猴、大鼠成骨樣細胞的分化活性和礦化功能，在體內(nèi)可以促進骨質(zhì)疏松大鼠模型的骨形成。

上述研究僅僅是在正常生理環(huán)境下進行的，CKIP-1在空間微重力環(huán)境中是否還有上述作用仍然未知，因此，有必要研究CKIP-1在空間微重力環(huán)境中對成骨細胞功能的調(diào)控機制，揭示新的微重力狀態(tài)下的促骨形成候選靶標。

在空間應用系統(tǒng)天舟一號任務生命科學實驗項目中， 我們將研究二氧化碳非依賴的CKIP-1基因靜默成骨細胞在空間微重力環(huán)境中的礦化情況，以期為宇航員的空間骨丟失問題提供理論基礎(chǔ)和潛在治療策略。

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