國際空間站上宇航員的日常鍛鍊如何改變他們的骨質流失速度?人類個體差異能否解釋微重力環境下骨質流失的差異?

斯蒂芬·尤德克斯,石溪大學生物醫學工程副教授,對這一難題提供了見解。

太空中骨質流失的程度和速度令人震驚:平均而言,宇航員每月會損失約 2% 的下肢骨骼(與四肢相關的部分)骨礦物質。

目前,所有太空旅行者每天在跑步機上或使用產生運動阻力的裝置鍛鍊約兩個小時。宇航員和航天員群體中幾乎沒有不鍛鍊的人,這實際上排除了對太空鍛鍊是否對骨骼有益進行適當分析的可能性。然而,很明顯,目前太空中的鍛鍊方案充其量只能部分有效地阻止骨質流失。因此,尚未確定預防骨質流失所需的鍛鍊數量和質量。


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重要的是要記住,活動形式多種多樣,就像在地球上一樣,骨骼對某些活動的反應比對其他活動更好。雖然運動是一種複雜的刺激,可以影響人體內的許多不同系統(例如,肌肉、心血管、神經或激素系統),但骨骼主要對由內部(肌肉)或外部(地面反作用力)力產生的機械刺激敏感。

大多數科學家都認為,太空中的鍛鍊很難複製地球上的日常負荷條件。不幸的是,尚不清楚應該加強機械負荷環境的哪個方面才能獲得更高的效率:宇航員的鍛鍊是否應該包含更大的力量和更大的力施加速率(如衝擊負荷)?或者宇航員應該更頻繁地進行短時間鍛鍊?也許應該讓骨骼承受更大數量的、力幅度更小的載入週期(基本上是振動)?世界各地不同實驗室的許多研究目前正在解決這些問題和其他問題。

雖然太空骨骼的退化已被廣泛認識,但個體之間骨質流失的巨大差異卻鮮為人知。在為期六個月的任務返回地球后,一些個體在特定骨骼部位損失了高達 25% 的骨骼結構,而另一些宇航員則基本上沒有明顯的骨質流失。這就引出了一個問題:究竟是什麼區分了“失敗者”和“非失敗者”? 識別這些差異可能直接導致開發有效的骨質流失對策。

鑑於所有宇航員都在太空中鍛鍊,研究人員研究了影響骨量的其他因素,以調查它們是否可以解釋觀察到的個體差異。在這些因素中,最常被討論的是輻射、營養和遺傳。

最不為人所知的因素是輻射。目前,關於不同型別太空輻射對骨骼影響的研究很少,但在不久的將來可能會變得突出。目前,對於為期 2.5 年的火星之旅中輻射對骨骼的影響尚未達成共識。無論如何,給定行程中的所有個體都將受到相似水平的輻射。因此,僅輻射本身無法解釋骨量的個體差異。同樣,由於膳食選擇相對較少(營養成分已根據太空中的營養需求進行了最佳化),營養受到嚴格控制,並且不易發生巨大變化。

然而,長期以來人們都知道,個體之間的基因變異是造成地球上骨量差異的原因。根據太空中個體之間運動水平、輻射和飲食的統一性,似乎很明顯,個體的基因型可能強烈影響太空中的骨質流失水平。雖然這很有趣,但由於在太空中停留相當長時間的人數相對較少,因此很難直接檢驗這種假設。(出於統計原因,基因研究通常需要較大的樣本量。)

幸運的是,近交系小鼠的可用性使得可以透過模擬太空飛行的動物模型對這一假設進行一些測試。這些研究表明,與人類一樣,某些基因品系小鼠的骨骼容易發生骨質流失,而其他小鼠品系則幾乎沒有反應。因此,基因可能確實在決定個體在太空中的骨骼變化中起著重要作用。未來鑑定出負責這一性狀的特定基因可能最終有助於設計有效預防骨質流失的策略。

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