火星之旅對人體的消耗不僅僅是時間。在最初的暈動病過後，一種超乎尋常的生理轉變開始了。沒有重力的向下牽引，肌肉會萎縮。心臟會縮小。骨骼會變得脆弱。免疫系統會衰退。血液和其他體液會湧向頭部，壓迫眼睛並損害視力。90分鐘的一天會擾亂宇航員的晝夜節律，輻射會擾亂他們的DNA。
“這就是你付出的代價，”加拿大航天局宇航員大衛·聖-雅克告訴《自然-醫學》。 “這對你的身體來說很艱難。” 作為一名醫療專業人士和太空旅行者，聖-雅克每次離開同溫層都必須平衡兩個相互競爭的優先事項。“去太空很有趣，”他說。“但這對你非常非常不利。”
在國際空間站（ISS）上待六個月——平均任務時長——會造成驚人的損害。在那段時間裡，宇航員的骨密度會降低，他們的動脈會增厚和僵硬，相當於正常地球衰老十年的程度。在六個月的時間裡，宇航員的體溫可能會升高1攝氏度，因為他們暴露於相當於375次胸部X光照射的輻射，並且更容易患上腎結石、過敏症和傳染病。
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甚至宇航員的身高也會在太空中發生變化，貝勒醫學院太空健康轉化研究所首席醫療官伊曼紐爾·烏爾基塔告訴《自然-醫學》。 “我們被設計成生活在地球上的泡泡裡。” 一旦我們離開那個安全的避風港，“幾乎每個器官系統都會受到影響，”他說，“以這樣或那樣的方式。”
隨著航天機構準備在未來十年重返月球，並在那之後前往火星，太空醫學研究繼續雄心勃勃且具有突破性。“對於極端環境，你需要極端的方法，”烏爾基塔說。“你需要聽起來瘋狂的解決方案。”
地球居民應該從這些創新中受益。“是的，我們想去火星，”多倫多大學和特里利烏姆健康合作伙伴的醫學教授、法國國際空間大學的教員法爾漢·M·阿斯拉爾告訴《自然-醫學》。 當談到將我們帶到那裡的技術成就時，他問道“我們如何利用這些來造福地球和地球上的醫療保健？” 已經，為幫助宇航員生存而開發的技術——包括遠端醫療、行動式超聲波、空氣清淨機和重力補償緊身衣，僅舉幾個例子——已經進入地球醫療保健機構。
“太空探索可能是讓我們撓頭思考的完美藉口，”聖-雅克說，“並推動醫學發展。”
遠端醫療的模板
歐洲航天局研究和有效載荷專案協調員圖·珍妮弗·吳-安告訴《自然-醫學》，讓人類成為太空物種已成為太空醫學的核心挑戰。“僅僅把他們帶到那裡並讓他們完整地回來是不夠的，”吳-安說。相反，研究人員正在研究如何裝備宇航員，以便他們可以充當自己的醫療服務提供者：監測自己的健康狀況，診斷任何問題，並使用船上的一切物品進行治療。
國際空間站位於地球上方240英里處，必須充當集家庭、辦公室、研究實驗室、雜貨店、藥房、健身房和醫院於一體的角色。來自地球的定期補給航班帶來食物、實驗品和藥品。
人類離地球越遠，補給航班就越具挑戰性。近年來，一些研究人員專注於如何用生物鑄造廠（植物）來擴充航天器的物資儲備。透過使用轉基因植物作為化學工廠，宇航員有朝一日可以在太空種植他們需要的藥物。
通訊是深空旅行者的另一個問題。在火星上，與地球的通訊延遲可能高達20分鐘——單向。這意味著宇航員將無法依賴任務控制中心醫療專業人員的指導，也無法依賴跨越數百萬英里廣闊空間的食物或藥物補給。“他們將需要在不依賴地球的情況下診斷和治療自己，”烏爾基塔說。
加拿大航天局宇航員大衛·聖-雅克試穿生物監測儀，這是一種創新的智慧襯衫，旨在測量和記錄宇航員的生命體徵。 來源：加拿大航天局/美國國家航空航天局
為幫助宇航員在工具和知識有限的情況下進行基礎醫療而開發的技術，已經幫助在南極洲、海上船舶或家庭護理環境等偏遠地區提供醫療保健，這些地區難以進入，並且面臨醫療保健工作者和物資短缺的問題。“我們都渴望醫療服務來到我們身邊，”聖-雅克說。 例如，一位體弱多病且臥床不起的老年人。“他們可能也身處太空，他們太難接觸到了，”他說。
2021年9月，SpaceX的Inspiration4任務的全平民四人機組人員測試了Butterfly iQ，這是一種手持式超聲波裝置，無需任何地面支援即可拍攝他們的心臟、肺和泌尿系統的影像。 同一款袖珍裝置已經部署在世界各地的農村社群，那裡距離X光、CT和MRI機器有數小時的路程。 其他遠端監測創新，如微型和可穿戴式掃描裝置，可以收集和跟蹤宇航員的生物醫學資料，如呼吸、心率、體溫和血氧水平。
這使得宇航員能夠在健康問題出現時立即識別出來。 這些相同的裝置可以全天候自主監測醫院的危重病人。 一種為太空開發的行動式、可自行操作的視力測試工具可以幫助宇航員應對與太空相關的視力變化，以及全球超過十億因未被發現和未被矯正的眼部問題而遭受視力不佳的人。
其他突破導致了不需要專家操作的軌道實驗室測試系統。“它們正在為你不必去中心化實驗室或抽取一整瓶血並等待整整一週才能獲得結果鋪平道路。” 烏爾基塔說。 這些測試可能對農村或偏遠社群產生積極影響。
完美的豚鼠
1961年4月12日，俄羅斯宇航員尤里·加加林繞地球108分鐘的軌道飛行標誌著人類在外太空短暫歷史上的第一個事件。 當時，科學家們意識到太空的物理環境——失重、輻射、極端溫度和真空條件——對人體來說是充滿敵意的。 但太空旅行對人體的確切生理影響仍然是一個懸而未決的問題。
“在阿波羅任務飛行之前，工程界為航天器和運載火箭的所有部件制定了0.999的可靠性資料。 他們希望我對[人類]也這樣做，”美國國家航空航天局（NASA）飛行外科醫生查爾斯·貝里後來回憶道。“我曾多次說過，我無法為宇航員做到這一點。”
跟隨加加林進入太空的人不到600人，但對如何保護人體免受太空危險的理解已經發生了巨大的轉變。 這部分歸功於在國際空間站上進行研究（估計超過3,000項科學實驗）或作為試驗物件參與人體實驗的宇航員。
約翰·霍普金斯大學醫學院人類航天研究員、美國國家航空航天局人類研究專案前首席科學家馬克·舍爾哈默說，在宇航員身上控制實驗要容易得多。 運動和社會動態等變數“在地球上幾乎不可能以連貫的方式衡量，”舍爾哈默說，但在航天器嚴格的限制下很容易跟蹤。“我們知道他們吃什麼，睡多久，工作量多少。”
然而，在地球上，研究人員只能寄希望於參與者誠實並遵守研究規則，而宇航員有義務認真而精確地執行指示，這通常是為了他們自己的安全。“他們非常非常擅長遵循程式。 他們會一絲不苟地遵循，”烏爾基塔說。“在地面試驗中，你沒有這種奢侈。” 聖-雅克同意，“我們是完美的豚鼠。”
迄今為止，在太空進行的健康研究受到樣本量小、不可能進行盲法以及參與者絕大多數是白人男性人口的嚴重限制。 但隨著太空旅行對太空遊客變得越來越容易，其中一些統計和代表性弱點可能會開始改善。
例如，Inspiration4任務由第一位駕駛航天器的黑人女性領導，其中包括一位29歲的癌症倖存女性。 在他們為期三天的任務中，機組人員測量了他們的心臟活動、運動、睡眠、血氧飽和度和認知能力。 他們還對器官進行了超聲波檢查，採集並分析了血液，並測試了平衡感和感知力。
舍爾哈默將研究Inspiration4的資料，以瞭解前庭系統（幫助身體保持平衡）在失重環境中以及返回地球后如何運作。 這項研究最終可能會幫助地球上患有眩暈等疾病的人，舍爾哈默說，這是“太空是我們在地球上面臨的所有事情的急性形式”的一個例子。
前往火星並返回
前往火星需要進一步的醫學進步，以便宇航員能夠在往返旅程中生存下來。
研究人員正在探索如何讓宇航員進入冬眠狀態，以降低他們在估計為期三年的火星往返旅程中的代謝率、耗氧量、二氧化碳產量和卡路里需求。 人們希望這將為地球上低溫儲存組織和器官以進行移植的努力提供資訊。 與目前在有限的時間視窗內匹配捐贈者和接受者的競賽不同，低溫儲存可以讓器官存放在冷凍庫中，以便在需要時隨時取出。
前往火星還將使宇航員暴露於多年的宇宙射線照射，增加他們患癌症的風險並損害他們的心血管和中樞神經系統。“這種輻射是持續不斷的，”烏爾基塔說。“低劑量，但慢性。” 在地球上，可以透過鉛圍裙和厚厚的混凝土板來減輕輻射暴露——這些解決方案對於太空飛行來說太重了。 相反，研究人員正在探索分子方法來增強宇航員的細胞修復能力，例如使用腺相關病毒載體進行基因治療，這可以在宇航員離開地面之前保護他們免受輻射。 用於保護宇航員免受輻射的病毒基因治療可以防止對車載藥物的需求，並且可以提供長達數年的持久保護。
如果成功，這種病毒基因治療可能在地球上有許多應用，包括透過基因遮蔽非癌細胞免受損害，僅使癌症暴露，從而幫助最大限度地減少放射療法對癌症患者的有害影響。
“我們在太空中所做的一切都會對地球產生衍生效應，”烏爾基塔說。“如果不是100%，也接近100%。”
微重力的優點
生活在太空的最大挑戰之一是微重力環境，但這為研究提供了好處。“將重力排除在外是有優勢的，”美國國家航空航天局國際空間站專案辦公室專案科學家布萊恩·丹斯伯裡說，因為它允許“在有1g向下壓力時不容易做到的事情。”
在微重力下，液體不需要固體容器；它們形成受表面張力約束的漂浮球體。 微重力下的流體動力學正在幫助醫學研究人員研究澱粉樣原纖維，這種蛋白質纏結頑固地積聚在患有阿爾茨海默病和帕金森病等神經退行性疾病的人的大腦中。 在地球上，由於澱粉樣原纖維的物理、化學和靜電特性，科學家們很難在體外培養澱粉樣原纖維。 這就是微重力可以派上用場的地方。 早期研究表明，可能可以在國際空間站的微重力環境中，在獨立的液滴中生長和研究澱粉樣原纖維。 如果澱粉樣蛋白可以生長，就可以被理解，這可能會解開對相關神經退行性疾病的理解。
微重力減緩了晶體的形成，因此在沒有重力的情況下生產高質量晶體是可能且更容易的。 這些高質量晶體可用於結構生物學研究。 此外，藥物研究正在探索如何將靜脈液體治療轉化為太空中的均勻結晶形式，這可能為更多廉價、純淨、可注射、速效和保質期長的藥物鋪平道路——這對宇航員有用，但在地球上有大量的應用。
細胞生物學實驗在微重力下會發生改變，幹細胞更長時間地保持其乾性。 這可以改善依賴於大量幹細胞的個性化幹細胞療法，這些幹細胞難以在二維細胞培養物中生長。 研究人員已經開始測試在太空培養幹細胞以收穫並在地球上的診所中使用的可行性。 科學家將利用微重力的影響來研究癌症如何生長，並計劃在中國的全新天宮空間站進行實驗。 希望這種在微重力下學到的對癌細胞生物學的更深入理解將導致新的癌症治療方法。
一個相當先進的領域是將微重力用於工程和材料科學。 工程師們正在開發一種在太空製造視網膜植入物或人工視網膜的系統，在太空中，微重力允許更均勻的層疊。 地球上生物列印可移植材料的努力受到了重力的阻礙，丹斯伯裡說，重力會使花邊狀的血管和神經網路坍塌。 未來，太空可能為打印出這些脆弱的組織提供恰到好處的條件。
“這在目前仍然是科幻小說，”丹斯伯裡說，“但我們正在邁出第一步。”
本文經許可轉載，並於2022年2月9日首次發表。