地面模擬失重實驗方法概況

董麗，王瓊，劉新民，楊思進

(1.瀘州醫(yī)學(xué)院，四川 瀘州 646000;2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植物研究所，北京 100193;3.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

在航天飛行中，失重可導(dǎo)致骨骼肌肉運動系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及神經(jīng)內(nèi)分泌免疫等系統(tǒng)功能的改變［1］，表現(xiàn)出一系列的生理效應(yīng):如血液頭向分布、心血管系統(tǒng)和支持系統(tǒng)去載荷、重力的感受器刺激缺乏等，對由此而產(chǎn)生的航天飛行綜合征的發(fā)生機制及對抗措施是亟待解決的航天醫(yī)學(xué)難點問題。受科學(xué)技術(shù)、經(jīng)費等限制，航天飛行難以長期、重復(fù)進行，地面模擬失重的實驗方法的建立就顯得尤為重要，但是地面模擬并不能創(chuàng)造真實的失重環(huán)境，只能用人體實驗和動物實驗?zāi)M失重對機體所產(chǎn)生的部分生理效應(yīng)加以模擬，故本文對地面模擬失重實驗方法作綜述報道，以期為地面模擬失重條件下相關(guān)發(fā)生機制及防護措施提供實驗參考。

1 人體實驗

人體實驗是最早的地面模擬失重的實驗方法，起初為人體浸水實驗［2，3］—蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的干浸水(dry immersion)實驗［4］。在特制的水槽中進行，水槽溫度控制在33 ～34℃，含鹽量1% ～2%，被試者或坐或臥的浮在水面，利用水的浮力和靜壓強模擬航天失重狀態(tài)下流體靜壓力消失的生理學(xué)效應(yīng)，如體液再分配、立位性低血壓、肌肉活動減少、代謝紊亂等，但因被試者處于“負壓呼吸狀態(tài)”，自由活動受到限制(這種被迫性低動態(tài)在失重條件下是不存在的)，不能進行各種功能的負荷試驗，限制了干浸水實驗的長期進行。隨著實驗方法的改進，王金華［5］參考國外的報道，則采用了一種新的方法—著服浸水法，類似于“干浸水法”的失重模擬原理，除了允許被試者活動，可以使支撐-運動減荷，造成前庭運動障礙，還能評估在水平姿勢和垂直姿勢下體液的再分布情況，評定皮膚和腎在維持機體的水、電解質(zhì)平衡中各自的作用，為進行空間運動病和體液再分布相關(guān)的研究深度和廣度創(chuàng)造了新的可能性，但也受到皮膚不耐受，不能進行長期實驗以及實驗操作技術(shù)不成熟等因素限制。

隨后還相繼建立了多種模擬方法［6］，如臥床(bed rest)、座椅休息(chair rest)、抗G 服(anti-G suit，向飛行員腹部和下肢加壓以提高抗正過載能力的個體防護裝備，又稱抗荷褲)、禁錮(immobilization)等。其中，平臥或頭低位臥床［7］(head-down tilt，HDT)實驗是國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的。要求被試者平臥或頭低位臥床，這樣體內(nèi)血液流體靜壓力部分或全部消失，與失重狀態(tài)生理效應(yīng)相似。與浸水人體實驗相比，避免了浸水的實驗環(huán)境，受試者容易配合和接受，實驗條件相對成熟，實驗因素也更容易控制，但實驗中發(fā)現(xiàn)，臥床實驗身體重量只存在作用方向的改變，對前庭系統(tǒng)的改變無法進行研究，且肺循環(huán)在胸-背部向流體靜壓梯度大幅度升高，這是與真正的失重環(huán)境存在差異的。

失重環(huán)境可導(dǎo)致流體靜壓消失，體液頭向轉(zhuǎn)移，約有1.5 ～2 L 的血液從下肢轉(zhuǎn)移到上半身，其中約有20%匯集到頭部，引起腦循環(huán)的改變［8］。那么，平臥或頭低位臥床并非真正的失重，只是對失重狀態(tài)下血液系統(tǒng)發(fā)生的血液頭向分布的生理效應(yīng)加以模擬。為了尋求更真實的模擬失重時的血液動力學(xué)的改變，對平臥或頭低位臥床的角度，進行了比較研究。1970年蘇聯(lián)學(xué)者首次采用頭低位－4°頭低位臥床后，又進行了0°、－4°、－8°、－12°頭低位臥床生理反應(yīng)的比較研究，還多次進行了0°、－6°臥床結(jié)果的比較，結(jié)果表明－6°頭低位臥床能更好地模擬失重環(huán)境下血流動力學(xué)和腦循環(huán)方面的改變［9-12］。Satake 等［13］利用單光子發(fā)射計算機斷層攝影(SPECT)、Kawai 等［14］利用TCD 證實了－6°頭低位臥床實驗中腦血流循環(huán)改變與失重環(huán)境相類似，顧正章等［15］在30 d 的－6°頭低位模擬微重力臥床實驗中發(fā)現(xiàn)，受試者雙側(cè)丘腦、枕葉及右側(cè)頂下小葉的灰質(zhì)密度減少，而這可能與腦血流與灌注的變化有關(guān)。通過大量的實驗表明，－6°頭低位臥床引起的多個系統(tǒng)(包括循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等)和器官(如心臟、大腦、骨骼肌肉等)的生理病理反應(yīng)，與微重力導(dǎo)致的影響相似。因此，此方法簡單、易行，是目前應(yīng)用最為廣泛的人模擬失重效應(yīng)的方法。

2 動物實驗

在航天醫(yī)學(xué)問題的研究中，實驗動物作為研究材料最先進入太空。在地面模擬失重的研究中，實驗動物得到了更為廣泛的應(yīng)用。在動物實驗中，起初是采用全身或局部限動的方法模擬失重狀態(tài)下的低活動度，逐漸發(fā)展到采用頭低位的方法模擬失重環(huán)境下的血液頭向分布生理學(xué)效應(yīng)，而后者更為科學(xué)。根據(jù)物種的不同，具體的實驗方法也不同。

2.1 大鼠

大量研究結(jié)果表明，大鼠的心血管、骨骼肌肉等系統(tǒng)的變化與太空失重下有許多相似之處，并積累了大量的資料，因此，大鼠是地面模擬失重實驗中最常用的動物。

大鼠的限動方法有貼身籠具法(tight-fitted cage)、背部懸吊法和尾部懸吊法(partial body support system)。如前蘇聯(lián)研究者Meyerson 和Markova采用貼身籠具以全身禁動的方法，但大鼠處于全身禁動狀態(tài)，其健康所需的基本活動也受到了限制，因此，美國國家航空航天局與重力生物學(xué)會聯(lián)合發(fā)展了頭低位懸吊的方法:即大鼠穿著馬甲、取頭低位背部懸吊，前肢著地支持部分軀體重量，后肢離地不荷重，并使其在一定范圍內(nèi)自由活動不受限制。但因固定不方便，馬甲不易合體，引起的不舒服和皮膚損傷等應(yīng)激，限制了背部懸吊法的應(yīng)用。19 世紀80年代，Morey-Holton 等率先建立了尾部懸吊的方法，1993年經(jīng)陳杰等［16］進一步完善(見圖1)，使尾部懸吊法簡單易行，操作性強，最重要的是將引起大鼠應(yīng)激反應(yīng)損傷降低到最低程度，是目前應(yīng)用最為廣泛的動物模擬失重效應(yīng)模型。

尾吊大鼠模型角度的選擇因不同的實驗方案而不同。在模擬失重血液頭向分布研究中，身體軸與地面成30°被廣泛公認。這一角度由Morey-Holton等［17］研究提出，保證頭低位30°時，后肢離地不再負重，而由前肢承受軀體的部分重量(恰好為50%的體重)。陳杰［16］在30°尾吊大鼠實驗中觀察發(fā)現(xiàn)，最初幾天動物頭、面及頸部腫脹，眼結(jié)膜充血、眼眶周圍水腫，表明體液發(fā)生明顯的頭向轉(zhuǎn)移;沈羨云等［18］發(fā)現(xiàn)尾吊大鼠在30 d 模擬失重后出現(xiàn)了明顯的血液流變性降低和紅細胞變形能力下降，這與失重環(huán)境下血液瘀滯顱腦的“瘀血證”［19，20］相似。因此，30°是比較公認的，能夠保證大鼠尾吊模型達到模擬航天失重飛行血液頭向分布的最佳效果。但如果考慮大鼠不同姿態(tài)下所受載荷時，孫聯(lián)文［21］發(fā)現(xiàn)30°這一角度并非是最為合適的，實驗研究顯示:自由活動大鼠在站立與休息狀態(tài)下，前肢承重分別為體重的44.6%與23.9%。由于尾吊大鼠前肢承重與角度呈線性關(guān)系，若要使尾吊大鼠前肢承重占體重比例與自由活動大鼠站立與休息的狀態(tài)相當，經(jīng)計算，則尾吊角度應(yīng)分別約為35°與63°。因此，基于大鼠前肢承重量的多少、尾吊持續(xù)時間的長短等因素，尾吊角度并不一致，至于如何選擇，則需要深入研究、綜合考慮，避免尾吊角度過大所致的應(yīng)激反應(yīng)。

圖1 大鼠尾部懸吊法示意圖Fig.1 Diagram of a rats tail-suspended experiment

2.2 兔

兔作為模擬失重動物，最先也是放入貼身籠具中，全身處于禁動狀態(tài)，受到實驗操作不方便、衛(wèi)生難以及時清理等限制，目前多采用局部肢體限動的實驗方法。因模擬方法不一樣，結(jié)果存在差異。蔣程等［22］比較籠具頭低位－20°、籠具頭低位0°、全身懸吊頭低位－20° 7 d(見圖4)對家兔血液流變性的影響，實驗結(jié)果表明:籠具－20°和籠具0°這兩組家兔的血液粘滯度顯著增高，以籠具－20°組較為明顯，而全身懸吊－20°組家兔的血液粘滯度變化較小，至懸吊第7 天，血液粘滯度反而有所降低，表明不同的模擬失重方法所引起的家兔血液流變性的變化是不同的。同時，肌電分析表明，在3 種模擬失重方法中，籠具－20°狀態(tài)的肌電波幅是最高的，籠具0°次之，全身懸吊－20°最低，可見因?qū)嶒灲嵌鹊牟煌?，產(chǎn)生的肌肉負荷以及全身應(yīng)激水平也是不一致的。

圖2 籠具頭低位－20°Fig.2 Cage head down －20

圖3 籠具頭低位0°Fig.3 Cage head down 0

圖4 全身懸吊頭低位－20°Fig.4 Body-tail hanging head down －20°

2.3 豚鼠

因豚鼠體積小，尾巴短小，用大鼠尾部懸吊的方法進行實驗研究是不可取的，但因豚鼠具有耳殼比例比較大，因此是聽覺器官研究中最常用的實驗動物。韓浩倫等［23］發(fā)現(xiàn)豚鼠后肢結(jié)構(gòu)的特點，膝部關(guān)節(jié)較大，皮膚和皮下組織活動靈活，用薄層棉片包裹豚鼠后肢踝部關(guān)節(jié)以上部位，再用膠布圍繞棉片纏繞數(shù)圈，保證30°的頭低位角度。所以，在模擬失重實驗中涉及前庭器官、聽覺等研究方案時，豚鼠則是首選動物。

2.4 犬、猴類

多用鑄模固定法、座椅法減少流體靜壓對心血管系統(tǒng)的影響和肌肉-骨骼系統(tǒng)的載荷。但因犬、猴類體積較大，性情比較暴躁，鑄模固定法、座椅法不舒服，不適合長時間的實驗，實驗費用高、實驗重復(fù)性低等缺點限制，它們并非最常用的實驗動物，國內(nèi)報道文獻亦少。

3 其他

在地面還可以采用多種方式模擬失重環(huán)境或失重生物效應(yīng)，探索失重效應(yīng)的生理病理發(fā)生機制。如回轉(zhuǎn)器，利用持續(xù)的回轉(zhuǎn)作用，使不同矢量方向的重力作用相互抵消，以致各個方向的矢量和為零，從而對失重的生物效應(yīng)加以模擬和研究;再如利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場(磁懸浮)模擬失重環(huán)境，保證長時間、穩(wěn)定的失重環(huán)境，是目前地面上唯一能夠?qū)崿F(xiàn)較長失重時間(如晶體生長)的模擬技術(shù)，但受到技術(shù)難度高，研究費用昂貴等限制。

4 地面模擬失重的評判標準

地面處在大氣重力環(huán)境，目前不可能實現(xiàn)對失重環(huán)境的真正模擬，只能基于某種機制或技術(shù)手段，對失重狀態(tài)下產(chǎn)生的某些生理效應(yīng)加以模擬。如頭低位臥床或動物實驗常用的動物尾吊，采用不同的模擬方法，加以模擬失重狀態(tài)下血液頭向分布的特點，從而探討因血液重新分布，瘀滯在顱腦，引起的神經(jīng)系統(tǒng)改變(認知、學(xué)習(xí)記憶、空間辨識等功能障礙)。因此，可以理解為，目前沒有唯一的指標對失重成功與否進行判定，但是可以根據(jù)失重模擬狀態(tài)下的生理效應(yīng)加以反推，如心血管系統(tǒng)功能失調(diào)、失重性骨質(zhì)疏松、免疫功能紊亂等，如何科學(xué)、規(guī)范、統(tǒng)一地評判失重狀態(tài)地面模擬的成功與否，亟待更加深入的研究和驗證。

5 結(jié)語

航天飛行中因失重引起的航天飛行綜合征以及對抗措施是目前載人航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重要課題之一。在地面模擬失重實驗中，人體實驗與動物實驗相比較，人體實驗是最早、最直接，方法相對簡單，受試者容易配合及接受，可長期進行的實驗，能更真實地模擬飛行員在航天飛行失重環(huán)境中的生理學(xué)效應(yīng)。但是，人體實驗不能進行有創(chuàng)的監(jiān)測手段，從而限制對其進行更深入的生理病理機理研究，而動物實驗的開展正好彌補了人體實驗的這一缺陷。動物實驗可從不同的研究角度制定不同的研究方案，從細胞、分子等微觀水平，揭示失重生理病理發(fā)生機制。然而動物畢竟與人類屬于不同的種屬，有著最本質(zhì)的區(qū)別。因此，利用四肢行走、身體尺寸較小的動物進行實驗，結(jié)果只能是間接的，不能隨意地將結(jié)果外延運用到人類，但兩者可以相互佐證，使實驗研究更為深入、科學(xué)。

在模擬失重的實驗動物中，大鼠因其自身特質(zhì)，且體積相對小，實驗易操作，因此應(yīng)用最為普遍，實驗資料相對豐富，可以根據(jù)不同的研究方案，選擇不同的尾吊角度，但是懸尾方法不當，引起的應(yīng)激反應(yīng)也大;家兔應(yīng)用次之，目前多集中血液系統(tǒng)、耳、腦、球結(jié)膜微循環(huán)改變的觀察，特別是失重下血瘀證模型的建立，是研究中醫(yī)藥對血瘀證影響的首選實驗動物;豚鼠尾巴短小，限制了懸尾方法的應(yīng)用，但因其耳殼較大，是聽覺器官研究最常用的動物，也是失重研究前庭器官改變、聽力改變的首選。

綜上，無論是人體實驗，還是動物實驗，都是為了更好地研究航天飛行中因失重引起的飛行綜合征和空間運動病的生理病理機制。航天失重存在多重機制假說，引起的機體功能紊亂則是一個多層次、多系統(tǒng)的綜合醫(yī)學(xué)問題。要解決載人航天醫(yī)學(xué)問題，筆者認為，運用強調(diào)“整體觀念”、“天人合一”、“辨證論治”的中醫(yī)學(xué)理論，引入具備綜合、整體調(diào)節(jié)優(yōu)勢和特點的中藥復(fù)方或單體來應(yīng)對航天失重條件下引起的機體的復(fù)雜多系統(tǒng)變化將是今后的研究趨勢。

［1］沈羨云，王林杰.我國失重生理學(xué)研究進展［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2008，21(3):182 －187.

［2］Epstein M.Renal effects of head-out water immersion in humans:a 15-year update［J］.Physiol Rev.1992，72(3):563 －621.

［3］Greenleaf JE.Physiological responses to prolonged bed rest and fluid immersion in man.J Appl Physiol.1984，57(3):619 －633.

［4］張立藩，孟慶軍.展望新世紀的重力生理學(xué)［J］.生理科學(xué)進展，2002，33(3):276 －284.

［5］王金華.模擬失重對人體作用的新方法［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1989，2(1):67 －68.

［6］Nicogossian AE，Mohler SR，Grigoriev AI，et al.Space biology and medicine［M］.American Institute of Aeronautics and Astronautics，2009:454 －469.

［7］閻曉霞.長期失重的地面模擬—臥床及其生理研究［J］.生物化學(xué)及生物物理進展，1990，17(3):181 －184.

［8］吳大蔚，沈羨云.失重或模擬失重時腦循環(huán)的改變［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2000，13(5):386 －390.

［9］Savina EA.Antiorthostatic hypokinesia in monkey (experimental morphological study)［J］.Physiologist，1983，26(6):S76.

［10］沈羨云，蘭景全，向求魯，等.模擬失重時兔腦微循環(huán)的變化［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1989，2(2):89 －93.

［11］毛秦雯，張立藩，張樂寧.模擬失重大鼠不同部位動脈血管壁超微結(jié)構(gòu)的變化［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1999，12(4):249 －253.

［12］Hargens AR.Recent bed rest results and countermeasure development at NASA［J］.Acta Physiol Scand Suppl.1994，616:103 －114.

［13］Satake H，Konishi T，Kawashima T，et al.Intracranial blood flow measured with single photon emission computer tomography(SPECT)during transient －6° head-down tilt［J］.Avia Space Environ Med，1994，65(1):117 －122.

［14］Kawai Y，Murthy G，Watenpaugh DE，et al.Cerebral blood flow velocity increases with acute head-down tilt of humans ［J］.Physiologist，1992，35(1 suppl):s186 －187.

［15］顧正章，金真，曾亞偉，等.30 d 頭低位臥床對人腦灰質(zhì)密度的影響［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2012，25(2):138 －140.

［16］陳杰，馬進，丁兆平，等.一種模擬長期失重影響的大鼠尾部懸吊模型［J］.空間科學(xué)學(xué)報，1993，13(2):159 －162.

［17］Morey-Holton ER，Globus RK.Hindlimb unloading of growing rats:a model for predicting skeletal changes during space flight［J］.Bone，1998，22(5 suppl):83S－85S.

［18］沈羨云，崔偉.馬永烈，等.30d 尾吊大鼠血循環(huán)、肌肉和骨骼系統(tǒng)的變化［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1999，12(4):277－280.

［19］沈羨云，向求魯，孟京瑞.4 小時頭低位臥床期間腦阻抗圖的變化［J］.中國空間科學(xué)技術(shù)，1992，2(3):66 －71.

［20］Loeppky JA，Hirshfield DW，Eldridge MW.The effect of headdown tilt on carotid blood flow and pulmonary gas exchange［J］.Aviat Space Enviro Med，1987，58(7):637 －644.

［21］孫聯(lián)文，楊肖，謝添，等.尾吊模型中大鼠的前肢承重分布［J］.醫(yī)用生物力學(xué)，2009，S1，29.

［22］蔣程，王連貴，沈羨云，等.三種模擬失重方法對家兔血液流變性影響的初步觀察［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，1990，3(2):91 －95.

［23］韓浩倫，吳瑋，薄少軍，等.豚鼠模擬失重的實驗設(shè)計與應(yīng)用［J］.總裝備部醫(yī)學(xué)學(xué)報，2011，13(2):107 －108.