航天医学对消防员的影响

航天医学对消防员的影响

1936年，加拿大病理学者冯森提出了“电压”的概念。脉冲是由身体外部或内部各种刺激引起的非特异性反应反应的总和。在这些刺激原属性之间的小差异中，没有特定的非特异性变化（gas）被描述为全身适应性综合征，然后改名为电压综合征。这些刺激因素被称为应激原(stressor)。载人航天活动中,机体面临多种应激反应,其应激原涉及微重力、噪声、辐射、孤立狭小环境等,随着航天在轨时间的延长其对航天员健康的影响作用日益凸显,围绕航天应激导致的机体各系统器官的反应及其发生机理的研究也越来越多,同时各航天大国也逐渐开展了航天应激效应的防护措施研究,一些防护药物已经开始应用于载人航天飞行实践。一、航天飞行影响人类健康的影响随着在轨技术手段的丰富和飞行时间的延长,航天飞行任务高应激对机体的影响与危害越来越多的被发现、被认识,并受到重点关注。载人飞行的前期,主要通过尿液中相关激素的测定了解航天员的应激状态。美国在“天空实验室”中使用自动尿收集装置收集航天员飞行过程的尿样,对其中的肾上腺素、皮质醇、醛固酮、抗利尿激素等神经内分泌激素进行了测试;俄罗斯也在礼炮7号和和平号空间站飞行中采集了尿样进行测试。2008年在国际空间站NASA的生物样本仓库建成,采集国际空间站任务的不同阶段,包括飞行前、飞行中和飞行后的血液和尿液样本。样本可以在超低温下存贮,以确保其长时间的稳定性和完整性并进行处理和存档,为系统追踪研究航天任务导致的包括应激损伤的一系列机体病理生理变化特征提供了有效途径。为了更深入认识长期密闭环境下乘组健康状态及工作能力状况,2010年6月俄罗斯组织了有多国参与的国际大型密闭舱试验项目,即人类历史上首次模拟载人登陆火星计划———Mars500计划,6名志愿者在500m3的密闭实验舱内生活520个昼夜,主要目的是获取超长飞行时间、完全自主控制、资源有限、无法实施身体及心理特殊治疗、完成火星表面出舱活动等航天应激条件下的人类健康状况相关医学数据,为航天部门制定未来空间开发战略提供重要理论与技术支撑。已有研究结果表明,航天飞行或模拟飞行后,机体应激激素水平明显升高,长期空间飞行可引起血浆和尿皮质醇含量显著增加。抛物线飞行和航天飞行可激活调节应激的内源性系统,包括N-花生四烯酸氨基乙醇(anandamine)和2-花生四烯酸甘油(2-arachidonoylglycerol,2-AG),以使得机体能够适应这些造成应激的环境。在模拟失重效应-6度头低位卧床实验中也出现心理应激和皮质醇增加。也有研究报道了空间飞行后应激调节基因热休克蛋白110(heatshockprotein110,Hsp110)、Hsp90和磷酸化应激诱导蛋白(stressinducedphosphoprotein1,Stip1)等表达的改变。机体氧化应激的水平随飞行时间的延长呈现积累性。经历俄罗斯Mir和平号空间站三个月的空间飞行,反应DNA损伤和脂质过氧化损伤的指标(8-OHdG和8-iso-PGF2α)高于地面基准值2倍以上,提示延长在轨飞行时间可增加着陆后氧化损伤的程度。俄罗斯研究者对Mir长期航天飞行(长达1年)的航天员进行血液分析,结果显示血清和红细胞膜中脂质过氧化产物的累积呈增加趋势,着陆后这种变化仍持续6个月。另外,有研究表明,航天飞行虽然激活了红细胞抗氧化体系,但不足以对抗飞行后的氧化损伤。空间飞行引起的氧化应激的发生是微重力、辐射、密闭狭小环境、高任务负荷等多因素共同作用的结果。同时有证据表明,微重力因素也可诱导氧化应激。对大多数啮齿动物进行的研究结果表明飞行后脂质过氧化程度增加,抗氧化酶活性降低。Hollander等发现空间飞行8天的大鼠抗氧化防御能力下降和肝氧化应激水平增加。空间飞行诱导大鼠肝MDA的水平增加50%。同地面对照鼠相比,空间飞行显著降低肝CAT、GSH-Rd、谷胱甘肽转硫酶和γ谷氨酰胺转肽酶的活性,SOD、CAT和GSH的mR-NA的相对丰度显著下降。大量研究证实,细胞回转或动物尾吊等方法所模拟的微重力效应可以导致神经组织或细胞氧化应激水平增加,活性氧、活性氮自由基明显增加,特别是脂质过氧化程度增加和抗氧化酶表达降低。细胞实验也发现地基模拟微重力效应可加速神经细胞的衰老。二、飞行任务中的睡眠风险长期航天飞行任务历史表明,太空的工作和生活条件可诱发航天员出现多种应激,表现出明显的体力、脑力和心理应激反应,直接影响航天员健康和工作任务的完成。多种迹象表明许多乘员经历过航天飞行任务(特别是长期飞行任务)固有的应激后,出现了一系列的心理和行为反应,包括注意力下降、睡眠问题、情绪不稳、认知和操作能力下降、对同乘组伙伴和/或飞行任务控制人员发火、活力和动机衰退等。这些心理反应不仅影响乘员个人也影响整个乘组,甚至有可能对飞行任务造成灾难性的后果,如有抑郁表现的航天员可能无法在紧急情况下完成必需的任务。对俄罗斯长期航天飞行任务和南极科考站越冬的观察表明,长期隔离和限制可诱发情绪不稳定、过度敏感、易激惹和精力、动机显著下降等反应。如果没有有效的治疗,可能发展成俄罗斯心理学家称为“衰弱症”的综合病症。这种综合病症伴有疲惫感、活动减退、低动机、食欲减退和睡眠障碍,会突然爆发一系列心理疾病,通常表现为认知缺损、时间意识混乱、生气、焦虑、抑郁和社会冲突等。有报告指出,在和平号空间站的7次为期115~188天的飞行任务中,曾有1名航天员出现显著的抑郁症状。同时,来自模拟实验环境的数据表明,因处于太空极端生存环境而发生的心理或行为疾病的确已成为长期航天飞行的一个限制因素。另外,航天员在4个月以上续航时间的飞行任务中也可能会出现上述的“衰弱症”。睡眠障碍、警觉性降低和疲劳应激是航天飞行期间扰乱航天员安宁和降低其工作绩效的重要促发因素。当过度工作负荷打乱作息周期、紧急情况打断正常睡眠时间安排以及在正常睡觉期间安排必须完成的特殊任务(如舱外活动和对接活动)时,航天飞行乘组就会出现睡眠不足和昼夜不同步。航天员的报告以及航天飞行任务中的睡眠客观研究显示,在太空中睡眠减少(减少至5~6小时),干扰增多,睡眠结构改变,有时比在地面睡眠浅(深睡眠抑制),但个体之间的变异程度很大。航天飞行期间,50%双班工作的乘员和19.4%单班工作的乘员在飞行期间至少服用过1次催眠药物。虽然这些制约和干扰睡眠的因素在短期航天飞行任务中是可以忍受的,但在长期航天飞行任务中这些因素增加了白天思睡和工作绩效下降的风险。NASA在针对21世纪航天发展路线图作出的风险评估报告中指出,在未来的国际空间站、月球飞行和火星飞行任务中存在45个风险,其中人体健康风险占31个。在国际空间站任务中,1级风险为高任务应激导致的心理社会适应问题和神经行为问题。“人体研究项目”(HumanResearchProgram,HRP)是2005年NASA根据美国“空间探索新构想”启动的一个重点研究计划。它主要通过国际空间站医学研究、空间辐射、航天员健康对抗措施、探索医学能力、空间人的因素和适居性、行为健康与绩效这6个方面的研究探索如何降低航天任务中人的健康和绩效风险。其中由于睡眠不足、疲劳、心率失调和高负荷而导致的绩效问题,行为和精神病风险(B-Med)监测和自我评估工具,即利用非干扰的客观测量手段来早期检测和处理太空生活所致的疲劳和应激反应是行为健康和工作绩效研究的主要内容。2009年9月,在国际空间站上进行了反应力自测评估人体健康风险研究。通过该研究不仅可找到在飞行中认知绩效的测量方法,而且有助于定性和定量地描述由于睡眠不足、生理失调、疲劳和高负荷应激而导致的人体健康风险。三、美国航天应激中的应激相关基因表达近年来组学技术的快速发展,也推进了航天应激的发生及生理响应机制的认识。有证据表明,细胞信号转导蛋白参与了航天应激的发生。在STS-93航天任务中发现,飞行中人WI-38成纤维细胞神经调节蛋白1(neuregulin1,NRG1)和钙调素2(calmodulin2,Calm2)等应激相关蛋白表达上调,Ras/MAPK和PI3K等相关信号途径激活。对航天飞行后大鼠肝脏应激反应研究发现,应激相关蛋白冷诱导RNA结合蛋白(cold-inducibleRNAbindingprotein,Cirp)表达上调。尾吊大鼠模拟微重力效应研究也表明,应激和炎症相关的蛋白组学在诱导肺损伤过程中发挥重要作用。航天应激中诱发多种应激相关基因响应。航天飞行中,机体氧化应激、DNA损伤、脂肪酸氧化相关的基因被激活;大鼠肝脏应激相关基因HSP90和P53基因表达下调;核因子κB(nuclearfactorκB,NF-κB)等转录因子介导的即刻早期基因(immediateearlygenes,IEG)的表达减少,这也被认为是航天应激诱导免疫功能下降的重要原因。值得关注的是,在微重力条件下的植物研究中也发现类似现象,空间站上生长的大麦中发现多种应激相关蛋白基因表达水平上调。与地面状态相比,航天环境下SOD基因表达增加了6倍,谷氨酰转肽酶(glutamyltransferase)基因表达上调24倍,过氧化氢酶基因表达增加了18倍,抗坏血酸过氧化物酶(ascorbateperoxidase)上调了3倍。拟南芥细胞的研究表明应激相关蛋白HSP70、HSP90和HSP101基因表达水平均显著上调。通过对酵母菌的研究发现了航天飞行环境下真核细胞应激反应的Sfp1转录调节机制,糖转运家族蛋白1(sugar-porterfamilyprotein1,sfp1)可以与应激反应元件(stressresponseelement,STRE)结合,进而通过转录调节应激相关基因表达。上述研究提示,微重力可能是航天应激中的重要应激原。航天应激的miRNA调节机制越来越多的引起关注。模拟失重条件下人淋巴细胞的研究认为,miR-150、miR-34a等表达的改变参与了细胞应激反应的发生。另一项针对淋巴细胞的研究发现,模拟失重条件下miRNA-mRNA相互作用可介导应激所致的DNA损伤。其中,miR-7、miR-27a、miR-144、miR-200a等与其靶mRNA的结合可能参与了上述过程。一项来源于植物组学分析的研究探讨了微小RNA(microRNA,miRNA)作为重要的调节因子在航天应激基因表达的转录后调节中的作用。四、多靶点多系统综合干预寻找有效的应激防护措施始终是航天应激医学的研究热点。不论何种因素引起的应激,其共同的病理生理学变化均可归结于神经内分泌免疫调节网络(neuroimmunomodulationnetwork,NIM)的平衡失调。已经证实,神经、内分泌及免疫系统之间存在着复杂的联系及相互影响,神经内分泌系统可对免疫功能发挥调节作用,同时,免疫系统亦可通过多种生物活性分子向中枢神经系统传递信息,三大功能系统在多个环节、多个层次上构成了复杂的网络联系,即NIM。中长期航天飞行中面对的应激因素相对复杂,其对机体的损伤也涉及多系统、多环节结构和功能异常或紊乱,其机制复杂,针对单一靶点的防治措施很难取得满意的疗效,多靶点、多系统综合干预才是重点。天然药物所具有的多环节、多层次、多靶点的作用特点,使其具有整体机能综合调节,充分调动机体潜能,维持机体功能状态稳定的独特优势,恰好对症航天飞行环境引起的生理功能失衡进而诱发的病理变化。我国航天医学工作者在航天员特因训练和神舟六号、神舟七号飞行任务中进行了初步尝试,取得了良好效果。已有研究表明,应用营养素或天然产物可以有效对抗微重力引发的应激反应,如槲皮素、异鼠李素和木犀草素等黄酮类天然活性物质可以减轻微重力所致的神经细胞氧化损伤。近年来许多研究发现,多种植物提取的化合物具有减缓应激性损伤的作用,已经有确定作用的植物有银杏叶、麻醉椒和人参等十余种,其保护机制包括促进抗氧化酶表达等。五、充分利用该平台,开展应激医学研究航天应激严重影响了航天员健康、安全和工作效率,进一步深入研究航天应激损伤的发生机理,寻找切实可行的综合干预防护措施,是保障飞行中航天员健康和高效工作的重要内容。然而航天应激研究也面对如下挑战:(1)航天应激原协同作用的复杂性。众多应激原的共同作用,使得机体对应激环境的响应及其调控模式趋于更加复杂;(2)在轨研究技术条件的局限性。根据任务要求和空间资源水平,每次飞行任务中作为重要研究对象的航天员的数量有限;空间飞行环境的特殊性使得地面上较为成熟的研究平台和技术无法直接应用于航天飞行过程。2010年9月,我国空间站工程正式启动,我国空间站的建成将为开展涵盖应激医学在内的航天医学研究提供重要的空间平台。充分利用这一平台,开展应激医学研究,应重点开展以下三方面的工作:在研究技术上,人体体液(血液、尿液、唾液)中富含大量的健康信息,体液蛋白、核酸分子的变化为评价机体应激健康状况提供了早期