长期载人任务航天医学面临的挑战

长期载人任务航天医学面临的挑战

196年4月12日之前，苏联航空飞机制造商加加林的首次航空航天手术开始了人类对天空的探索。人类在40多年载人航天的征程中,不断迈出新的脚步,探索未知的疆域,也小心地收拢步伐,调整着自己前进的目标。21世纪的载人航天路线图已从20世纪的载人飞船、航天飞机/空间站、空间站/航天飞机,转变为载人飞船、月球基地、载人火星探测。21世纪,将是载人航天史上的一个转折点。人类将超越地球轨道,进军深空。40多年的空间探索使人类对外层空间和生命现象有了更深刻、更本质的认识,从早期的空间环境对人体生理生化影响的现象观察、效应确定,发展到对空间环境影响机体的细胞、分子乃至基因变化的机理和本质的探索;从被动地适应空间环境,发展到主动对抗防护其不利效应,人类在探索空间、利用空间、适应空间的过程中逐渐走向成熟,为行星际飞行和深空探索奠定了初步的基础。然而,长期航天飞行对人类提出了更严峻的挑战,面临的医学问题更加复杂,防护与对抗措施必须更加便捷高效。在这些问题没有被解决之前,人类不可能跨出地球轨道的门槛。面向长期载人航天飞行任务,就必须面向长期航天中的医学挑战,提出解决制约人类向更深、更远、更高的外层空间探索的瓶颈与对策。长期飞行的健康风险与研究主题根据21世纪新的载人航天蓝图,NASA应用风险管理决策理论,对长期空间飞行中的风险因素进行了识别和分类。针对登月建基、火星探索等任务,必须确认的安全健康问题涉及以下几个方面。辐射生物学效应长期飞行中人类所能承受的辐射积累的最大极限以及辐射对生理、病理及遗传的影响程度。失重生理效应主要包括:长期飞行中和返回后骨丢失持续恶化的最大程度及由其诱发的其他病理问题的严重程度;长期飞行中心血管功能的适应性和可能出现的最大严重程度。疾病风险长期飞行中由于高应激、微生物变异、免疫功能下降导致感染疾病的风险;免疫功能的改变与控制感染能力是否会成为长期空间飞行中一个不可接受的医学风险。社会心理等其他不能确定的影响据此,NASA生物物理研究部门(OfficeofBiologicalandPhysicalResearch,OBPR)发布了2004~2025年载人航天研究计划和项目目标,提出了确保人类生存的5个主题:降低并控制机体适应的风险;降低辐射不确定性,防止辐射暴露;维持乘员行为健康和高效;开发自主医保技术;研究人的能力。我国载人航天事业的纵深发展,也将面临并解决上述问题。辐射危害及其防护辐射危害及研究重点空间辐射测量和防护一直是航天医学专家极为关注的问题。多年的研究表明,航天员所接受的空间电离辐射剂量可以降低,但不能完全避免。进行太空飞行的航天员在执行任务期间必然受到空间电离辐射的照射。而失去了地球磁场和浓密大气层保护的火星之旅,辐射的风险性将更大。NASA已经认识到累积的辐射剂量“将有可能成为人类太空探险中的最大限制因素”。辐射对人体所产生的危害分为两种:早期效应和远期效应。一般认为,早期效应主要来自太阳粒子事件,可引起恶心呕吐、腹泻、便血、脱水、虚脱和休克等急性效应,甚至导致人员死亡。当航天员在月面居住舱外活动时间较长又缺乏适当的屏蔽时,就易于受到此效应的困扰。对航天员危害最大的是远期效应。在各种远期效应中又以癌症最危险,其次是中枢神经系统的损伤,第三是遗传效应。但是,目前还不知道长期飞行、月面驻留及火星旅行的航天员,由于辐射暴露而患癌症的概率有多大,其发病率与辐射剂量、剂量率、航天员年龄、性别和暴露时间的关系如何?长期飞行后航天员出现的中枢神经系统的功能性变化(如疲劳、记忆力减退、情绪改变等)在多大程度上是由辐射所致,遗传效应又是怎样?因此,针对长期飞行的辐射风险问题,应重点开展以下4方面的研究工作。1)辐射的医学、生物学效应特点和作用途径针对急性辐射暴露的躯体反应;长时间、小剂量辐射暴露对人体的影响;辐射生物学效应与辐射能量沉积和分布的关系;辐射生物效应的数学模型以及辐射对肿瘤形成、白内障、中枢神经系统行为和功能的影响等。2)辐射早期效应和后效应研究发展灵敏度高、稳定性和重复性好的生物剂量学指标;从遗传学角度开展基础遗传学问题研究和辐射主要问题的基因学研究;进行辐射暴露后果及辐射危险程度的预测和评价。3)辐射的医学、化学防护和治疗。4)辐射与失重复合作用对人体的影响。辐射防护对于行星际飞行而言,由于缺乏地球磁场的保护作用,且受辐射时间较长,辐射危害的可能性加大,必须解决辐射防护问题。1)屏蔽防护防辐射屏蔽可分为主动屏蔽和被动屏蔽。被动屏蔽主要是以飞行器、登月/行星舱、月球/行星居住舱和登月/行星服的结构材料或其他防辐射材料构成,被动屏蔽技术简单、可靠性高、造价低廉,缺点是笨重;主动屏蔽主要是用强磁场使带电粒子偏离舱体,主动屏蔽的最大缺点是可靠性差,因此,载人登月舱、月球基地舱和登月服仍将以被动屏蔽为主。2)辐射风险的预警与监测对辐射风险进行预警,对轨道辐射环境、舱内辐射环境、航天员个人接受的辐射剂量进行监测是辐射防护的重要工作项目,应从以下几个方面开展,建立辐射风险性分析与预警模型,进一步分析辐射效应和分子机理,构建生物模型,作为空间辐射生物剂量计应用于中长期空间探测活动的剂量测量和辐射危险评估,轨道环境和舱内环境的实时辐射监测,尽管选择在太阳活动极小年进行载人登月和火星飞行,但也不能完全排除遇到太阳粒子事件的可能性,因此应建立轨道辐射环境预警系统,另外还应针对舱内环境进行辐射监测和预警,个人辐射剂量预警系统,航天员还应装备个人剂量仪进行辐射剂量监测和报警,以便及时评估人体所受辐射剂量和损害情况,为进一步采取防护措施提供依据。3)辐射防护剂的研究采用航天辐射防护剂进行防护是辐射防护必不可少的部分,研制高效低副作用的航天辐射防护剂是长期载人航天辐射防护的基本任务之一,辐射防护剂主要分为抗辐射药和生物防护药两类,抗辐射药能降低辐射危害,但均存在不同程度的毒副作用,且只有在接受大剂量照射后才能发挥最大效果,生物防护药能够提高人体抵抗力而增加抗辐射能力,无毒副作用,但目前已掌握的抗辐射药物还远不能满足载人航天的需要,因此,对质子、重离子、γ射线和X射线均有较好的防护效果好、毒副作用低的辐射防护剂研究是当前研究的重点。4)航天员的选拔从遗传学、基因工程角度入手,研究受辐照后易产生突变或致癌个体的筛选方法,在航天员选拔时加以应用。生理适应与再适应问题及其对策生理适应与再适应问题及研究重点进入失重环境后,人体各生理系统会产生适应性改变,不同的生理系统会产生不同的适应过程,达到另一种稳定的失重条件下的生理状态。例如,心血管系统会出现对抗重力调节能力的下降,心肌萎缩和收缩功能下降;血液系统会出现航天贫血症;骨骼系统和肌肉系统会出现长期废用性改变;神经系统会出现航天运动病及运动协调障碍等。随着飞行时间的延长,失重对人体的不良影响会更明显。因此,长期失重对人体到底会产生哪些影响,如何克服这些影响,保证航天员在长期飞行和登陆到其他星球时的健康是长期飞行面临的重要挑战,需要解决如下关键问题。1)骨丢失研究不同重力条件(空间站0g、月面0.16g、火星0.38g)下骨骼矿物质丢失的差别,尤其是在骨丢失的部位、时间过程和数量上的区别;研究不同性别航天员微重力和低重力对骨骼变化生理影响的区别,研究长期航天飞行中骨折和肾结石风险的定量分析和评估技术等。2)肌肉萎缩研究长期失重引起的肌肉萎缩机制及其防护措施,并研究其对航天员工作能力的影响。3)心血管功能失调从组织形态学方面研究长期失重时心脏小血管和神经结构的变化,从细胞和分子水平研究心肌的细胞内和细胞间生物过程的改变等。4)免疫功能改变研究长期飞行时免疫系统的功能水平,免疫系统受抑制的程度、时间进程和临床意义等。5)神经系统的改变研究长期航天后神经系统的适应程度与适应过程、结构与功能的改变、返回后功能状态恢复的时间及其进程,航天飞行前中后,感觉输入和运动协调的实现机制,以及引起的感觉运动能力受损对航天员工作能力的影响等。失重生理效应的防护在40多年的载人航天实践中,美国和俄罗斯都投入了大量的人力和物力进行有关对抗措施研究,但至今收效不大,没有几种对抗措施具有非常肯定和显著的效果。如果说保证未来人类火星飞行成功的关键是航天医学工程问题,那么研究长期航天中生理失调的对抗措施就是关键中的关键。针对上述失重生理效应重点问题, 在传统防护措施研究的基础上,更应关注多生理系统、多因素及其他生理失调对抗措施之间的相互影响和关系,研究综合性与针对性相结合的防护技术;并进行人工重力专题研究,针对人体适应的程度和耐受的时间、人工重力的指标和效率、人工重力的生物学和遗传学研究等方面重点开展工作。疾病风险与监测、处置技术疾病风险与关注重点随着人类太空探索道路的延长,航天员罹患疾病的风险增高。对美、俄飞行任务中出现的医学问题进行的统计分析表明,总体上长期飞行中严重疾病的出现概率较低,但也曾多次出现因严重的医学问题而提前返回地面的事例,这些问题包括心律失常、高热等。分析空间飞行中可能发生的医学问题,食欲不振高居榜首,睡眠障碍、疲劳和失眠则分列太空飞行常见医学问题的第二、三、四位。此外,空间运动病、肌肉骨骼系统问题、眼部问题、感染问题、皮肤问题以及心血管问题也曾见报道。根据国外飞行后医学检查资料,疲劳和睡眠问题可以归结为心理压力和生物节律的改变;胃肠道系统的表现主要与神经、前庭系统的状态有关,也有受病毒感染的情况;肌肉骨骼系统问题多为肌肉劳损;多数炎性病症的出现与细菌或病毒的感染有密切关系,而皮肤问题则多数由外因引起,如接触性皮炎、外伤出血等。针对上述疾病风险,关注的重点包括:1)生物节律采用空间时间生物学的主要研究思路和方法,以空间飞行中人体睡眠等问题为基本切入点,进行长期飞行的空间时间生物学效应、机理及其调控和对抗技术,并探索基于生物节律的人体生理功能和认知能力预测技术。2)感染研究长期航天中的免疫系统的抑制与肿瘤、传染病发病情况的关系,免疫功能下降后的健康状态评估,长期航天中肿瘤的早期诊断,微生物/致病菌在线检测与控制,微生物和寄主之间相互作用的改变等。3)肌肉劳损研究长期航天飞行航天员运动特性及平衡机能,并进行航天员疲劳状态监测与对抗技术研究。监测与处置技术毋庸置疑,在太空飞行和行星驻留过程中以飞行器或驻留舱为基地解决众多医学问题是长期飞行航天员健康保障必须解决的难题。长期航天飞行中,必须全面发展医学监测与处置技术。其重点研究内容应包括:人体无创、精确的健康检测/监测体系的建立,从具体技术上要求具有微量、快速、灵敏、多信息等特点,从系统功能上要求实现综合分析、智能决策。重点发展免疫传感器技术、芯片技术、超声、MRI技术等;着力发展基于最新生物技术成果的环境监测技术,特别是舱内生物安全性(水、气体、微生物),实现微生物密度、种类、危害的实时在线检测和监测;发展在轨诊断技术,开发体积功耗小、功能广泛的诊断技术,如进行超声诊断技术在腹部胸部创伤,骨、韧带损伤、牙齿/窦性感染及综合并发症等中的应用研究等;积极探索在轨医学处置技术,失重条件下的手术方法、特殊手术器械的研制、麻醉药物的作用等。心理社会问题及其对策心理社会学问题及研究重点迄今为止,行为和社会问题被认为是长期飞行任务的障碍之一。长期航天飞行,不仅飞行时间长、与社会隔离、环境狭小、活动受限、特殊的人际关系以及潜在的各种风险等等都给航天员造成极大的心理压力。国外航天经验已经表明长期飞行中可能出现不利的心理反应,如焦虑、抑郁、思乡病、人格改变、人际关系紧张、敌意等,并与记忆注意障碍、疲劳、神经衰弱、睡眠障碍等医学问题具有不可分割的关系,直接影响航天员的身心健康。尤其是未来的航天员在历时2~3年的飞行到达火星或其它行星时,这种漫长的隔离、通信的滞后,将使得乘员不得不自行解决精神方面的问题,不可能撤出一个发病人员。因此在未来的太空探险中必须增加心理和社会科学的投入。在长期飞行建立的狭小、孤立而又充满危险的半自主微型社会中,应重点关注:1)个体心理问题研究长期飞行中影响航天员飞行中相容性、能力、满意度及工作效率的心理特征及其变化规律;多种复杂的行为因素如何影响个体的行为;2)人际关系问题长期飞行中的人际关系问题较短期飞行更加复杂,包括乘组成员之间的关系、个人与集体之间关系、乘组人员与地面保障人员的关系等,应针对该问题进行系统地观察和研究;3)社会心理学问题研究种族、文化、性、道德以及其他社会因素对小集体及个体的影响,包括密闭空间及个人空间对个体心理特征的影响;多重文化差别对航天员心理及行为的影响;混合性别因素对长期飞行小群体的社会心理学影响等。心理健康保障苏联在“礼炮”号和“和平”号空间站计划中,创造了航天员在轨438d最长记录,这与他们对航天员的选拔、训练及飞行中心理社会支持等各方面的保障有关。欧洲、加拿大和日本航天局的工作重心也从仅关心生理问题逐渐转移到关心人的心理、行为和工作效率相关的问题上。长期载人航天飞行,心理健康保障尤为重要,除继续从乘组选拔和组成、乘员和地面关键人员的心理训练、适居性、心理干预与支持以及飞行后心理保障等各个方面入手,作好心理保障工作外,还应从以下几个方面加强研究。1)在乘组构成上从领导力、内聚力、合作性及互补性等方面研究不同任务特点、不同个体特点条件下构建最佳乘组的方法。2)在适居性上研究长期航天中的适居性设计原则,从人体测量学、时间生物学、生理学、心理学和社会学等方面,对长期航天的舱室居住空间大小、色调、照明、隐私、工作和生活用具尺寸、色彩、数量和形状、人际关系以及人群的休息和娱乐等进行研究和设计。3)在心理干预和心理支持措施上丰富长期飞行的心理干预和心理支持措施,研究针对不同飞行阶段不同心理活动特征的心理问题干预方法和心理支持措施。4)长期飞行后心理保障工作美苏航天员均曾产生过飞行后性格改变、影响人际关系、造成婚姻失败等事例,这些变化可能是久居太空重返地面不适应所致,因此,应从减少影响转变的负性因素入手,研究促进个体心理