太空醫(yī)學(xué)：描繪未來(lái)健康藍(lán)圖

今年4月24日是第11個(gè)中國(guó)航天日，恰逢中國(guó)航天事業(yè)創(chuàng)建70周年、中國(guó)航天日設(shè)立十周年。太空醫(yī)學(xué)是伴隨空間技術(shù)發(fā)展而興起的學(xué)科，它聚焦于太空環(huán)境對(duì)航天員生理、心理的影響，研究相應(yīng)的防護(hù)、診斷與治療手段。隨著人類太空活動(dòng)從短期任務(wù)拓展至長(zhǎng)期駐留乃至深空探索，其重要性日益凸顯。

文|陸舒潔 韓樾夏 孫劍飛

陸舒潔，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士研究生。

韓樾夏，中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心高級(jí)工程師。

孫劍飛，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授。

從蘇聯(lián)航天員加加林首次進(jìn)入太空至今，人類已積累了60多年的太空生活經(jīng)驗(yàn)。早期的載人航天任務(wù)主要集中在地球軌道上，飛行周期較短，那時(shí)的航天員健康風(fēng)險(xiǎn)還處于初步觀察階段。

如今，人類正在積極推進(jìn)更長(zhǎng)的太空征程，月球科研站的建設(shè)、火星探測(cè)任務(wù)的實(shí)施、星際航行的啟動(dòng)等正逐步成為現(xiàn)實(shí)。在這些任務(wù)中，航天員無(wú)一例外會(huì)面臨微重力、高強(qiáng)度的宇宙輻射、封閉隔離等極端環(huán)境因素的挑戰(zhàn)。太空這個(gè)無(wú)形的“戰(zhàn)場(chǎng)”會(huì)持續(xù)并深刻影響他們的身心健康。

深入研究航天員在微重力等特殊環(huán)境下的生理功能改變機(jī)制，并規(guī)劃切實(shí)有效的健康防護(hù)方案，不僅是太空醫(yī)學(xué)的重要課題，也是關(guān)乎深空探索持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。多國(guó)科學(xué)家在這一前沿領(lǐng)域積極開(kāi)展探索，從系統(tǒng)性的健康監(jiān)測(cè)到創(chuàng)新性的對(duì)抗技術(shù)研究，太空醫(yī)學(xué)已步入從現(xiàn)象觀察到機(jī)制解析、從被動(dòng)防護(hù)到主動(dòng)干預(yù)的新階段。

01.

太空環(huán)境與人體健康

人類從古至今一直向往神秘未知的太空，然而當(dāng)真正接觸并進(jìn)入其中后才發(fā)現(xiàn)危機(jī)重重。

人類一直在穩(wěn)定的重力場(chǎng)中進(jìn)化，而在太空的微重力環(huán)境下，其組織功能會(huì)明顯受到影響：成年人的骨密度每月會(huì)損失1%~2%，是地球上正常骨質(zhì)流失速度的10倍；心臟因無(wú)須對(duì)抗重力而逐漸萎縮；體液會(huì)向上半身轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致出現(xiàn)“太空浮腫臉”和視力變化等。

美國(guó)國(guó)家航空航天局長(zhǎng)期、系統(tǒng)性收集航天員飛行前、中、后的全面健康數(shù)據(jù)。其標(biāo)志性項(xiàng)目是以一對(duì)同卵雙胞胎航天員兄弟為研究對(duì)象的長(zhǎng)期人體對(duì)照研究，一位在空間站執(zhí)行任務(wù)，另一位在地面照常生活。這是人類首次在基因組、表觀遺傳組、認(rèn)知功能等多維度量化長(zhǎng)期太空飛行的綜合影響。研究結(jié)果顯示，身處空間站的那位航天員的細(xì)胞中微RNA發(fā)生了變化，并有體重下降、頸動(dòng)脈擴(kuò)張、腸道菌群改變等情況出現(xiàn)。研究還發(fā)現(xiàn)，他的端粒（一種衰老標(biāo)記物）會(huì)變長(zhǎng)，返回地球后，端粒的長(zhǎng)度恢復(fù)甚至變得更短，最終產(chǎn)生衰老加速的生物學(xué)后果。此番對(duì)生命系統(tǒng)進(jìn)行的高強(qiáng)度“壓力測(cè)試”為探尋太空環(huán)境與衰老的關(guān)系提供了全新的研究路徑。

太空輻射是深空旅行中最隱蔽的威脅。國(guó)際空間站上受到的輻射劑量是地面的50倍，而火星旅程中受到的輻射更厲害。研究揭示，像微小的子彈一樣，高能粒子能夠直接破壞人體的DNA結(jié)構(gòu)，顯著增加癌癥風(fēng)險(xiǎn)，甚至影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能。

飛行過(guò)程中的幽閉環(huán)境及晝夜節(jié)律紊亂等也會(huì)造成航天員的健康失衡。

02.

在太空實(shí)驗(yàn)室破解生命密碼

僅列出太空中的健康風(fēng)險(xiǎn)清單遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，新時(shí)期太空醫(yī)學(xué)的核心是深入理解其中涉及的細(xì)胞分子機(jī)制，并在太空中直接開(kāi)展防護(hù)策略的測(cè)試。

傳統(tǒng)的地面模擬和有限的航天員樣本無(wú)法滿足這一測(cè)試需求，實(shí)驗(yàn)室太空化已是必然趨勢(shì)。美國(guó)在20世紀(jì)四五十年代就開(kāi)始利用火箭和人造衛(wèi)星進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)。2000年正式運(yùn)行的國(guó)際空間站為人類進(jìn)行長(zhǎng)期太空科學(xué)研究提供了有效的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，多國(guó)大量的細(xì)胞、組織工程實(shí)驗(yàn)都在其上完成，眾多科研成果在此誕生。

微重力下的細(xì)胞無(wú)須對(duì)抗重力，能以自然的三維方式生長(zhǎng)和聚集，所形成的復(fù)雜三維組織結(jié)構(gòu)（如類器官）非常接近人體器官，這為地球上難以模擬的組織構(gòu)建提供了可行性。2025年，我國(guó)“基于器官芯片的失重心血管功能變化機(jī)制與防護(hù)研究”項(xiàng)目獲批，這是國(guó)際首個(gè)開(kāi)展太空人體血管研究的器官芯片項(xiàng)目。該太空人體血管組織芯片的外觀與U盤相似，包含由人體干細(xì)胞重構(gòu)的微型人體心臟，可以收縮和舒張的微型人體動(dòng)脈血管，具有角質(zhì)層、真皮層和黑色素的人體皮膚等器官組織，用于研究導(dǎo)致血管結(jié)構(gòu)和功能變化的細(xì)胞學(xué)機(jī)制，并測(cè)試保護(hù)性藥物對(duì)避免預(yù)期問(wèn)題的有效性。同年，中國(guó)空間站首次利用腦類器官芯片研究空間微重力環(huán)境對(duì)人腦功能的影響及作用機(jī)制。

太空人體血管組織芯片

（圖片來(lái)源：東南大學(xué)蘇州醫(yī)療器械研究院）

太空醫(yī)學(xué)研究的蓬勃發(fā)展為解決太空健康危機(jī)、克服制約人類長(zhǎng)期航天飛行的諸多健康難題帶來(lái)希望。與此同時(shí)，其研究成果還將積極惠及地面醫(yī)療，提高疾病治愈率。

03.

“骨肉”保衛(wèi)戰(zhàn)

人體骨骼在空間微重力環(huán)境的長(zhǎng)期影響下，會(huì)發(fā)生失重性骨質(zhì)變化，表現(xiàn)為持續(xù)性的骨量丟失、生物力學(xué)性能下降、骨鈣素分泌降低等，即微重力誘導(dǎo)的骨質(zhì)流失或骨質(zhì)疏松。與此同時(shí)，肌肉質(zhì)量會(huì)減少，力量會(huì)快速降低。這些變化不僅會(huì)影響航天員的在軌健康與任務(wù)能力，也給其返回地球后的生活帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)抗太空中的“隱形流失”——骨質(zhì)流失和肌肉萎縮等已成為保障長(zhǎng)期載人航天任務(wù)成功的核心挑戰(zhàn)之一。

對(duì)抗骨質(zhì)流失的常規(guī)措施主要有高強(qiáng)度抗阻鍛煉（如使用高級(jí)抗阻鍛煉裝置）、營(yíng)養(yǎng)干預(yù)（攝入優(yōu)化鈣和維生素D）等。骨密度計(jì)是評(píng)估上述措施是否有效的“終極裁判”。根據(jù)定期掃描的結(jié)果，研究人員對(duì)采用不同對(duì)抗方案的骨密度變化曲線的差異進(jìn)行分析，進(jìn)而優(yōu)化航天員的防護(hù)策略。

航天員正在安裝骨密度計(jì)

（圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家航空航天局）

面對(duì)抗阻鍛煉與營(yíng)養(yǎng)優(yōu)化等國(guó)際主流方案成效不甚顯著的局面，中國(guó)科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，唯有深入細(xì)胞內(nèi)部，破譯微重力擾亂生命活動(dòng)的“分子密碼”，方能治本。他們將目光投至失重調(diào)節(jié)骨質(zhì)丟失的介質(zhì)小分子，研究其作用機(jī)制，并有針對(duì)性地給出關(guān)于航天員失重骨防護(hù)的理論指導(dǎo)。在神舟十八號(hào)飛船任務(wù)中，中國(guó)航天員將成骨細(xì)胞和成肌細(xì)胞送入中國(guó)空間站，在真實(shí)微重力場(chǎng)中對(duì)其開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，旨在探究長(zhǎng)期飛行中骨質(zhì)丟失及肌肉萎縮的防護(hù)作用與機(jī)制。實(shí)驗(yàn)還研究了用來(lái)調(diào)節(jié)骨形成的關(guān)鍵調(diào)控因子在太空中的功能有效性。

04.

星際藥房

太空的微重力特點(diǎn)為干細(xì)胞的大規(guī)模擴(kuò)增和組織工程的構(gòu)建提供了新的發(fā)展路徑。巨大的商業(yè)與衛(wèi)生健康價(jià)值令不少國(guó)際生物制藥巨頭將目光轉(zhuǎn)向太空微重力實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)而催生出一系列革新性藥物。太空已成為推動(dòng)藥物研發(fā)、孕育治療革新的前沿陣地。它不僅為解決航天員的健康問(wèn)題提供方案，更源源不斷地為地面重大疾病的攻克貢獻(xiàn)來(lái)自星辰的智慧。

美國(guó)安進(jìn)公司在太空微重力環(huán)境下用小鼠測(cè)試了骨保護(hù)素、肌肉生長(zhǎng)抑制素和硬化蛋白抗體等3種在研藥物，最終研制出用于治療骨質(zhì)疏松癥和骨巨細(xì)胞瘤的地舒單抗。德國(guó)默克公司在國(guó)際空間站開(kāi)展了多次單克隆抗體晶體實(shí)驗(yàn)，利用微重力環(huán)境獲得了均勻的結(jié)晶懸浮液，研制出治療黑色素瘤、非小細(xì)胞肺癌、腎癌等10余種腫瘤的派姆單抗。美國(guó)默沙東公司在國(guó)際空間站對(duì)藥物進(jìn)行純化結(jié)晶，最終開(kāi)發(fā)出帕博利珠單抗。這是一款通過(guò)激活患者自身免疫系統(tǒng)來(lái)對(duì)抗多種癌癥的“明星藥物”。

帕博利珠單抗的純化結(jié)晶試驗(yàn)的地面對(duì)照樣品（左）

與航天樣品（右）

（圖片來(lái)源：默沙東公司）

中國(guó)科學(xué)家則另辟蹊徑，開(kāi)創(chuàng)了自己的太空生物制藥路徑。研究團(tuán)隊(duì)9次將具有抗癌功效的α-溶血性鏈球菌送入太空，利用宇宙輻射與微重力的復(fù)合效應(yīng)對(duì)其進(jìn)行高效誘變育種。每經(jīng)過(guò)一次太空搭載，菌株的抗腫瘤活性均顯著提升3~5倍。更重要的是，太空環(huán)境誘導(dǎo)菌株產(chǎn)生了全新的活性代謝產(chǎn)物——自愈原生因子。該因子不僅能更有效地攻擊腫瘤，更具備修復(fù)與激活患者自身免疫及組織修復(fù)系統(tǒng)的潛能，實(shí)現(xiàn)了癌癥治療理念從“外部殺傷”到“激活內(nèi)源性自愈”的重大升級(jí)。這項(xiàng)研究是將空間資源轉(zhuǎn)化為新一代生物療法的典范。

05.

多組學(xué)時(shí)代的生命圖譜

最新研究表明，太空環(huán)境對(duì)人體的影響遠(yuǎn)不止肉眼可見(jiàn)的生理變化，它正在生命最基本的調(diào)控層面——基因表達(dá)與表觀遺傳書(shū)寫新的“太空密碼”。

目前，太空醫(yī)學(xué)研究已進(jìn)入多組學(xué)時(shí)代。美國(guó)國(guó)家航空航天局建立了全球最大的太空人體數(shù)據(jù)庫(kù)，用于繪制太空環(huán)境對(duì)人體影響的“基線”和“風(fēng)險(xiǎn)圖譜”。

2024年，英國(guó)《自然》周刊及其子刊發(fā)表專刊，系列報(bào)道了國(guó)際空間組學(xué)和醫(yī)學(xué)圖譜的研究成果：建立標(biāo)準(zhǔn)化生物樣本收集標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣本轉(zhuǎn)錄組變化、表觀遺傳變化、微生物變化、線粒體反應(yīng)等進(jìn)行研究，最終形成廣泛的分子和生理圖譜。收錄航天員的生物樣本數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)及醫(yī)學(xué)圖譜的建立可以更深入、全面地了解航天飛行對(duì)人體功能的影響，有助于推動(dòng)太空醫(yī)學(xué)的發(fā)展，保障航天員在太空環(huán)境中的生命健康，為個(gè)性化健康管理打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)的月球、火星等探測(cè)任務(wù)也可以從中獲取所需的健康監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避和參考數(shù)據(jù)等重要信息。

當(dāng)我們仰望星空，暢想構(gòu)建月球基地、火星城市時(shí)，太空醫(yī)學(xué)正默默繪制著讓人類成功實(shí)現(xiàn)跨星球生存的健康藍(lán)圖。藍(lán)圖中，保障航天員健康與改善全人類健康不再是兩個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)，而是同一科學(xué)探索的一體兩面。

從幫助骨質(zhì)疏松患者的新藥，到基于太空蛋白質(zhì)結(jié)晶技術(shù)的抗癌療法，再到從太空微生物育種中獲得的免疫調(diào)節(jié)因子，太空醫(yī)學(xué)的成果正悄然融入現(xiàn)有的醫(yī)療體系。這門在太空時(shí)代誕生的學(xué)科已逐步成為連接人類未來(lái)與健康福祉的重要橋梁，它按照“太空探索，地球受益”的理念發(fā)展進(jìn)步。太空中遇到的每一個(gè)健康挑戰(zhàn)，都在加深我們對(duì)生命基本規(guī)律的理解；為航天員開(kāi)發(fā)的每一項(xiàng)防護(hù)措施，都可能成為惠及大眾的醫(yī)療突破。

在探索星辰大海的征程中，最大的收獲或許不是新的領(lǐng)土，而是對(duì)生命本身更深刻的理解，以及由此帶來(lái)的延長(zhǎng)壽命、提升健康的無(wú)限可能性。

*本文刊登于《科學(xué)畫報(bào)》2026年第5期，更多相關(guān)內(nèi)容歡迎訂閱。

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