● 摘要
航天员长期处于空间微重力环境会导致失重性骨丢失，表现为骨骼脱钙、骨量减少、力学性能下降、骨微观结果变化等，严重影响了宇航员的正常工作和健康。大鼠尾吊模型作为地面模拟微重力效应的实验模型已得到广泛应用，并被用来探寻对抗骨质疏松的有效措施。对抗措施中运动疗法既安全又有效，但目前应用于空间的运动锻炼均不能有效对抗航天员的骨丢失。这可能是由于地面的主动运动方式应用在失重环境下，在某种程度上转化成被动运动。基于这个假设，本研究利用大鼠尾吊模型模拟微重力，研发出能够在始终保持尾吊模拟失重条件下对大鼠进行主、被动运动训练的装置和方法，对比研究主、被动运动对抗尾吊大鼠骨丢失的效应。以雌性Sprague-Dawley（SD）大鼠为实验对象，分为尾吊组（TS）、尾吊+被动组（TSP）和尾吊+主动运动组（TSA），尾吊3周。同时设置不加任何干预措施的对照组（CON）。尾吊期间，利用自主研发的主/被动训练装置分别对TSA和TSP大鼠进行主、被动运动训练，2组/天，20次/组。在第0、21天，用双能X射线吸收法（Dual-energy X-ray Absorptiometry，DXA）检测股骨骨密度（Bone Mineral Density，BMD）, 然后分离出股骨，左侧股骨进行三点弯曲试验检测生物力学性能，右侧股骨进行Micro-CT检测骨的微观结构。大鼠尾吊21天后，实验结果显示： （1）骨密度：TS组大鼠股骨BMD增长率较CON组显著降低，TSP组大鼠BMD增长率较TS组有所提高，但与CON组仍存在显著差异，而TSA组大鼠的BMD增长率已与CON组无显著差异。（2）骨生物力学性能：TS组较CON有显著下降，表面硬度、最大载荷、最大载荷处吸收能量、弯曲刚度、抗弯强度、断裂吸收能量和断裂挠度分别下降了21.99%、22.70%、25.97%、21.99%、19.92%、52.95%和34.63%；TSP组较TS组有所改善，但仅有最大载荷、最大载荷处吸收能量、断裂载荷和断裂应力较TS组分别提高了17.35%、42.28%、60.88%和34.37%；而TSA组显著改善了多个生物力学指标，包括表面硬度、最大载荷、最大载荷处吸收能量、弯曲刚度、断裂吸收能量、断裂载荷和断裂应力较TS组分别提高了24.97%、28.27%、54.45%、24.82%、73.99%、71.57%和38.50% 。 (3) 骨微观结构：TS组股骨的骨小梁结构发生明显变化，与CON相比，单位体积内的小梁数量下降了48.95%，小梁间隙增大了55.91%，骨小梁体积减小了57.27%，并且小梁形态发生变化，微结构断裂，连接性变差，而TSP和TSA较TS组均有明显改善，单位体积内的小梁数量分别增加了44.31%和45.98%，小梁间隙分别减小了20.33%和21.81%，骨小梁体积分别增大了50.34%和52.36%。以上实验结果说明，主、被动训练均能改善尾吊导致的骨丢失，但主动运动的对抗效果要好于被动运动。因此，空间运动效果降低的原因可能是部分由于运动方式某种程度上发生了转变，提示在寻找有效对抗骨质丢失训练方式和方法以及开发新的空间运动装置和方法的过程中，可能需要充分考虑如何保证航天员在空间运动训练是主动训练方式。本研究首次将主、被动两种运动方式同时引入大鼠尾吊实验中，对比研究了两种运动方式对抗失重性骨丢失的效果，以探究目前空间运动训练不能有效对抗骨丢失的原因，同时为寻找到有效的对抗失重性骨丢失的运动措施提供了一定的理论和实验依据。