空間骨丟失：研究進展與中國探索之路

原文發表于《科技導報》 2026年第 10期《空間骨丟失研究進展與中國探索》

長期微重力環境可導致航天員發生顯著骨丟失，嚴重影響其健康并制約深空探測任務實施。《科技導報》邀請浙江大學生命科學學院吳夢瑞研究員、余路陽教授團隊撰寫文章，系統綜述了微重力環境下骨丟失的發生機制、實驗研究進展及主要防護措施，總結了中國在該領域的相關研究成果。現有運動、營養、藥物和機械刺激等干預措施雖可部分緩解骨丟失，但仍存在療效有限等問題。未來需結合多組學研究與模擬模型，深入闡明失重性骨丟失機制并優化綜合防護策略。

人類在微重力太空環境中長期生活面臨諸多生理挑戰，對肌肉骨骼、神經前庭和心血管系統都有影響。其中骨丟失（又稱失重性骨丟失）是最嚴重的問題之一。過去幾十年中，對空間骨丟失問題的認識不斷深化，尤其近年來在機制闡釋、模擬實驗和干預對策等方面取得重要進展。

1 微重力環境下骨丟失的生物學機制

在地球1g重力條件下，骨骼的形成與吸收過程貫穿人的一生。骨骼能夠感知機械負荷并調節骨重建，而在微重力條件下這個過程的平衡被打破引起骨丟失（圖1）。骨代謝的不平衡引發骨量持續流失，并伴隨骨微結構退化。多項細胞實驗發現，空間飛行中骨特異性堿性磷酸酶（BAP）、骨鈣素（iBGP）、I型前膠原肽（PICP）等成骨分化標志物表達降低，提示成骨功能受損。此外，微重力引起的鈣平衡紊亂也是造成骨丟失的元兇之一。隨著骨丟失，大量鈣從骨基質中釋放進入血液，高鈣引起甲狀旁腺激素（PTH）分泌受抑，繼而使循環活性維生素D水平下降并減少腸道鈣吸收。作為促進骨質積累的重要激素，持續性低水平的PTH和活性維生素D進一步加劇骨丟失。綜上所述，微重力通過細胞力學感知信號通路紊亂和內分泌代謝改變，在分子、細胞和系統多個層次共同導致骨量平衡負向移動。

圖1 空間微重力對骨重塑的影響

2 空間在軌骨丟失研究進展

以往飛行和地面模擬實驗通過航天員、動物模型和細胞多個層面的研究展開空間在軌骨丟失的生理和機制探索如表1所示。系統匯總了不同研究類型（包括人類航天員研究及相關實驗研究）中微重力對骨代謝的影響。人類航天員研究結果顯示，在太空飛行過程中，骨代謝發生顯著改變，即使短期飛行亦可引起骨量丟失。

表1 空間骨丟失相關研究

2.1 人類航天員研究

人體在真實太空環境中骨丟失規律是研究空間骨生理的基礎。從Skylab以來歷次載人任務的醫學數據證實，無論采取運動等預防措施與否，航天員長期失重均出現不同程度骨量下降。這一過程具有明顯的部位特異性：承重骨（如下肢長骨和脊柱）骨量減少最為顯著，而非承重骨（如前臂橈骨）變化相對較小。

骨骼的失重會導致骨骼中鈣的流失，這一變化不僅導致骨量下降，還使航天員面臨腎結石及飛行后骨折的風險。空間骨丟失的恢復緩慢且不完全，多項載人飛行隨訪研究顯示，航天員返回地面后骨量和骨強度的恢復通常需要飛行時長數倍的時間。目前，骨質返回地面仍長期難以恢復的原因不明確，但對航天員任務前后的身體健康都造成嚴重危險，使得在軌防護和長期健康監測格外重要。

2.2 動物模型實驗

動物在軌實驗證實，嚙齒類等小型動物在太空中同樣經歷顯著的骨量下降，而且與人類的骨丟失特征有相似之處。失重通過抑制骨形成并促進骨吸收導致骨量快速流失，且松質骨受影響最為顯著。然而，動物研究也揭示了一些復雜現象。在軌動物實驗為解析微重力下骨質疏松的機制提供了寶貴數據，同時也提示在設計干預措施時需考慮不同骨骼部位的特異性。

2.3 細胞實驗

除整體動物實驗外，空間站還開展了細胞和組織水平研究，亦有助于闡明微重力對骨細胞行為的直接影響。在軌成骨細胞培養實驗發現，失重環境使成骨細胞骨架明顯解聚，成骨細胞呈現出擴展的細胞形狀以及明顯更破碎且縮合的細胞核，并伴有細胞黏著斑數量大幅減少，而破骨細胞顯示出明顯的活性升高和骨吸收增加。這些形態學變化與細胞功能改變相一致：太空樣本中的成骨細胞分泌骨基質的能力降低，分化標志物表達下降。相反，破骨細胞前體在微重力中可能更易分化為成熟破骨細胞，實驗發現失重可以促進巨噬細胞集落刺激因子等介質誘導破骨細胞生成，加劇骨吸收。成骨細胞是對重力改變做出反應的機械敏感細胞。在微重力環境下成骨細胞顯示出分化表型降低，堿性磷酸酶（ALP）和骨鈣素（OCN）表達水平降低。雖然在軌細胞實驗實施難度大、開展次數有限，但現有結果一致證實：微重力對骨組織的影響始于細胞層面力學感知機制紊亂，逐步放大至組織和器官水平的骨量丟失。

2.4 地面模擬微重力實驗研究

由于真正的空間飛行機會有限且昂貴，自20世紀60年代以來科學家發展了多種地面模擬微重力的方法，用于研究失重對生物的影響并驗證干預措施。常用的人體模型是頭低位臥床休息模型（HDBR），動物方面則使用大鼠/小鼠尾部懸吊（HLU）模型，細胞實驗則借助旋轉壁面培養瓶（RWV）、隨機定位機（RPM）和2D/3D旋轉器等裝置。這些模擬模型各有優缺點，例如RPM在不斷旋轉中可能引入剪切力和振動。盡管如此，它們已被廣泛接受為微重力的有效模擬手段，為空間生命科學研究提供了大量可控性強的數據。

多項臥床模擬試驗表明，地面失重模擬可以重現太空骨丟失的主要特征。地面模擬研究提供了豐富的信息來補充和解釋在軌觀測，并為制定干預策略提供依據。例如，性別差異對骨恢復的影響、長期隨訪的重要性等，都在地面研究中有所體現。

動物模型方面，小鼠和大鼠的尾部懸吊模型是研究失重對骨骼影響的經典方法。與人類似，懸吊動物迅速出現骨質丟失和骨強度下降，并伴有骨轉換失衡。值得一提的是，動物模型為分子機制研究提供了便捷條件。不僅如此，尾吊模型被廣泛用于治療骨質疏松的研究。

細胞層面方面，隨機定位器和旋轉培養系統廣泛用于骨細胞和成骨/破骨細胞的研究。雖然在這些系統中也觀察到與真實微重力類似的變化（如細胞骨架紊亂、分化受限等），但需注意旋轉系統產生的剪切力可能激活其他應激通路。總體而言，模擬失重研究（無論體內還是體外）與空間實驗相互印證：它們復現了微重力誘導的主要生理改變，并提供了更可控的條件來深入探討具體機制。

3 骨丟失干預措施的研究進展

針對失重引發的骨丟失，近幾十年發展出多種防護和治療手段，包括運動訓練、營養補充、藥物治療和機械刺激等。在ISS等長期飛行任務中，這些“對抗措施”被綜合應用以保護航天員骨骼健康。然而，每種手段均有局限，如何優化組合以達到最佳效果仍是當前研究熱點。

3.1 運動對抗措施

運動是航天員最主要的骨丟失對抗手段。運動通過為骨骼施加機械負荷，能夠刺激成骨細胞活性并抑制骨吸收，從而減緩骨質丟失。研究證明，規律的抗阻訓練在一定程度上可以抵消失重導致的骨密度下降。然而，運動療法并非完全有效，即使堅持鍛煉，骨量仍會下降，只是下降幅度較小。此外，運動效果還受個體差異、訓練強度及設備性能等多種因素影響。另一種作為長期太空任務期間多系統失調（肌肉萎縮、骨丟失、心血管損傷）的新型對策是血流限制訓練（BFRT），BFRT將低負荷運動與血管閉塞相結合，產生與高強度訓練相當的生理獲益，同時減少設備需求。總的來說，運動對抗在軌骨丟失是必要但不足的，需要與其他措施結合以全面防護。

3.2 機械刺激對抗措施

除了日常鍛煉，機械刺激和人工重力裝置也是防控微重力引發骨丟失的重要輔助策略。俄羅斯早期使用“企鵝服”——一種內置彈性繩的緊身衣，通過彈性結構對身體施加軸向負荷，以部分模擬重力環境。目前，歐洲航天局正在研究2種潛在的對策：通過短半徑人體離心機（SAHC）產生人工重力和全身振動（WBV）。目前，中國在這一領域也有所布局。據報道，中國航天員科研訓練中心開發了基于機械刺激的“骨丟失對抗裝置”，利用周期性力學沖擊來刺激下肢骨骼。在天宮二號空間實驗室中，中國航天員就配備了下肢振動鍛煉儀器，通過足底碰撞刺激等方法來減少骨丟失。這些機械刺激手段通常作為運動的補充，有助于增強整體骨保護效果。

3.3 營養支持措施

足量的營養攝入對維持骨健康至關重要。航天員膳食中重點保障鈣和維生素D等攝入充足，以支持骨礦化。在床休實驗中，有增加膳食鈣的嘗試但效果有限，提示單純提高鈣攝入難以完全抵消失重引起的鈣流失。在航天食品研發中，一些富含鈣質和維生素K等對骨有益成分的食譜被設計用于長期任務。營養補充作為基礎措施，可與運動和藥物協同增效。中國也在探索食物和功能性成分對抗骨丟失的作用，如Xu等發現傳統草藥蛇床子中的甲氧基歐芹酚等成分能夠促進成骨、減輕廢用型骨質疏松。總體而言，營養干預是基礎措施，需與運動和藥物協同發揮作用。

3.4 藥物干預措施

針對失重骨丟失的藥物干預主要借鑒和發展自骨質疏松癥的治療策略。早期研究聚焦于抗骨吸收藥，如雙膦酸鹽（BP）類藥物。BP通過抑制破骨細胞活性減少骨吸收，在地面骨質疏松患者中應用廣泛。除BP外，RANKL單克隆抗體（如地諾單抗）及靶向藥物抗SOST抗體（如羅莫珠單抗）亦被認為在太空環境中具有應用潛力，可通過Wnt信號通路阻斷破骨細胞生成、降低骨吸收。盡管如此，現有的骨質疏松藥物都有不可忽視的副作用，如下頜骨壞死風險、心血管風險等，因此科學家仍在尋找其他潛在的靶點和治療方法。另外，在一些模擬失重的動物模型中，應用IL?6單抗消除炎癥、注射肌肉源性因子鳶尾素也被發現具有緩解失重引起的骨丟失的應用潛力。這些研究均為開發天然抗骨丟失藥物提供了新方向。

總的來說，現有空間骨保護措施是多方位的，主要包括運動、機械刺激和營養，也有一些藥物的嘗試。但是目前的措施只能部分減緩骨質丟失，無法完全避免長期失重所致的骨骼衰退。因此，科研工作者仍在不斷改進和評估新的對策，包括高效運動方案、新型藥物、組合療法，以及更深入的個體化防護措施。

4 中國在空間骨生理和機制研究中的探索

近年來，中國載人航天和返回式衛星實驗為相關研究提供了寶貴的平臺，多項代表性任務已取得重要研究成果。2016年發射的實踐十號返回式衛星是中國首次開展大規模空間科學實驗的衛星，我們的團隊在其中承擔了一項關鍵的科學實驗研究，聚焦微重力環境下骨生成減少的細胞與分子機制。分析結果首次直接證明：太空微重力顯著抑制了間充質干細胞向成骨細胞的分化潛能，轉而促進其向脂肪細胞分化。之后，我們的團隊再次送入4個單元的人骨髓間充質干細胞，并首次實現了在軌細胞成像的實時傳輸，直接觀察到微重力環境下細胞形態和細胞內骨架蛋白分布的動態變化。結果發現，與地面對照相比，太空中的干細胞黏著斑顯著減少且更細小，細胞骨架重組異常。這一系列研究填補了國際上在真正空間條件下觀察干細胞分化全過程的空白，是中國在空間生命科學領域的標志性成果。

在空間機制研究的同時，中國也積極探索骨丟失的在軌干預。天舟一號任務中，清華大學陳國強團隊開展了一項引人注目的試驗——抗骨質疏松新藥3?羥基丁酸（3HB）空間驗證。雖然完整結果尚未公開發表，但這一“太空藥物試驗”開創了中國乃至世界上將新藥直接送入軌道測試療效的先河。它表明中國在空間藥物防護方面已邁出實踐一步，為將來航天員服用藥物防治骨丟失積累寶貴經驗。

進入空間站時代（2021年至今），中國具備了長期在軌開展科學研究的能力，在空間骨生理領域的研究亦持續深化與拓展。中國空間站天和核心艙和夢天實驗艙配備了先進的生命科學實驗柜、生物3D培養系統等設施，可開展細胞、組織乃至小型動物的在軌培養實驗。2022年，我們團隊牽頭的實驗在問天艙進行了人骨髓間充質干細胞成骨分化，完成了實驗樣本的在軌固定與凍存，建立了從在軌培養到樣本返回的完整研究技術鏈條。研究開發了基于長鏈非編碼RNA的基因與干細胞治療技術，拓展了其在骨損傷修復等領域的臨床作用，相關成果已被收錄于《中國空間站科學研究與應用進展報告》（2024）。2018年，中國科學院上海技術物理研究所張濤團隊發表了為空間站細胞培養設計的培養裝置，具有溫度控制、顯微鏡成像、介質再循環等功能。我們團隊利用該裝置在空間站成功進行人骨髓間充質干細胞成骨誘導培養和細胞實時成像。

2023年，中國空間站開啟常態化應用階段，數十項生命科學實驗相繼實施。其中，“空間骨質疏松研究”被列為重點項目之一，逐步深入研究微重力環境對骨細胞和骨組織的影響機制，并積極開展藥物干預的開發和嘗試。我們團隊后續實驗還將增加藥物干預，在細胞水平驗證候選抗骨丟失藥物的效果；也將與中醫藥科研機構合作，研究中藥對失重綜合征的防治作用；一些具有“強健骨骼”聲譽的中藥（如骨碎補、補骨脂等）正在進行有效成分篩選和作用機制研究，有望為航天員提供具有中國特色的營養干預措施。

此外，中國與國際伙伴合作也逐漸深入，例如與歐洲合作研究航天員腸道微生物變化對骨丟失的影響、與意大利合作開展空間小鼠骨質疏松防治實驗等。通過這些努力，中國在空間骨丟失研究領域從追趕逐步走向創新，不僅服務于自身航天事業，也為人類認識和對抗骨質疏松貢獻力量。

5 挑戰與展望

盡管近年來空間骨丟失研究取得了重要進展，但整體仍處于機制探索與對策優化并行階段，尚存在若干關鍵科學問題與技術瓶頸。未來研究可重點圍繞以下方向開展。

首先，應進一步深化空間骨丟失的多尺度作用機制研究。未來需重點關注承重骨與非承重骨的差異性響應、骨細胞群體在失重環境中的動態調控機制以及失重早期快速骨丟失的觸發過程。在方法學上，有必要整合多組學技術與系統生物學模型，構建跨“細胞—組織—器官”層級的調控網絡，實現由經驗性描述向機制性解釋和預測性分析的轉變。

其次，應拓展長期失重及部分重力環境下的骨代謝研究。未來需系統評估長期（>1年）失重條件下骨量變化是否達到穩態，并深入研究月球與火星等部分重力環境對骨代謝的影響。同時，應關注宇宙輻射與失重的復合效應，通過發展地面模擬與在軌實驗相結合的研究模式，建立長期連續數據體系，為深空任務提供理論依據。

第三，應發展高效、安全且可持續的綜合干預策略。未來研究應從單一措施向多手段協同優化轉變，包括研制小型化、多功能運動設備，構建個體化干預方案，開發長效低毒的新型藥物及生物治療技術（如基因調控與干細胞策略），并結合人工智能實現骨健康狀態的動態監測與干預優化。

第四，應推動空間與地面一體化研究體系及多學科交叉融合。依托空間站平臺與地面模擬設施，構建“在軌實驗—地面驗證—模型預測”相結合的研究體系，同時加強航空航天、生物醫學、材料科學與信息技術等領域的協同創新，探索新型生物材料與可穿戴骨加載技術，以提升綜合防護能力。

最后，應強化空間研究成果的地面轉化應用。未來空間骨丟失研究將呈現由機制解析向精準調控轉變、由單一干預向系統防護發展，并逐步實現空間應用與地面醫學的雙向轉化。

6 結論

空間骨丟失是人類邁向太空過程中必須解決的重大醫學問題。近20年來，國際科研共同體通過空間站實驗和地面模擬手段，對其發生機制和干預策略有了前所未有的深刻認識。微重力環境打破骨重建平衡，使骨吸收加速、骨形成受抑，其背后涉及骨細胞力學感受、體液?內分泌調節等多系統通路的改變。人類、動物和細胞等多層次研究相互印證了這一點，也揭示出骨丟失具有部位特異性、階段特征性和恢復滯后性的復雜面貌。為應對這一挑戰，各國采取了綜合措施，包括強化在軌運動、優化營養、試用抗骨質疏松藥物以及探索機械和生物干預手段。在實踐中，這些措施顯著減緩了航天員的骨丟失，但仍未能完全避免長期失重帶來的骨骼損傷。

展望未來，我們需要進一步解碼微重力下骨生理變化的精細機制，不斷改良和整合防護策略。在這一過程中，中國發揮后發優勢，依托空間站和返回式衛星平臺，在空間骨丟失研究方面取得一系列原創成果，為全球提供了寶貴的數據和新思路。太空醫學的終極目標是在保障航天員健康的同時，反哺地球醫學。可以預見，在國際合作與自主創新的雙輪驅動下，未來的10年將是空間骨生理研究與應用的黃金時期。通過持續的多學科努力，人類有望徹底攻克太空骨質疏松這一障礙，為長征星辰大海的航程筑牢健康基石。

本文作者：宋靜儀、張翠、錢唯、王金福、吳夢瑞、余路陽

作者簡介：宋靜儀，浙江大學生命科學學院，碩士研究生，研究方向為骨骼穩態調控和微重力響應；張翠（共同第一作者），浙江大學麗水生命健康聯合創新中心，特聘研究員，研究方向為骨骼穩態調控和微重力響應；吳夢瑞（通信作者），浙江大學生命科學學院，研究員，研究方向為骨骼發育和穩態調控；余路陽（共同通信作者），浙江大學生命科學學院、浙江大學麗水生命健康聯合創新中心、哈爾濱醫科大學基礎醫學部，教授，研究方向為干細胞生物學、空間生命科學和血管生理。

文章來 源 ： 宋靜儀, 張翠, 錢唯, 等. 空間骨丟失研究進展與中國探索[J]. 科技導報, 2026, 44(10): 43?55.

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