出品：科普中国
制作：中国科学院空间应用工程与技术中心清华大学陈国强团队中国科普博览
监制：中国科学院计算机网络信息中心
编者按：
即将发射的天舟一号，除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加，还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。
中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位，代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广，具体承担工程研制的组织管理，系统设计、集成、测试，可靠性保障，在轨技术支持，有效载荷运控管理，数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。
在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持。
4月中下旬，我国首艘货运飞船天舟一号将进行发射。并将在发射后与天宫二号对接。
已经进入良好运转状态的天宫二号，是我国打造的第一个空间实验室。而天舟一号虽然是货运飞船，但仍然承载了不少科学实验。其中一项就是抗失重情况下的骨质疏松新药开发，由清华大学陈国强团队负责。
骨质疏松症是“无声杀手”
我国是世界上老年人口数量最多的国家。而随着人口的日益老龄化，老年性疾病，特别是骨质疏松症的发病率也在同步增长。
据相关数据显示，全球每年有890万骨折病例，平均每3秒钟一例，而到2050年，我国骨质疏松症病人将激增至2亿多人，占人口的13.2%。
图1
骨质疏松症是特征的一种全身性代谢骨病，伴有骨脆性增加，易于发生骨折，是目前世界上绝经后妇女、中老年人中发病率、死亡率及保健费用消耗较大的疾病之一，骨质疏松症被称为“无声杀手”，是因为人们无法感觉到骨质的慢慢流失，早期无症状发病率高。
我国现约有9000万骨质疏松症患者，其中骨质疏松发生率占60岁以上老年人的56%，在绝经后妇女发生率更高，约为60%~70%。经济负担大。在美国，骨质疏松治疗费用每年至少上百亿美元，并且，由于其防治费用及患者对家庭成员的依赖，给社会造成了沉重的负担。
骨质疏松症有多可怕？
骨质疏松症的表现主要为疼痛，身材变矮，骨折。轻者活动受限，重者需长期卧床，严重的骨痛可影响老年人的日常生活、饮食和睡眠等，常使病人生活无规律，牙齿过早脱落，茶饭不思，痛苦异常。
骨折发生率高，轻微的外力就可以可导致骨折，如咳嗽甚至可以引发肋骨骨折。骨质疏松症最常见的并发症是骨折，老年人骨折可引发或加重心脑血管并发症，导致肺感染和褥疮等多种并发症的发生，严重危害老年人的身体健康，甚至危及生命，死亡率可达10%~20%。
骨质疏松的危害性还在于它常常是默默无声、悄悄的发生。多数人没有明显症状，而随着年龄增加，骨钙在不断流失。
为什么宇航员容易出现骨质疏松？
正常的情况下，成骨细胞合成骨组织，破骨细胞吸收骨组织。
图2
而当这种平衡被打破，吸收比合成更强的时候，就会出现骨质疏松。打破平衡的原因可能是激素水平的改变，比如女性绝经后雌性激素分泌减少，或者是受力的改变，比如长期不使用或长期处于微重力环境下。
正常骨组织承受两种刺激：重力（被动刺激）和运动（主动刺激），两者相结合、相互作用诱导的一系列生理、生化过程维持骨组织的结构。空间飞行中的微重力（失重）环境使航天员所受重力消失，相应的骨骼负荷减少，从而导致骨质丢失，即微重力诱导的骨质减少或骨质疏松。
有研究发现，微重力环境中，航天员每月平均有0.5%~2%的骨质丢失，特别是承重骨（跟骨、胫骨、股骨、椎骨）部位，比非承重骨（挠骨、尺骨）更加严重。
回到地球后，骨质恢复时间要长于飞行时间2~3倍，甚至不能完全恢复。
生化检测显示骨形成标志物I型原胶原羧基端延长肽、骨型碱性磷酸酶和骨钙素减少，而骨吸收标志物羟脯氨基酸、胶原交联物等在尿中含量是增加的。
因此，研究并开发安全、有效的抗骨质疏松药物，对减少微重力诱导的骨质流失意义重大。
但整体来说，国内外有关空间飞行微重力下骨质疏松的研究较少，其中机制尚不很清楚。这也给抗微重力下骨质疏松药物的开发带来了不少困难。
为什么选择3HB作为验证药物？
但现有研究显示，微重力主要是抑制成骨细胞的分化，也伴随着破骨细胞的大量生长，最终引起骨组织结构的变化。
现有地面条件下治疗骨质疏松的药物，如磷酸盐、降钙素等对微重力环境诱导的骨质疏松作用不明显。
主要是因为目前关于地面上治疗骨质疏松的药物对微重力环境下的骨质疏松治疗效果不显著的机制还不清楚，而且除了机理之外，效果较好的药物（包括激素）有副作用，不大适合航天员。
一般我们认为，治疗骨质疏松，还是血液中的天然产物最好，副作用最小。
本次实验所验证的药物是血液中天然代谢产物酮体的主要成分：3-羟基丁酸（3HB）。
3HB在地面上进行了多年的细胞和动物实验，证明了3HB有促进成骨细胞生长，遏制破骨细胞的作用，对地面和微重力模拟状态下的骨质疏松治疗效果很明显。
这次是3HB首次作为用于治疗骨质疏松的药物进行空间微重力实验。
目前，这种药物的研究已经进展到机理的研究。
究竟如何实验？
实际上，在天舟一号上的实验，只是整个实验的一部分。
这个实验需要先观察3-羟基丁酸（3HB）处理后，对于成骨破骨细胞、骨生物力学性质的作用，观察3HB对于骨质疏松的预防效果。
接着，在地面上，采用鼠尾悬吊模型，模拟微重力环境诱导骨质疏松，研究3-羟基丁酸（3HB）对于骨微观结构的影响，初步确定3HB体内药效作用。
然后，才在真实微重力环境下（天舟一号上），于细胞水平上研究3HB对于微重力诱导骨质疏松的治疗效果。
最后，还需要探索“天舟一号”货运飞船发射前后的地基匹配实验，为真实微重力环境下细胞药效实验的开展摸索并优化实验条件，保证空间3HB作为骨质疏松潜在药物研究的顺利完成。
整个实验过程，地面实验的方法和空间实验的方法不太一样。
在地面动物实验中，采用了鼠尾悬吊的实验方法。
图3 小鼠的鼠尾悬吊实验
通过把小鼠后肢悬吊，在后肢产生一个无重力效果，导致后期小鼠后肢骨质疏松。通过灌注3HB的对照，悬吊的后肢骨质疏松显现消失。
但是本次天舟一号并不载人，因为没有人照顾动物，也就无法带动物上去，所以这次空间实验的对象是细胞，观察成骨细胞在微重力的条件下是否能在3HB的作用下促进生长。
而且，作为货运飞船，将不再返回地面，所以只能通过遥控显微镜对成骨细胞的生长在有3HB和无3HB 的条件下进行观察，并从发回来的照片中获知实验结果。
为什么一定要去太空研究抗骨质疏松药物？
在地面上，我们已经通过模拟失重状态的方法进行了一些实验，但是航天员在航天飞行时所处的环境及所受的影响比较复杂，地面模拟实验是无法完全模拟的。
所以我们非常珍惜这次宝贵的实验机会。利用天舟一号所提供的空间真实微重力环境，我们要研究骨质流失干预药物3HB在真实太空微重力环境下的成骨作用；同时，通过对比地面模拟失重和太空真正失重两套系统得到的数据，可以做出更为准确的判断，对微重力模拟实验领域的研究方法提供一些新的看法和建议。
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