空间骨丢失：研究进展与中国探索之路

原文发表于《科技导报》 2026年第 10期《空间骨丢失研究进展与中国探索》

长期微重力环境可导致航天员发生显著骨丢失，严重影响其健康并制约深空探测任务实施。《科技导报》邀请浙江大学生命科学学院吴梦瑞研究员、余路阳教授团队撰写文章，系统综述了微重力环境下骨丢失的发生机制、实验研究进展及主要防护措施，总结了中国在该领域的相关研究成果。现有运动、营养、药物和机械刺激等干预措施虽可部分缓解骨丢失，但仍存在疗效有限等问题。未来需结合多组学研究与模拟模型，深入阐明失重性骨丢失机制并优化综合防护策略。

人类在微重力太空环境中长期生活面临诸多生理挑战，对肌肉骨骼、神经前庭和心血管系统都有影响。其中骨丢失（又称失重性骨丢失）是最严重的问题之一。过去几十年中，对空间骨丢失问题的认识不断深化，尤其近年来在机制阐释、模拟实验和干预对策等方面取得重要进展。

1 微重力环境下骨丢失的生物学机制

在地球1g重力条件下，骨骼的形成与吸收过程贯穿人的一生。骨骼能够感知机械负荷并调节骨重建，而在微重力条件下这个过程的平衡被打破引起骨丢失（图1）。骨代谢的不平衡引发骨量持续流失，并伴随骨微结构退化。多项细胞实验发现，空间飞行中骨特异性碱性磷酸酶（BAP）、骨钙素（iBGP）、I型前胶原肽（PICP）等成骨分化标志物表达降低，提示成骨功能受损。此外，微重力引起的钙平衡紊乱也是造成骨丢失的元凶之一。随着骨丢失，大量钙从骨基质中释放进入血液，高钙引起甲状旁腺激素（PTH）分泌受抑，继而使循环活性维生素D水平下降并减少肠道钙吸收。作为促进骨质积累的重要激素，持续性低水平的PTH和活性维生素D进一步加剧骨丢失。综上所述，微重力通过细胞力学感知信号通路紊乱和内分泌代谢改变，在分子、细胞和系统多个层次共同导致骨量平衡负向移动。

图1 空间微重力对骨重塑的影响

2 空间在轨骨丢失研究进展

以往飞行和地面模拟实验通过航天员、动物模型和细胞多个层面的研究展开空间在轨骨丢失的生理和机制探索如表1所示。系统汇总了不同研究类型（包括人类航天员研究及相关实验研究）中微重力对骨代谢的影响。人类航天员研究结果显示，在太空飞行过程中，骨代谢发生显著改变，即使短期飞行亦可引起骨量丢失。

表1 空间骨丢失相关研究

2.1 人类航天员研究

人体在真实太空环境中骨丢失规律是研究空间骨生理的基础。从Skylab以来历次载人任务的医学数据证实，无论采取运动等预防措施与否，航天员长期失重均出现不同程度骨量下降。这一过程具有明显的部位特异性：承重骨（如下肢长骨和脊柱）骨量减少最为显著，而非承重骨（如前臂桡骨）变化相对较小。

骨骼的失重会导致骨骼中钙的流失，这一变化不仅导致骨量下降，还使航天员面临肾结石及飞行后骨折的风险。空间骨丢失的恢复缓慢且不完全，多项载人飞行随访研究显示，航天员返回地面后骨量和骨强度的恢复通常需要飞行时长数倍的时间。目前，骨质返回地面仍长期难以恢复的原因不明确，但对航天员任务前后的身体健康都造成严重危险，使得在轨防护和长期健康监测格外重要。

2.2 动物模型实验

动物在轨实验证实，啮齿类等小型动物在太空中同样经历显著的骨量下降，而且与人类的骨丢失特征有相似之处。失重通过抑制骨形成并促进骨吸收导致骨量快速流失，且松质骨受影响最为显著。然而，动物研究也揭示了一些复杂现象。在轨动物实验为解析微重力下骨质疏松的机制提供了宝贵数据，同时也提示在设计干预措施时需考虑不同骨骼部位的特异性。

2.3 细胞实验

除整体动物实验外，空间站还开展了细胞和组织水平研究，亦有助于阐明微重力对骨细胞行为的直接影响。在轨成骨细胞培养实验发现，失重环境使成骨细胞骨架明显解聚，成骨细胞呈现出扩展的细胞形状以及明显更破碎且缩合的细胞核，并伴有细胞黏着斑数量大幅减少，而破骨细胞显示出明显的活性升高和骨吸收增加。这些形态学变化与细胞功能改变相一致：太空样本中的成骨细胞分泌骨基质的能力降低，分化标志物表达下降。相反，破骨细胞前体在微重力中可能更易分化为成熟破骨细胞，实验发现失重可以促进巨噬细胞集落刺激因子等介质诱导破骨细胞生成，加剧骨吸收。成骨细胞是对重力改变做出反应的机械敏感细胞。在微重力环境下成骨细胞显示出分化表型降低，碱性磷酸酶（ALP）和骨钙素（OCN）表达水平降低。虽然在轨细胞实验实施难度大、开展次数有限，但现有结果一致证实：微重力对骨组织的影响始于细胞层面力学感知机制紊乱，逐步放大至组织和器官水平的骨量丢失。

2.4 地面模拟微重力实验研究

由于真正的空间飞行机会有限且昂贵，自20世纪60年代以来科学家发展了多种地面模拟微重力的方法，用于研究失重对生物的影响并验证干预措施。常用的人体模型是头低位卧床休息模型（HDBR），动物方面则使用大鼠/小鼠尾部悬吊（HLU）模型，细胞实验则借助旋转壁面培养瓶（RWV）、随机定位机（RPM）和2D/3D旋转器等装置。这些模拟模型各有优缺点，例如RPM在不断旋转中可能引入剪切力和振动。尽管如此，它们已被广泛接受为微重力的有效模拟手段，为空间生命科学研究提供了大量可控性强的数据。

多项卧床模拟试验表明，地面失重模拟可以重现太空骨丢失的主要特征。地面模拟研究提供了丰富的信息来补充和解释在轨观测，并为制定干预策略提供依据。例如，性别差异对骨恢复的影响、长期随访的重要性等，都在地面研究中有所体现。

动物模型方面，小鼠和大鼠的尾部悬吊模型是研究失重对骨骼影响的经典方法。与人类似，悬吊动物迅速出现骨质丢失和骨强度下降，并伴有骨转换失衡。值得一提的是，动物模型为分子机制研究提供了便捷条件。不仅如此，尾吊模型被广泛用于治疗骨质疏松的研究。

细胞层面方面，随机定位器和旋转培养系统广泛用于骨细胞和成骨/破骨细胞的研究。虽然在这些系统中也观察到与真实微重力类似的变化（如细胞骨架紊乱、分化受限等），但需注意旋转系统产生的剪切力可能激活其他应激通路。总体而言，模拟失重研究（无论体内还是体外）与空间实验相互印证：它们复现了微重力诱导的主要生理改变，并提供了更可控的条件来深入探讨具体机制。

3 骨丢失干预措施的研究进展

针对失重引发的骨丢失，近几十年发展出多种防护和治疗手段，包括运动训练、营养补充、药物治疗和机械刺激等。在ISS等长期飞行任务中，这些“对抗措施”被综合应用以保护航天员骨骼健康。然而，每种手段均有局限，如何优化组合以达到最佳效果仍是当前研究热点。

3.1 运动对抗措施

运动是航天员最主要的骨丢失对抗手段。运动通过为骨骼施加机械负荷，能够刺激成骨细胞活性并抑制骨吸收，从而减缓骨质丢失。研究证明，规律的抗阻训练在一定程度上可以抵消失重导致的骨密度下降。然而，运动疗法并非完全有效，即使坚持锻炼，骨量仍会下降，只是下降幅度较小。此外，运动效果还受个体差异、训练强度及设备性能等多种因素影响。另一种作为长期太空任务期间多系统失调（肌肉萎缩、骨丢失、心血管损伤）的新型对策是血流限制训练（BFRT），BFRT将低负荷运动与血管闭塞相结合，产生与高强度训练相当的生理获益，同时减少设备需求。总的来说，运动对抗在轨骨丢失是必要但不足的，需要与其他措施结合以全面防护。

3.2 机械刺激对抗措施

除了日常锻炼，机械刺激和人工重力装置也是防控微重力引发骨丢失的重要辅助策略。俄罗斯早期使用“企鹅服”——一种内置弹性绳的紧身衣，通过弹性结构对身体施加轴向负荷，以部分模拟重力环境。目前，欧洲航天局正在研究2种潜在的对策：通过短半径人体离心机（SAHC）产生人工重力和全身振动（WBV）。目前，中国在这一领域也有所布局。据报道，中国航天员科研训练中心开发了基于机械刺激的“骨丢失对抗装置”，利用周期性力学冲击来刺激下肢骨骼。在天宫二号空间实验室中，中国航天员就配备了下肢振动锻炼仪器，通过足底碰撞刺激等方法来减少骨丢失。这些机械刺激手段通常作为运动的补充，有助于增强整体骨保护效果。

3.3 营养支持措施

足量的营养摄入对维持骨健康至关重要。航天员膳食中重点保障钙和维生素D等摄入充足，以支持骨矿化。在床休实验中，有增加膳食钙的尝试但效果有限，提示单纯提高钙摄入难以完全抵消失重引起的钙流失。在航天食品研发中，一些富含钙质和维生素K等对骨有益成分的食谱被设计用于长期任务。营养补充作为基础措施，可与运动和药物协同增效。中国也在探索食物和功能性成分对抗骨丢失的作用，如Xu等发现传统草药蛇床子中的甲氧基欧芹酚等成分能够促进成骨、减轻废用型骨质疏松。总体而言，营养干预是基础措施，需与运动和药物协同发挥作用。

3.4 药物干预措施

针对失重骨丢失的药物干预主要借鉴和发展自骨质疏松症的治疗策略。早期研究聚焦于抗骨吸收药，如双膦酸盐（BP）类药物。BP通过抑制破骨细胞活性减少骨吸收，在地面骨质疏松患者中应用广泛。除BP外，RANKL单克隆抗体（如地诺单抗）及靶向药物抗SOST抗体（如罗莫珠单抗）亦被认为在太空环境中具有应用潜力，可通过Wnt信号通路阻断破骨细胞生成、降低骨吸收。尽管如此，现有的骨质疏松药物都有不可忽视的副作用，如下颌骨坏死风险、心血管风险等，因此科学家仍在寻找其他潜在的靶点和治疗方法。另外，在一些模拟失重的动物模型中，应用IL−6单抗消除炎症、注射肌肉源性因子鸢尾素也被发现具有缓解失重引起的骨丢失的应用潜力。这些研究均为开发天然抗骨丢失药物提供了新方向。

总的来说，现有空间骨保护措施是多方位的，主要包括运动、机械刺激和营养，也有一些药物的尝试。但是目前的措施只能部分减缓骨质丢失，无法完全避免长期失重所致的骨骼衰退。因此，科研工作者仍在不断改进和评估新的对策，包括高效运动方案、新型药物、组合疗法，以及更深入的个体化防护措施。

4 中国在空间骨生理和机制研究中的探索

近年来，中国载人航天和返回式卫星实验为相关研究提供了宝贵的平台，多项代表性任务已取得重要研究成果。2016年发射的实践十号返回式卫星是中国首次开展大规模空间科学实验的卫星，我们的团队在其中承担了一项关键的科学实验研究，聚焦微重力环境下骨生成减少的细胞与分子机制。分析结果首次直接证明：太空微重力显著抑制了间充质干细胞向成骨细胞的分化潜能，转而促进其向脂肪细胞分化。之后，我们的团队再次送入4个单元的人骨髓间充质干细胞，并首次实现了在轨细胞成像的实时传输，直接观察到微重力环境下细胞形态和细胞内骨架蛋白分布的动态变化。结果发现，与地面对照相比，太空中的干细胞黏着斑显著减少且更细小，细胞骨架重组异常。这一系列研究填补了国际上在真正空间条件下观察干细胞分化全过程的空白，是中国在空间生命科学领域的标志性成果。

在空间机制研究的同时，中国也积极探索骨丢失的在轨干预。天舟一号任务中，清华大学陈国强团队开展了一项引人注目的试验——抗骨质疏松新药3−羟基丁酸（3HB）空间验证。虽然完整结果尚未公开发表，但这一“太空药物试验”开创了中国乃至世界上将新药直接送入轨道测试疗效的先河。它表明中国在空间药物防护方面已迈出实践一步，为将来航天员服用药物防治骨丢失积累宝贵经验。

进入空间站时代（2021年至今），中国具备了长期在轨开展科学研究的能力，在空间骨生理领域的研究亦持续深化与拓展。中国空间站天和核心舱和梦天实验舱配备了先进的生命科学实验柜、生物3D培养系统等设施，可开展细胞、组织乃至小型动物的在轨培养实验。2022年，我们团队牵头的实验在问天舱进行了人骨髓间充质干细胞成骨分化，完成了实验样本的在轨固定与冻存，建立了从在轨培养到样本返回的完整研究技术链条。研究开发了基于长链非编码RNA的基因与干细胞治疗技术，拓展了其在骨损伤修复等领域的临床作用，相关成果已被收录于《中国空间站科学研究与应用进展报告》（2024）。2018年，中国科学院上海技术物理研究所张涛团队发表了为空间站细胞培养设计的培养装置，具有温度控制、显微镜成像、介质再循环等功能。我们团队利用该装置在空间站成功进行人骨髓间充质干细胞成骨诱导培养和细胞实时成像。

2023年，中国空间站开启常态化应用阶段，数十项生命科学实验相继实施。其中，“空间骨质疏松研究”被列为重点项目之一，逐步深入研究微重力环境对骨细胞和骨组织的影响机制，并积极开展药物干预的开发和尝试。我们团队后续实验还将增加药物干预，在细胞水平验证候选抗骨丢失药物的效果；也将与中医药科研机构合作，研究中药对失重综合征的防治作用；一些具有“强健骨骼”声誉的中药（如骨碎补、补骨脂等）正在进行有效成分筛选和作用机制研究，有望为航天员提供具有中国特色的营养干预措施。

此外，中国与国际伙伴合作也逐渐深入，例如与欧洲合作研究航天员肠道微生物变化对骨丢失的影响、与意大利合作开展空间小鼠骨质疏松防治实验等。通过这些努力，中国在空间骨丢失研究领域从追赶逐步走向创新，不仅服务于自身航天事业，也为人类认识和对抗骨质疏松贡献力量。

5 挑战与展望

尽管近年来空间骨丢失研究取得了重要进展，但整体仍处于机制探索与对策优化并行阶段，尚存在若干关键科学问题与技术瓶颈。未来研究可重点围绕以下方向开展。

首先，应进一步深化空间骨丢失的多尺度作用机制研究。未来需重点关注承重骨与非承重骨的差异性响应、骨细胞群体在失重环境中的动态调控机制以及失重早期快速骨丢失的触发过程。在方法学上，有必要整合多组学技术与系统生物学模型，构建跨“细胞—组织—器官”层级的调控网络，实现由经验性描述向机制性解释和预测性分析的转变。

其次，应拓展长期失重及部分重力环境下的骨代谢研究。未来需系统评估长期（>1年）失重条件下骨量变化是否达到稳态，并深入研究月球与火星等部分重力环境对骨代谢的影响。同时，应关注宇宙辐射与失重的复合效应，通过发展地面模拟与在轨实验相结合的研究模式，建立长期连续数据体系，为深空任务提供理论依据。

第三，应发展高效、安全且可持续的综合干预策略。未来研究应从单一措施向多手段协同优化转变，包括研制小型化、多功能运动设备，构建个体化干预方案，开发长效低毒的新型药物及生物治疗技术（如基因调控与干细胞策略），并结合人工智能实现骨健康状态的动态监测与干预优化。

第四，应推动空间与地面一体化研究体系及多学科交叉融合。依托空间站平台与地面模拟设施，构建“在轨实验—地面验证—模型预测”相结合的研究体系，同时加强航空航天、生物医学、材料科学与信息技术等领域的协同创新，探索新型生物材料与可穿戴骨加载技术，以提升综合防护能力。

最后，应强化空间研究成果的地面转化应用。未来空间骨丢失研究将呈现由机制解析向精准调控转变、由单一干预向系统防护发展，并逐步实现空间应用与地面医学的双向转化。

6 结论

空间骨丢失是人类迈向太空过程中必须解决的重大医学问题。近20年来，国际科研共同体通过空间站实验和地面模拟手段，对其发生机制和干预策略有了前所未有的深刻认识。微重力环境打破骨重建平衡，使骨吸收加速、骨形成受抑，其背后涉及骨细胞力学感受、体液−内分泌调节等多系统通路的改变。人类、动物和细胞等多层次研究相互印证了这一点，也揭示出骨丢失具有部位特异性、阶段特征性和恢复滞后性的复杂面貌。为应对这一挑战，各国采取了综合措施，包括强化在轨运动、优化营养、试用抗骨质疏松药物以及探索机械和生物干预手段。在实践中，这些措施显著减缓了航天员的骨丢失，但仍未能完全避免长期失重带来的骨骼损伤。

展望未来，我们需要进一步解码微重力下骨生理变化的精细机制，不断改良和整合防护策略。在这一过程中，中国发挥后发优势，依托空间站和返回式卫星平台，在空间骨丢失研究方面取得一系列原创成果，为全球提供了宝贵的数据和新思路。太空医学的终极目标是在保障航天员健康的同时，反哺地球医学。可以预见，在国际合作与自主创新的双轮驱动下，未来的10年将是空间骨生理研究与应用的黄金时期。通过持续的多学科努力，人类有望彻底攻克太空骨质疏松这一障碍，为长征星辰大海的航程筑牢健康基石。

本文作者：宋静仪、张翠、钱唯、王金福、吴梦瑞、余路阳

作者简介：宋静仪，浙江大学生命科学学院，硕士研究生，研究方向为骨骼稳态调控和微重力响应；张翠（共同第一作者），浙江大学丽水生命健康联合创新中心，特聘研究员，研究方向为骨骼稳态调控和微重力响应；吴梦瑞（通信作者），浙江大学生命科学学院，研究员，研究方向为骨骼发育和稳态调控；余路阳（共同通信作者），浙江大学生命科学学院、浙江大学丽水生命健康联合创新中心、哈尔滨医科大学基础医学部，教授，研究方向为干细胞生物学、空间生命科学和血管生理。

文章来 源 ： 宋静仪, 张翠, 钱唯, 等. 空间骨丢失研究进展与中国探索[J]. 科技导报, 2026, 44(10): 43−55.

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