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太空飛行腦部血管變化造成腦部灌流增加和腦壓上升

駐國際太空站的太空人曾回報出現視力減弱的問題[1],一些科學家猜測這些問題是因為太空微重力狀態下腦壓上升所致[2]。歐姆定律估計腦血流 (cerebral blood flow; CBF) 大小,會等於腦動脈壓減腦靜脈壓除以血管阻力,即 CBF=(Pa-Pv)/CVR 。理論上微重力狀態下腦動脈壓 (Pa) 會增加20-30 mmHg ,然而若根據人體本身腦壓的自身調節機制,科學家認為血管應該會因為血壓上升而收縮造成血管阻力上升[3],使腦的血流量不會明顯增加,故腦壓應不會上升。之前在地球上做過的動物實驗使用大鼠倒掛的方式 (head‐down tail suspension) 模擬外太空體液聚集頭端,以及心血管系統逐漸失能 (deconditioning) 而出現心搏過快、低血壓等症狀。實驗發現 Pa 的上升反而造成腦血流量下降,腦血管壁也出現平滑肌增厚、管徑變小和內生性收縮反應 (myogenic vasoconstriction) 增強等生理、結構性的變化[4]。

Curtis R. Taylor 和 Mina Hanna 等人希望能夠實際上在太空測試微重力狀態對腦血管的影響,將出生 9 週的小鼠跟著 STS‐135 太空梭執行任務。實驗設計將小鼠分成地球組和太空組,太空組(Spaceflight; SF) 和地球組 (Ground control;GC) 都維持相同的 12 小時亮暗周期和同樣的濕度、溫度和二氧化碳濃度。之後使用解剖顯微鏡輔助將小鼠的基底動脈和後交通動脈 (posterior communicating artery; PCA) 從大腦分離。為了評估血管壁肌肉在不同血壓刺激下產生的收縮強度變化,基底動脈的兩端連接上玻璃吸管並同時灌入 PSS medium ,在不同的壓力下量測血管腔最大直徑和平均血管壁厚度。科學家發現 SF 組相對 GC 組有更大的最大管徑和較小的肌張力。而為了瞭解血管組織的回彈力,將 PCA 沿著管腔縱切攤平,並使用奈米壓痕機械性分析儀 (nanoindenter) ,在樣本上施予不同大小的力,並紀錄探頭移動的距離來量測組織之彈性。將探頭施予的力 (loading force) 和位移 (displacement) 作圖可發現 SF 組的彈性(彈力常數)較 GC 組小[5]。

基底動脈管徑在不同壓力下的管徑變化:圖 A 是測量基底動脈在血管平滑肌可主動收縮的情形下,改變不同壓力下的管徑( myogenic pressure diameter response ) ,medium 是 PSS ; 圖 B 是測量基底動脈本身組織彈性,平滑肌不收縮的情形下,改變不同壓力下的管徑 ( passive pressure diameter response),medium 是 Ca2+‐free PSS containing 10^(–4) M Sodium Nitroprusside

PCA 在探頭擠壓過程中施力和位移變化:圖A紅線和藍線分別表示地球組和太空組探頭施力對位移的曲線; 圖 B 是由圖 A 斜率計算而出的平均組織彈性程度 (stiffness),相當於其彈性常數

這兩個實驗所得的結果都與在地球上模擬的 HDT 實驗不同, HDT 大鼠的血管收縮力量相較於控制組增加、平均血管壁厚度增加、被動的壓力管徑曲線不變,而 SF 小鼠的血管收縮力量會減少、平均血管壁厚度減少、被動的壓力管徑曲線斜率變小;因為兩個實驗的動物不同,所以另做一組 HDT 小鼠,發現 HDT 對小鼠的血管並沒有顯著影響,顯示不同的實驗方式和使用不同的實驗動物對血管都會有影響。此篇研究探究腦血管館在不同地點之重力場的差異,或許可以解釋過往發生的視覺問題,期望未來能藉相關研究、找到保護太空人健康的適當方法。

圖片來源:Taylor, C. R. et al. Spaceflight-induced alterations in cerebral artery vasoconstrictor, mechanical, and structural properties: implications for elevated cerebral perfusion and intracranial pressure. FASEB J. 27, 2282–2292 (2013).

參考文獻:

[1]  Mader, T. H., Gibson, C. R., Pass, A. F., Kramer, L. A., Lee, A. G., Fogarty, J., Tarver, W. J., Dervay, J. P., Hamilton, D. R., Sargsyan, A., Phillips, J. L., Tran, D., Lipsky, W., Choi, J., Stern, C., Kuyumjian, R., and Polk, J. D. (2011) Optic disc edema, globe flattening, choroidal folds, and hyperopic shifts observed in astronauts after longduration space flight. Ophthalmology 118, 2058–2069

[2] Kramer, L. A., Sargsyan, A. E., Hasan, K. M., Polk, J. D., and Hamilton, D. R. (2012) Orbital and intracranial effects of microgravity: findings at 3T MR imaging. Radiology 263, 819827

[3]  Aaslid, R. (2006) Cerebral autoregulation and vasomotor reactivity. Front. Neurol. Neurosci. 21, 216228

[4] Geary, G. G., Krause, D. N., Purdy, R. E., Duckles, S. P. (1998) Simulated microgravity increases myogenic tone in rat cerebral arteries. J. Appl. Physiol. 85, 16151621

[5] Taylor, C.R., Hanna, M., Behnke, B.J., Stabley, J.N., McCullough, D.J., Davis, R.T., III, Ghosh, P., Papadopoulos, A., MullerDelp, J.M. and Delp, M.D. (2013), Spaceflightinduced alterations in cerebral artery vasoconstrictor, mechanical, and structural properties: implications for elevated cerebral perfusion and intracranial pressure. The FASEB Journal, 27: 2282-2292

撰文|宋柏緯
審稿|吳冠廷

 

About the author

宋 柏緯

宋 柏緯

大家好,我是柏緯,目前就讀於中國醫藥大學醫學系大四。大二時曾參與過iGEM競賽,對於分子生物學很有興趣,現已在中國醫蘇文琪老師的實驗室中待兩年,從研究microRNA如何誘發免疫到現在做冠狀病毒進入細胞途徑的實驗。雖然對病毒和免疫有點興趣,不過這方面的知識還非常缺乏,希望加入investigator能有更多機會與學長姐或厲害的同學討論關於研究遇到的問題~

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