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编号:10236014
航天毒理学研究回顾与展望
http://www.100md.com 《毒理学杂志》 1999年第3期
     作者:余秉良

    单位:航天医学工程研究所 (北京 100094)

    关键词:

    卫生毒理学杂志990309 航天员生活在一个特殊的密闭环境中,包括近地轨道飞行、月球飞行和星球上居住。这将给机体带来潜在毒性污染物慢性的低浓度暴露和事故性急性的高浓度暴露的危险。由于航天环境多种污染物、失重、辐射、应激与长期活动受限等特有的因素同时存在,使这种暴露更加复杂化,并在一定程度上改变人体的正常生理状态,从而改变人体对污染物的毒性反应。另外,飞船座舱内的监测、预防和急救措施比在地面更加困难和承担风险。这些问题向现代毒理学和现代工程技术提出了新的挑战,毒理学和工程技术人员为之进行了大量研究。我们根据国内外资源和工作实践,对这个正在成长中的学科分支——航天毒理学的部分研究情况作一简介。

    1 飞船座舱空气污染源的研究
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    国外30多年的航天实践表明,飞船座舱空气化学污染事件时有发生,轻者使航天员产生刺激感,影响工作和生活质量,重者影响健康甚至造成中毒死亡[1]。应用现代分析技术成就,经过大量的检测和研究已经查明,座舱空气化学污染物的存在形态与地面完全一样,即气体、蒸汽和悬浮颗粒物等。根据污染物释放的可预见性,可将污染源分成两大类,(1)持续性污染源:包括人体代谢物与舱用非金属材料脱气,个人生活用品,油漆屑、皮肤屑,灰尘等;(2)事故性污染源:包括非金属材料(燃烧)热解,推进剂和温控化学品、消毒剂、灭火剂及实验试剂的泄漏等。

    人体通过呼出气、皮肤汗液、大小便排出数百种化学物质,研究表明,在座舱空气中具有毒理学意义的只有数十种,现在已能较精确地预告它们的代谢排出率,也能在一定程度上预告体力负荷、饮食结构、环境温度和其它因素对它们代谢形成和排出的影响[2]。这些研究资料为飞船座舱空气净化系统的设计和监测提供了科学依据。

    座舱内的非金属材料是一类潜在性的危险污染源,通过扩散、蒸发、氧化降解或高温裂解等方式,产生各种有毒或有刺激性气味的物质污染座舱空气环境。国内外航天和航海部门对材料脱气成分和机理进行了大量的研究,并逐步建立和发展了对舱用非金属材料进行卫生毒理学评价的一套原则与方法[3,4]。我们实验室对5类23种国产航天候选材料进行了重量变化、能量变化和脱气毒物的实验研究,提出航天非金属材料4项评价步骤与10项要求,制订了三级评价方法与评价标准,初步建立了非金属材料毒性数据库,为我国载人航天舱用非金属材料和筛选和安全使用提供了一套基本原则与方法。当然,实现评价方法的标准化和规范化还需要进行深入的工作。
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    颗粒物作为有毒有刺激性气体的凝聚核心,浮悬在座舱空气中,它通过沉淀、碰撞和扩散附着在人的呼吸道内产生毒性效应。研究表明,微重力状态不仅影响吸入颗粒物的暴露状态,亦改变吸入颗粒物在呼吸道内的沉积作用[5]。在微重力条件下,空气中微粒的附着情况、附着部位和浓度都有改变,直径小于0.25μm微粒不受微重力影响,大微粒在座舱中的浓度显著升高[6]。2.5~10μm范围微粒的增加将具有毒理学意义,因为这个范围的微粒可被呼吸道吸入(称为“可吸入颗粒物,PM10”),并对气管、支气管和肺泡有很大刺激作用。

    2 座舱空气污染物毒效应的研究

    已经从各种载人航天器座舱空气中检测出多达300余种污染物,污染物的广谱性带来毒性效应的多样性。Hine和Weir选择最经常或最可能出现的175种潜在座舱污染物,根据它们对人体组织器官和系统的影响,将它们的毒效应作了较详细的分类,结果表明,许多污染物有多重毒效应,最共同的毒效应是粘膜、呼吸道刺激和中枢神经系统的抑制,这种污染特征对航天毒理学研究具有指导意义。
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    NASA约翰逊航天中心毒理学部对座舱中几种常见的粘膜刺激和中枢神经系统抑制性污染物(氨、甲醇、一氧化碳、二氯甲烷、1,3-丁二烯、甲醛和丙烯醛等),从流行病学调查、代谢、药物动力学、组织损伤机理、遗传毒理、生殖毒理和三致效应等方面进行了系统的分析与实验研究,取得了许多新的有意义的资料。与其它人群暴露相比,在航天环境下,除了安全和健康之外,还应关注低浓度持续暴露对航天员功能和行为的影响,这是航天毒理学者关注的焦点,国内外还处在累积资料阶段。

    80年代以来,我们开展了毒物对机体功能和神经行为影响的研究。二氧化碳(CO2)是各种舱室空中最常见的有毒气体,陈芝村等系统地研究了不同浓度CO2对人体肺功能和工效的影响,取得许多有意义的新资料。一氧化碳(CO)是工业和军事作业中常见的毒性气体,有大量的描述和机理研究,HbCO水平超过10%所带来的毒性影响,有充分的科学依据且被普遍承认,但是HbCO水平低于10%是否对精神功能产生损害,则是一个有争议的问题。新近的一项CO 72h人体和动物持续暴露实验表明,7%的HbCO(暴露浓度为35mg/m3)使人体出现轻度头晕症状,对比视力下降,心电T波降低和操作工效下降;13%和18%的HbCO水平(暴露浓度分别为80,115mg/m3),上述变化更加明显,并出现高频听阈升高[7]
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    动物实验表明,300mg/m3 CO浓度可使小鼠学习和记忆能力减弱,600mg/m3可导致小鼠情绪不稳、激奋功能受到抑制、学习和记忆能力降低。文献报道,鼠对CO的行为效应的敏感性比人低10倍,上述CO的人体和动物实验结果恰恰证明了这点。吲哚与3-甲基吲哚都是人体内色胺酸的代谢产物,有强烈的刺激性臭味,也是舱室空气的重要污染。仅有少量的动物毒性资料,未见对人体的吸入毒性报道。新近的研究表明,吲哚毒作用的靶器官是血液系统,红细胞脆性和网织红细胞数是灵敏的指标;3-甲基吲哚毒作用的靶器官是脾和肺,脾细胞数和肺组织过氧化产生丙二醛是灵敏的指标,取得“剂量-效应”关系和人体的“厌恶阈”值[8]。这些实验资料为机理探讨、毒性评价和制订座舱环境短期持续暴露的最高容许浓度提供了新的依据。

    航天医学研究表明,航天员处于一种改变了的内环境稳定状态下,这些改变包括:肌肉质量损失、骨质量损失、免疫系统减弱、淋巴细胞数量减少、红细胞质量降低、激素状况改变和酶活性降低[6]。Merrill等[9]人从经过航天的大鼠肝样品中发现细胞色素P-450低于正常量,苯胺羟化酶和乙基吗啡-N-脱甲基酶减少。这一族酶与机体的药物代谢、某些类固醇激素及细胞内信息递质代谢有关,这一发现提示,航天失重因素可能改变机体进行药物代谢的能力,从而可能提高机体对有毒物质的敏感性。因此,航天微重力环境对毒物毒效应的影响是一个诱人的研究领域。
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    3 制订座舱污染物最高容许浓度

    飞船座舱污染物最高容许浓度(SMAC)是作为在正常的航天期间或应急情况下化学暴露的安全健康保障标准。通常分为应急标准和常态标准,前者一般是在24h之内的不同时间的暴露标准,后者是几天、几十天和几百天的暴露标准。制订座舱污染物最高容许浓度是一项重要而复杂的工作。首先是由于在工业毒理学的经验中没有与航天相似的条件;其次是航天环境特有的因素,可能改变人的正常生理和改变人对污染物的毒性反应;再次是还要与本国的工程技术发展水平和航天任务的保障要求相适应。基本途径是根据毒物的较完整的描述毒理学动物资料的外推,来建立航天员的安全标准。

    美国NASA制订SMAC大体经过了三个阶段:1968年由国家研究会毒理学委员会推荐了23种污染物90 d的暴露标准,11种污染物1000 d和5种污染物60min钟的暴露标准。这些标准主要是以美国海军潜艇90 d空气质量标准为基础而推导出来的。第二阶段,该委员会根据新的毒性资料对1968年的推荐位进行了补充和修改,在1972年提出了52种污染10,60 min、90,180 d的SMAC[9]。后来,航天飞机计划的发展,在1989年约翰逊航天中心公布了28种污染物1,24 h,7,30,180 d的SMAC[6]。总的趋势是毒物容许限值愈来愈严格。1995年俄罗期联邦国家标准规定了13种污染物15 d、12种30,60 d、13种90,180 d以及108种360 d的SMAC。
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    为适应我国发展载人航天的需要,通过大量资料调研、动物试验和必要的人体验证实验并借鉴美、俄的经验,现阶段已制订了飞船座舱十余种常见污染物短期暴露的SMAC,目前正在报批为国家军用标准,今后还需制订应急和长期暴露标准。

    4 展望

    4.1 生理和生化变化 在航天中,航天员经受许多生理和生化变化,毒理学者特别关注的是中枢神经系统、心血管系统、免疫系统、血液和组织酶系统的变化。虽然这方面的资料在迅速增加,但是由于有限的航天经验,这些变化无论在描述方面还是在机理方面尚缺乏足够的了解,目前还不能预告航天因素是如何影响人的化学暴露的敏感性。因此,建立和发展具有类似于长期航天的航天员生理状态特征的生物模型,来研究微重力因素对毒性参数、毒物动力学和毒效应的影响及其机理,将是航天毒理学非常重要的基础研究,有望在21世纪有所突破。

    4.2 低浓度的慢性暴露是航天员暴露的一个显著特征 对长期航天而言,工业毒理学中的Haber定理(C×tn=K)不适用于长期慢性暴露。现代毒性数据库缺少慢性暴露的毒效应资料,该领域的研究无论在描述还是在机理方面将应有更大进展。
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    4.3 神经行为研究方法应当成为开展低浓度慢性暴露毒效应研究的重要方法 因为行为是机体的一种重要功能,它支配和协调机体的正常活动,又受机体各器官系统功能状态的影响和调节。因此,神经行为被视为最敏感的功能,由于此时机体尚未出现明显的症状、体征、生化学和病理形态学的改变,而只是表现为感觉、运动及认识功能的异常。虽然没有表明它们对健康有重大影响,但是它们能够危害判断力和功能的高级水平,而这些功能正是航天员所必需的功能,因为它影响航天员的操作效率和操作安全。

    4.4 制订SMAC是保护航天员健康和安全的一个重要步骤 它为工程设计、医学防护和空气质量评价提供依据,它涉及到描述毒理、机理毒理、管理毒理和航天工程的综合应用;涉及到各种依据,其中包括:毒物的化学—物理特性资料,离体毒性研究,动物毒性研究,人的临床研究与验证观察,流行病学调查等。虽然航天大国都各自制订了应急暴露、短期暴露和长期暴露MAC,但由于共同的原因,这些限值还存在一定程度的不可靠性,需要根据新的资料不断地进行修订和补充。
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    航天舱室空气中挥发性污染物有数百种,制订出每种污染物的SMAC不仅在人力和财力上是沉重的负担,而且没有必要,因为其中许多污染物不但是痕量而且出现率很低。约翰逊航天中心(JSC)毒理学部提出“组SMAC”(group SMAC)的概念和制订程序,这是一组结构相关化合物的SMAC,业已制订出饱和脂肪烃、未饱和脂肪烃和饱和脂肪酮的临时组SMAC。这是一个值得探讨的制订SMAC的新思路。

    参考文献

    1.余秉良.国外载人航天座舱空气化学污染对策.中国航天,1998,7:24~26.

    2.Conkle JP,Gamp BJ,Welch BE.Trace composition of human respiratory gas.Arch Environ Health.1975,30(6):290~295.

    3.罗修裕.建筑聚合材料燃烧实验及毒性评价.国外医学卫生学分册,1990,5:270~273.
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    4.余秉良.航天舱室内非金属材料的毒性危险与卫生学评价.航天医学与医学工程,1994,7(1):70~74.

    5.White R,Rabin R,Clarkson T,et al.Space exploration and toxicology:a new frontier.Fundam Appl Toxicol,1994,22:161~171.

    6.James JT,Coleman ME.Toxicolgoy of airborne gaseous and particulate contaminants in space habitats,In Space Biology and Medicine,Volume Ⅱ AIAA,Washington,DC,1994.37~60.

    7.余秉良,张恒太,牟晓非,等.低浓度一据化碳对人体生理功能的影响.航天医学与医学工程,1997,10(5):328~332.

    8.余秉良,张恒太,于芳等.密闭环境3-甲基吲哚最高容许浓度的实验研究.航天医学与医学工程,1996,9(6):426~430.

    9.Merrill AH,Hoel M,Wang E,et al.Altered carbohydrate,lipid,xenobiotic metabolism by liver from rats flown on Cosmos 1887.FASEBJ,1990,4:95~100.

    (来稿日期 1999年2月), http://www.100md.com