高原低氧环境的快速习服与长期适应机制研究

一、关键科学问题及研究内容
我国有20%左右的疆域处于“世界屋脊”的青藏高原和帕米尔高原。

如何防护高原低氧等环境因素的影响不仅有利于那里自然资源的开发利用，而且有助于管理与开发这些少数民族聚集的边陲要地，有着深远的经济和政治意义。

氧的利用和调节是生命活动的重要基础，与生物的繁衍、进化密切相关；低氧还是许多重大疾病发生发展中的基本过程；进行低氧损伤、适应机制与干预的研究，将有助于深化对生命本质的认识并为相关疾病的研究提供重要的思路。

有关成果还可以服务于航天、航空、航海、极地医学与运动医学等相关领域的研究。

一、研究方向的聚焦：
在前一个973项目中，我们在主要研究方向上，进行了以下的凝练：由于现有防护措施、研究深度和工作意义的不同，在低氧与严寒等环境因素之间，拟以低氧相关的基础与应用问题为主要研究对象。

由于低氧急性损伤的规律和防护方面已经有了大量的工作，而在相关适应（习服）发生发展的规律与机理研究中有新的发现和生长点。

因此，以低氧适应机制为主要研究方向。

不仅如此，对于进一步的工作重点我们还有以下考虑：在对于低氧的不同适应类型的研究中，为了更好的寻找低氧易感标志物，在群体适应和个体适应之间选择以个体适应为主。

为了更好的探讨内源性抗损伤、促适应的物质，在遗传性适应和获得性适应研究方面，以获得性适应为主。

通过这一凝练过程，可以更好的明确目标，部署力量。

从应用需求方面看，对低氧等恶劣环境因素的短期接触造成的危害防护研究的主要问题是如何提前预测可能发生的危害，准备好有关的防护措施（器材或药品）。

而对于长期接触有关的恶劣环境因素的情况下，就需要充分调动机体内在的防护机制，积极促进机体对这些恶劣环境因素的适应性。

二、科学问题的凝练：
我们在前一个973项目已经以低氧习服与适应机制为主要研究方向。

不仅如此，对于进一步的工作重点我们还有以下考虑：
在对于低氧的不同适应类型的研究中，为了更好的寻找低氧易感标志物，在群体适应和个体适应之间选择以个体适应为主。

为了更好的探讨内源性抗损伤、促适应的物质，在遗传性适应和获得性适应（习服）研究方面，以获得性适应（习服）为主。

通过这一凝练过程，可以更好的明确目标，部署力量。

从应用需求方面看，对低氧等恶劣环境因素的短期接触造成的危害防护研究的主要问题是如何提前预测可能发生的危害，准备好有关的防护措施（器材或药品）。

而对于长期接触有关的恶劣环境因素的情况下，就需要充分调动机体内在的防护机制，积极促进机体对这些恶劣环境因素的适应性。

由于习服适应是在低氧损伤信号诱导下产生的，就必须研究低氧信号的转导与适应产生的细胞分子机制。

在这一方面，以往强调的是低氧信号通过影响低氧诱导因子（HIF）为中心的信号转导通路产生一系列的效应，特别是通过HIF下游基因的诱导表达促进机体适应性的产生。

由于习服与适应的产生与维持是一个长期的过程，长时程的细胞行为变化必然有其基因表达的基础。

从群体低氧适应性上看，藏汉族对低氧耐受能力的明显不同强烈提示低氧适应相关基因的结构、表达等在族群上有明显不同。

从进驻高原的平原个体之间的适应性方面，个体差异也很大。

而且这一差异，与年龄、表观身体状况等没有必然的联系。

这方面的工作有我们丰富的特色资源做依托，可望在理论上认识低氧适应相关的基因群以及它们之间的相互关系，形成“低氧适应相关的基因群协同效应”的理论成果。

在应用方面为寻找低氧敏感标记物提供线索。

由于习服在产生后并不是恒久不变的，更类似一个动态变化的过程。

在以往的研究中就发现在习服产生后还可以在一定条件下向脱习服回归。

更有临床价值的是急性低氧损伤（急性高原病）诱导产生的适应性变化还可能向慢性低氧损伤（慢性高原病）转化。

不同类型“适度低氧”可以诱导机体与细胞低氧耐受效应的深入研究有可能使得低氧相关研究的成果更好的从高原走向平原，从急慢性高原病走向心脑血管病等重大疾病，在相关的科学领域与应用方面发挥作用。

根据以上的分析和我们以往的工作，我们在上一个973中提出了关键科学问题：“低氧适应多途径协同诱导产生和多方向转归的机制”。

围绕这一科学问
题，部署了三个研究方向，六个课题。

细胞层次重点研究低氧信号的感知、转导和相关基因。

整体层次重点研究低氧应激的神经内分泌免疫网络调控和间歇性低氧的独特作用。

以上研究为干预措施研发提供科学依据。

5年来，项目取得了重要的进展，结题优秀。

为本项目的实施打下坚实的基础。

为保障科学研究的连续性，实现高原医学与低氧生理学研究进入转化医学的模式。

本项目拟继续前一个973项目提出的“低氧适应多途径协同诱导产生和多方向转归的机制”重大科学问题并进一步提出了四个影响习服适应能力的关键环节的初步公式。

但是根据现有良好的基础和国家任务的重大需求，在主要研究内容和课题设置上实现3个倾斜：
1、在整体布局上由低氧生理学为主向高原低氧效应为主倾斜：压缩一般低氧生
物医学方面（如肿瘤低氧微环境、临床缺血性疾病等）的研究内容，强化高原低氧特色的研究和相应队伍。

2、在研究内容上由低氧信号的感知、转导和相关基因全面铺开向以快速习服和
长期适应相关基因研究倾斜：充分发挥特色资源的优势，为获得可靠的低氧损伤敏感标记物打下基础。

3、在研究目标上由强调论文和实用型成果数量向强调论文质量和实用型成果
认证倾斜：通过提高论文质量，进一步提升我国在本领域的学术地位；通过获得国家与部门对实用型成果的认证，真正达到服务高原地区经济、国防建设的最终目的。

因此，围绕科学问题，结合关键环节，考虑研究重点的进一步聚焦，我们设定的主要研究内容是：
我们设定的主要研究内容是：
1、急慢性高原低氧损伤机制与适度低氧的健康促进作用。

（设臵3个课题）
第一课题急性高原低氧损伤与快速习服机制
第二课题慢性高原低氧损伤与长期适应机制
第三课题适度低氧对健康促进作用的机制
2、低氧相关神经内分泌调控网络与基因与分子网络调控机制。

（设臵2个课题）
第四课题低氧相关的神经内分泌调控网络
第五课题低氧相关的基因与分子调控网络
3、在以上研究的带动下，结合我们以往的工作，进行预警系统和干预措施的研发。

为基础理论研究提供应用出口。

（设臵1个课题）
第六课题系列干预措施
通过以上研究，达到“依托高原特有资源和高技术平台实现学术发现的原始创新。

依托以往基础性研究成果实现学术理论的原始创新。

依托以往应用性研究成果实现保障体系的集成创新。

以重大任务推动科学研究，以科学研究保障重大任务。

”的最终期盼。

二、预期目标
1、总体目标：
（1）在我们以往工作的成果和基础上开拓创新。

通过内引外联，协同攻关，争取在理论上对低氧感知和信号转导机制的认识有突破性进展。

系统阐明低氧或低氧复合其它因素作用下，细胞的感知、信号转导途径；绘制系统的低氧信号转导通路的网络图谱。

同时深化对于细胞应激信号的感受与转导途径（如HIF）可能的普适性作用的认识。

（2）利用我国特有的资源和雄厚的工作基础，引入国内外相关领域的先进理论与技术，从系统生物学的角度全面阐明低氧适应产生后不同转归：适应的维持，脱适应损伤，诱导的―生理性低氧‖等现象的发生机制形成系统认识。

在低氧适应多向性转归方面实现由假说向新理论的过渡并得到国际同行的认可。

（3）建立获得性适应与遗传性适应种群和/或模式动物基因表达谱与重要基因突变频谱的数据库。

获得全面的、可以实际应用的低氧敏感基因（蛋白）谱图。

建立个体化低氧易感性评价体系；实现低氧易感性的实验室预警性早期诊断，解决困扰本领域学者多年的问题－Who can go to high and how can adapt to high。

（4）通过理论研究，结合我国特有的高原动植物资源，研制出具有我国自主知识产权的抗低氧损伤新型天然化合物与中药有效成分。

在以往适应性训练和药物干预的基础上，形成综合性防治方案。

进而利用学科交叉的优势，建立预警—预防—诊断—治疗一体的干预体系。

（5）在现有科研队伍和科研基地的基础上，推动我国低氧等恶劣环境因素基础与应用研究的基础型与临床型科研基地的建设，带动全国范围的相关研究。

培养更多的优秀人才，造就一支具有国际竞争实力的中青年研究队伍，使我国在国际本领域的应用研究上保持优势地位，在基础研究上形成自己的特色，在国民经济建设中发挥更大的作用。

2、五年预期目标：
（1）在对经典低氧信号感知、转导通路进一步深入研究的基础上，初步阐明整体层次神经内分泌调节和细胞层次分子与基因调控网络的关键环节（节点）。

争取在发表高水平研究论文的同时，发表有关的综述性文章，提出我们的假说，形
成自己的特色理论。

（2）从整合生理学的角度初步阐明急性低氧损伤－获得性适应－慢性低氧损伤相关表型相互转化的过渡机制，指导临床实践。

争取在发表高水平的基础研究论文的同时，发表高水平的临床研究文章。

保持我国在应用领域的优势地位。

（3）初步绘制获得性适应与遗传性适应模式动物和藏、汉族的基因表达谱。

筛选出系列低氧适应或不适应个体生物标志物和生理指标的集成，用于筛选进入高原的人员。

争取形成可以实验室试用的诊断试剂。

（4）发现2～3种机体内源性抗缺氧损伤物质（基因），力争揭示抗低氧药物的新靶点。

获得10-20个有抗低氧等恶劣自然环境损伤作用的新化合物或新功能化合物，为研制有效的干预药物提供试验依据，为进一步药物研发提供物质基础。

争取有自主知识产权的抗急慢性低氧损伤药物进入临床和/或得到新药证书。

（5）发表SCI收录论文100-200篇，力争发表高影响因子论文30－50篇。

申报国家发明专利15-20项，获得专利授权3-5项。

在人才培养方面，力争新增国家杰出青年基金获得者1至2人，新增中青年学术带头人5-10人。

在队伍建设方面，通过项目的实施进行有机整合，积极交流，形成老中青三结合的整体效应。

三、研究方案
1、总体研究思路和项目研究的技术路线及可行性
总体研究思路：根据整体目标需要，结合我们以往工作的发现以及目前国际的研究新的生长点，延续上一个973项目提出的关键科学问题：“低氧适应是一个由多途径协同诱导产生，可以向多方向转归的生物医学过程。

”根据这一科学问题，我们的总体研究方案是：从高原低氧生物效应入手，探讨低氧习服与适应的发生规律，损伤－适应相互转化的内在联系，寻找低氧敏感生物标记物和更加准确的病理生理学指标；从整体层次的神经内分泌网络调控和细胞层面的基因和分子调控网络入手，探讨低氧习服与适应发生，损伤－适应相互转化的病理生理学机制和分子生物学与遗传学机制，寻找抗低氧损伤的内源性物质。

在这些工作的基础上研发抗损伤、促适应（习服）的干预措施。

达到建立预警－预防－诊断－治疗干预体系的目的。

在整体研究策略上，在整体布局上实现由低氧生理学为主向高原低氧效应为主倾斜：压缩一般低氧生物医学方面（如肿瘤低氧微环境、临床缺血性疾病等）的研究内容，强化高原低氧特色的研究和相应队伍。

要重视低氧信号转导途径的复合性，低氧相关基因作用的协同性，低氧生物效应转归的复杂性和低氧低温作用的机理同一性。

要重视在深入研究经典低氧信号感知、转导通路的同时，探讨其它通路存在的可能。

在深入研究经典低氧信号分子（基因）作用的同时，探讨它们作为细胞应激信号的普适性分子（基因）的可能。

在深入研究急性低氧损伤与获得性适应（习服）机制的同时，探讨由此种适应向慢性损伤过渡的机制。

在深入研究低氧损伤适应的同时，探讨“适度低氧”的意义与机制。

在总体研究方案上，在研究内容上由低氧信号的感知、转导和相关基因全面铺开向以快速习服和长期适应相关基因研究倾斜：充分发挥特色资源的优势，为获得可靠的低氧损伤敏感标记物打下基础。

以心、脑、肺、骨髓等低氧敏感器官为主要研究对象，以低氧等损伤与适应的细胞分子机制为主要研究层次，以线粒体、低氧诱导因子和低氧相关基因为主要研究靶点，以不同损伤信号的共同通路和交叉适应为主要突破环节。

在急性高原低氧损伤研究中重视局部免疫功能紊乱和心理健康的问题，在慢性高原低氧损伤研究中重视遗传性适应的作用，在适度低氧对健康促进作用机制研究中，重视规律的探寻和相关代谢通路的作用。

以获得低氧易感标志物、内源性促适应物质和干预措施为主要研究目标，以建立预警、预防和处臵措施为主要应用出口。

主要技术途径及可行性：：由于本项目拟采取的研究方法均为目前高原医学、遗传学、应用生理学、细胞生物学和分子生物学中较成熟的技术，而且均为参加单位已经开展与正在进行的工作，限于篇幅，这里不做详细的描述。

具体研究方法、技术路线、实验方案等将在“课题设臵”章节中论述。

本项目的科学问题和研究思路多出于我们自己在以往工作中新的发现。

在特色资源研究上已经有突破。

这就为进一步的研究打下了良好的基础。

①国家自然科学基金重大项目“高原低氧高寒损伤机制与干预措施研究”（）2003-2008，结题优秀。

② 973前期课题：―藏族低氧适应‖（2006CB708500）2006-2008，结题优秀。

③前一轮九七三项目“高原低氧等环境因素损伤适应机制与干预措施”（2006CB504100） 2006-2010，结题优秀。

详细情况见“现有工作基础”。

本项目的研究队伍集中了国内高原低氧研究领域的骨干力量，包含了本领域全部的各级重点实验室。

同时引入了多家、多学科的国内优势单位。

体现了基础-临床-现场相结合，医-工-药相结合和不同地域和民族相结合的组成特点。

特别是我们这个研究队伍的主力，有共同以全优成绩完成以往重点、重大项目的长期合作基础。

力争通过再一个五年的工作：在基础研究上，对高原低氧健康效应的机制有深入的了解，在某些方面形成自己的理论（假说）。

在应用研究上，形成系列的预警与干预措施。

在队伍建设上，培养起新生代的力量。

使我国成为国际本领域的主导者之一。

在上一个973项目基本实现入藏人员生命安全保障的基础上，达到保障入藏人员身体健康和工作能力的目的。

综上所述，可以说：有工作基础，有特色资源，有研究队伍，有新的思路，如获资助，有望突破。

相信在有关研究单位的共同努力下，一定能完成好本项目，保持我国在本领域特色方向上的国际领先的优势，使我国高原低氧等环境因素损伤适应机制及其干预措施的研究在整体上达到国际先进水平。

2、创新点
与国内外本领域有关研究比较，本项目在学术思路上有创新，在资源利用上有特色：
（1）依托高原特有资源和高技术平台实现学术发现的原始创新。

在以往SCIENCE等高端刊物发表文章的基础上，保持和加快这一趋势。

（2）依托以往基础性研究成果实现学术理论的原始创新。

在以往多年工作的基础上，注意整理融合有自主知识产权的成果，提出假说，形成理论。

（3）依托以往应用性研究成果实现保障体系的集成创新。

注重实现国家、部门认证；形成基础-临床-现场相结合的转化医学模式和医-工-药相结合的综合保障措施体系。

（4）以重大任务推动科学研究，以科学研究保障重大任务。

在玉树灾区重建和多项大型工程的保障中注意边保障，边研究，研究成果尽快转化为保障力，做到任务、科研双完成。

3、课题设置，分别说明每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、
设定如下课题：
第一课题急性高原低氧损伤与快速习服机制
主要研究内容：以免疫细胞应激后一系列过激反应及其对局部组织细胞影响、特别是水通道功能和细胞膜兴奋性相关蛋白，如：代谢传感器的KATP通道和能够直接感受细胞外氧分压大电导率BK通道化学修饰的影响。

利用承担每年新兵入藏任务的条件，继续采集有效血样，以线粒体基因变异为中心，探讨对低氧感知与能量代谢再平衡调节的机制。

通过有关研究为寻找低氧敏感标记物和可能的药物靶点提供试验数据。

具体如下：1）急性高原病损害敏感器官中局部免疫细胞应激反应的机制。

2）急性高原损伤时细胞代谢与线粒体功能。

3）结合新兵入藏高原卫生保障的任务，分析急性高原低氧损伤敏感个体相关基因多态性。

目标：1）阐明免疫细胞应激反应与低氧敏感器官损害关系的规律与机制。

2）认识急性低氧敏感个体的基因多态性。

课题主要经费比例：16％
第二课题慢性高原低氧损伤与长期适应机制
主要研究内容：结合承担的玉树灾后重建的工作，利用队列研究的方法，采集相关的数据和实物标本。

从不同层面，以系统生物学的角度研究从急性低氧损伤（急性高原病），通过获得性适应（习服），再向慢性低氧损伤（慢性高原病）
转化的病理生理环节。

结合课题1、5的有关科学成果和技术方法，深入探讨损伤－适应－再损伤之间相互转化的相关敏感组织器官结构、功能变化的细胞分子机制。

为筛选有关的敏感标记物和抗低氧内源性物质提供理论依据。

具体如下：1）慢性高原低氧损害敏感器官代偿与失代偿的机制。

2）结合玉树灾后重建等重大任务，分析慢性高原低氧损伤敏感个体相关基因多态性。

目标：：1）探讨慢性低氧敏感器官的习服性变化与慢性损害的关系与机制。

2）认识慢性低氧损伤敏感个体的基因多态性。

课题主要经费比例：16%
第三课题适度低氧对健康促进作用的机制
主要研究内容：以心脑为主要靶器官，以不同类型的适度低氧效应组织和细胞为研究对象，利用多学科手段研究其能够同时在细胞水平诱发适应性变化和“生理性低氧”变化的分子机制。

以分析探讨相关的内源性抗损伤物质和调节因素。

具体如下：1）适度低氧心脑等主要靶器官健康促进效应的分子机制研究。

2）探讨适度低氧效应中内源性保护物质。

3）结合青藏铁路运营保障等任务，认识预适应相关规律。

目标：： 1）阐明适度低氧心脑等主要靶器官健康促进效应的分子机制。

2）争取获得相关的内源性保护物质。

3）结合青藏铁路运营保障等任务，提出大规模人群入藏的适宜方案。

课题主要经费比例：16%
第四课题低氧相关的神经内分泌调控网络
主要研究内容：：从细胞分子层面探讨CRF/CRFR上游的调控因素，利用不同高原土生动物分析CRF/CRFR在低氧习服与低氧适应中作用的异同性及其有关机制。

结合南极科考等任务，争取实地探讨CRF/CRFR相关的变化规律及其与低氧、低温和生物钟紊乱等环境因素变化之间的联系。

完善CRF/CRFR的血液、唾液中含量和水平的测定方法，争取发展成为重要的生物标志物和诊断指标。

争取进一步发展以CRF/CRFR为靶点的相关药物。

具体如下：1）CRF/CRFR系统调控效应的分子机制。

2）CRF/CRFR检测技术的研发。

目标： 1）阐明CRF/CRFR系统调控效应的分子机制。

2）建立CRF/CRFR检测技术并研发相关产品。

课题主要经费比例：16%
第五课题低氧相关的基因与分子调控网络
主要研究内容：：以高原土著动物、高原世居人群和平原移居人群的敏感与耐受个体为研究对象，充分利用现有的各种人体与动物基因库以及各种血清等样本。

采用基因芯片、蛋白组和SNP分析等大规模基因、蛋白差异分析技术，对于DNA 样品，从功能网络关键节点处相关基因组合协同作用的思路，探讨表型变化与有关的基因结构与功能的差异。

对于血清样品，用蛋白质组学技术进行差异比较。

在工作中重视参考病历等临床资料，为筛选低氧敏感标记物和抗低氧内源性物质提供理论依据。

具体如下：1）高原世居人群低氧适应基因分析。

2）高原土生动物低氧适应基因分析。

3）相关基因的初步功能验证。

目标：1）获得一批高原世居人群低氧适应基因。

2）获得一批高原土生动物低氧适应基因。

3）初步认识低氧适应基因的功能并尝试搭建相应的调控网络。

课题主要经费比例：16%
第六课题系列干预措施
主要研究内容：在上一个973的工作中，已经研发了一系列装备，药物，措施，方案等，初步形成了比较配套的保障体系。

在本研究中，将充分利用已有的知识和本项目实施过程中对低氧敏感标记物和抗低氧内源性物质提供的理论依据。

在个体水平分析、预测不同个体对低氧等相关环境因素的易感性并建立实验室技术与指标。

争取在群体水平建立高原医学辅助决策系统；提高预警能力。

完善已有的低氧训练系统，争取投入大规模实用。

提高相关抗损伤、促适应药物的设计、筛选、机理与研发的靶向性和成功率。

具体如下： 1）低氧检测、训练、干预装臵和设备的研发。

2）抗低氧损伤化合物的筛选、评估与药物研发。

3）相关训练方案、保障方案等效果的评估与机制探讨。

目标：： 1）获得多个低氧损伤药物/设备/方案等。

2）有机整合成为系统的干预措施体系。

课题主要经费比例：20%
4、说明各课题间的相互关系。