研究发现太空旅行中的低重力会削弱和扰乱心肌细胞的正常节律

Josiah02

约翰霍普金斯医学院的科学家安排 48 个人类生物工程心脏组织样本在国际空间站停留 30 天，报告的证据表明，与来自同一来源的地球样本相比，太空中的低重力条件削弱了组织并扰乱了其正常的节律性跳动。
科学家表示，心脏组织“在太空中确实无法很好地存活”，随着时间的推移，空间站上的心脏组织跳动强度只有地球上保存的同一来源心脏组织的一半。
他们表示，这一发现扩展了科学家对低重力对宇航员在长期太空任务期间的生存和健康的潜在影响的认识，并且可以作为研究地球心肌老化和治疗的模型。
科学家对这些组织的分析报告发表在美国国家科学院院刊上。
先前的研究表明，一些宇航员从外太空返回地球时会带有与年龄相关的症状，包括心肌功能下降和心律失常（心律不齐），但有些（但不是全部）症状会在他们返回后随着时间的推移而消失。
但约翰霍普金斯大学医学院生物医学工程与医学教授 Deok-Ho Kim 博士表示，科学家们一直在寻找在细胞和分子水平上研究此类影响的方法，以期找到在长时间太空飞行中保证宇航员安全的方法。Kim 领导了将心脏组织送往空间站的项目。
为了制造心脏有效载荷，科学家乔纳森·徐博士诱导人类诱导多能干细胞(iPSC) 发育成心肌细胞。徐博士是华盛顿大学金实验室的博士生，2019 年金搬到约翰霍普金斯大学时，徐博士作为博士后研究员陪同金博士。他们在约翰霍普金斯大学继续进行空间生物学研究。
随后，Tsui 将这些组织放入一个生物工程微型组织芯片中，该芯片将组织串在两个柱子之间，以收集有关组织如何跳动（收缩）的数据。这些细胞的 3D 外壳设计为模拟成年人心脏的环境，其腔体只有手机的一半大小。
为了将这些组织运送到 SpaceX CRS-20 任务（该任务于 2020 年 3 月发射，前往空间站），Tsui 说他必须亲自将组织室带上飞机前往佛罗里达，并在肯尼迪航天中心继续照顾这些组织一个月。Tsui 现在是 Tenaya Therapeutics 公司的科学家，该公司专注于心脏病的预防和治疗。
一旦组织进入空间站，科学家们每 30 分钟就会收到 10 秒的实时数据，这些数据包括细胞收缩强度（即抽搐力）以及任何不规则跳动模式。宇航员杰西卡·梅尔博士（理学硕士）每周更换一次组织周围的液体营养物，并以特定间隔保存组织，以便日后读取基因并进行成像分析。
研究小组保存了一组在地球上以相同方式发育的心脏组织，并将其安置在相同类型的腔室中，以便与太空中的组织进行比较。
当组织室返回地球后，Tsui 继续维护和收集组织数据。
“为了确保这些组织在太空中的生存能力，我们需要运用干细胞和组织工程、生物传感器和生物电子学以及微加工等领域的大量尖端技术，”金说道，他的团队为该项目以及后续项目开发了组织芯片。
曾是 Kim 实验室博士生、现为约翰霍普金斯大学博士后研究员的 Devin Mair 博士随后分析了这些组织的收缩能力。
除了失去力量之外，太空中的心肌组织还出现了心律不齐（心律失常）——这种紊乱可能会导致人类心脏衰竭。正常情况下，心脏组织一次跳动与下一次跳动之间的间隔约为一秒钟。空间站上的心肌组织中，这一间隔比地球上的心肌组织长了近五倍，尽管当心肌组织返回地球时，跳动间隔几乎恢复正常。
科学家还发现，在进入太空的组织中，肌节（肌肉细胞中帮助肌肉收缩的蛋白质束）变得更短、更混乱，这是人类心脏病的标志。
此外，太空环境中细胞中产生能量的线粒体变得更大、更圆，并失去了帮助细胞利用和产生能量的特征褶皱。
最后，Mair、生物医学工程助理研究教授 Eun Hyun Ahn 博士和约翰霍普金斯大学博士生 Zhipeng Dong 研究了太空和地球组织中的基因读数。空间站的组织显示与炎症和氧化损伤有关的基因产量增加，这也是心脏病的标志。
梅尔说：“宇航员飞行后的检查中，许多氧化损伤和炎症标志物都得到了一致的证实。”
金的实验室于 2023 年将第二批 3D 工程心脏组织送往空间站，以筛选可能保护细胞免受低重力影响的药物。这项研究仍在进行中，据科学家称，这些药物可能有助于人们在年老时保持心脏功能。
科学家们正在继续改进他们的“芯片上的组织”系统，并在美国宇航局太空辐射实验室研究辐射对心脏组织的影响。空间站位于低地球轨道，地球的磁场可以保护空间站上的人员免受大部分太空辐射的影响。