約翰斯-霍普金斯醫學院的研究人員觀察到，由人類幹細胞設計並送往國際太空站的心臟組織與地球上的心臟組織相比，表現出明顯的衰弱和不規則節律。這些研究結果表明，長期執行太空任務的太空人面臨潛在的健康風險，並可能影響未來地球上心臟病治療和預防策略。

發射準備室中的心臟組織。 圖片來源：Jonathan Tsui

約翰斯-霍普金斯醫學院的科學家們安排了48 個人體生物工程心臟組織樣本在國際太空站（ISS）上度過了30 天，他們報告的證據表明，與來自地球上的相同樣本相比，太空中的低重力條件削弱了這些組織，破壞了它們正常的節律性跳動。

科學家說，心臟組織”在太空中確實不好受”，隨著時間的推移，太空站上的心臟組織的跳動強度只有地球上相同來源組織的一半左右。

他們說，這些發現擴大了科學家對低重力對太空人在長期太空任務中的生存和健康的潛在影響的認識，而且它們可以作為在地球上研究心肌老化和治療的模型。科學家對這些組織的分析報告將於9月23日發表在《美國國家科學院院刊》。

先前的研究表明，一些太空人從外太空返回地球後會出現與年齡有關的病症，包括心肌功能減退和心律不整（心律不整），有些影響會在返回地球後隨著時間的推移而消失，但並非所有影響都會消失。

約翰-霍普金斯大學醫學院生物醫學工程與醫學教授、博士Deok-Ho Kim 說，科學家一直在尋找從細胞和分子層面研究這些影響的方法，希望找到在長時間太空飛行中保證太空人安全的方法。 金領導了將心臟組織送往太空站的計畫。

太空生物學研究的創新

為了製造心臟有效載荷，科學家喬納森-徐（Jonathan Tsui）博士誘導人類誘導多能幹細胞（iPSC）發育成心肌細胞（心肌細胞）。 許是華盛頓大學Kim實驗室的博士生，2019年Kim調到約翰霍普金斯大學時，他作為博士後研究員陪同Kim一起工作。 他們在約翰霍普金斯大學繼續進行空間生物學研究。

然後，徐將組織放入一個生物工程微型組織晶片中，該晶片將組織串在兩個柱子之間，以收集組織如何跳動（收縮）的數據。 細胞的三維外殼被設計成模仿成人心臟的環境，只有半個手機大小。

為了將組織送上2020年3月發射前往太空站的SpaceX CRS-20任務，徐說，他不得不用手將組織室搬上飛機送往佛羅裡達，並在甘迺迪太空中心繼續照料組織一個月。 徐現在是特納亞治療公司（Tenaya Therapeutics）的科學家，該公司專注於心臟病的預防和治療。

組織進入太空站後，科學家每隔30 分鐘就會收到10 秒的即時數據，了解細胞的收縮強度（即抽搐力）以及任何不規則的跳動模式。 太空人傑西卡-梅爾（Jessica Meir）博士和碩士每週更換一次組織周圍的液體營養物，並在特定時間間隔內保存組織，以便日後進行基因讀取和成像分析。

研究小組在地球上以相同的方式保存了一組心臟組織，並將其放置在相同類型的室中，以便與太空中的組織進行比較。

組織室返回地球後，徐志摩繼續對組織進行維護和資料收集。

技術進步和初步發現

Kim說：「為了確保這些組織在太空中的存活率，我們在幹細胞和組織工程、生物感測器和生物電子學以及微細加工等領域採用了大量尖端技術。」實驗室的前博士生、現約翰霍普金斯大學博士後德文-邁爾（Devin Mair）博士隨後分析了這些組織的收縮能力。

除了失去力量外，太空中的心肌組織還出現了不規則的跳動（心律不整）–這種紊亂會導致人類心臟衰竭。 正常情況下，心肌組織一次跳動與下一次跳動之間的時間間隔約為一秒鐘。 在太空站上的組織中，這個時間比地球上的組織長了近五倍，不過當組織返回地球後，跳動之間的時間幾乎恢復正常了。

科學家也發現，在進入太空的組織中，肌肉束–肌肉細胞中幫助它們收縮的蛋白質束–變得更短、更紊亂，這是人類心臟病的一個標誌。

此外，太空細胞中產生能量的粒線體變得更大、更圓，並失去了幫助細胞利用和產生能量的特徵性褶皺。

遺傳學見解和正在進行的實驗

最後，梅爾、生物醫學工程助理研究教授安恩賢博士（Eun Hyun Ahn）和約翰霍普金斯大學博士生董志鵬研究了太空和地球組織中的基因讀數。 太空站中的組織顯示，涉及發炎和氧化損傷的基因產生增多，這也是心臟病的標誌。

梅爾說：”這些氧化損傷和炎症標誌物中的許多在宇航員飛行後的檢查中都得到了證實。”

Kim的實驗室在2023年向太空站發送了第二批三維工程心臟組織，以篩選可能保護細胞免受低重力影響的藥物。 這項研究正在進行中，據科學家稱，這些藥物可能有助於人們在年老時保持心臟功能。

科學家們正在繼續改進他們的”晶片組織”系統，並在美國太空總署太空輻射實驗室研究輻射對心臟組織的影響。 太空站位於低地球軌道上，地球磁場使太空站內的人員免受大部分太空輻射的影響。

編譯自/ SciTechDaily