探究太空飛行對人iPS細(xì)胞衍生性心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的影響

當(dāng)宇航員進(jìn)入太空中的微重力環(huán)境時(shí)，他們會在身體的許多部位經(jīng)歷一系列生理變化。在一項(xiàng)新的研究中，由美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院斯坦福心血管研究所主任Joseph Wu領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員近期將由人誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPS細(xì)胞，也稱為ipsC）產(chǎn)生的心肌細(xì)胞與宇航員一起送往國際空間站（International Space Station, ISS），以研究這些細(xì)胞發(fā)生的變化。通過RNA測序，他們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞中許多基因的表達(dá)不同于未進(jìn)入太空中的細(xì)胞，包括線粒體代謝基因。相關(guān)研究結(jié)果于2019年11月7日在線發(fā)表在Stem Cell Reports期刊上，論文標(biāo)題為“Effects of Spaceflight on Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocyte Structure and Function”。

這些作者在這項(xiàng)研究中報(bào)道，在先前的血細(xì)胞微重力研究中也發(fā)現(xiàn)了在微重力下心臟細(xì)胞中的線粒體代謝基因活性增加了，這表明對太空飛行的某些細(xì)胞反應(yīng)可以在多種類型的細(xì)胞中發(fā)生。Wu告訴《科學(xué)家》雜志，這種上調(diào)可能與細(xì)胞嘗試減輕與心血管疾病有關(guān)的線粒體功能障礙有關(guān)，要知道太空人具有增加的罹患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)，但是有必要開展進(jìn)一步的研究來理解他的這項(xiàng)最新實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

這項(xiàng)研究是了解宇航員經(jīng)歷的心臟變化的遺傳基礎(chǔ)的起點(diǎn)。Wu實(shí)驗(yàn)室的研究生Alexa Wnorowski告訴《科學(xué)家》雜志，“太空飛行時(shí)，心血管系統(tǒng)發(fā)生的**變化之一就是血液的重新分布，這是因?yàn)闆]有重力將血液吸引到你的腳上。”她說，心臟不必竭盡全力向全身泵送血液，這可能導(dǎo)致心肌萎縮。另外，心臟會改變形狀。Wnorowski說，“在長時(shí)間處于微重力下，它變得更圓。”其中的原因尚不清楚，但這可能是由于缺乏通常將心臟向下拉的重力。

這些研究人員想要利用心臟細(xì)胞研究微重力的影響，不過Wnorowski說，“從人體內(nèi)獲取心肌細(xì)胞真的很困難”。獲取心肌細(xì)胞的**選擇是從心力衰竭患者的手術(shù)切除心臟或活組織中獲得。相反，他們從三名健康人那里收集了外周血單核細(xì)胞，誘導(dǎo)這些細(xì)胞成為iPS細(xì)胞，然后將這些iPS細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樾募〖?xì)胞。這些源自ips細(xì)胞的心肌細(xì)胞于2016年7月被送往國際空間站，在那里，由病毒學(xué)家轉(zhuǎn)變?yōu)橛詈絾T的Kate Rubins和其他宇航員將這些細(xì)胞培養(yǎng)物維持了5.5周，然后才將它們送回地球。

一旦這些細(xì)胞落在地面上，Wu的團(tuán)隊(duì)便對它們進(jìn)行了分析，以確定發(fā)生了什么變化。盡管這些研究人員沒有觀察到收縮性肌肉蛋白豐度或心肌細(xì)胞形狀發(fā)生顯著差異，但是他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了2635個(gè)基因差異性地表達(dá)。一些基因上調(diào)表達(dá)，而另一些基因下調(diào)表達(dá)。

**的一類活性較高的基因與線粒體功能有關(guān)，而且這種基因表達(dá)的增加在著陸后至少持續(xù)了10天。這些研究人員還發(fā)現(xiàn)了鈣循環(huán)利用和肌絲基因表達(dá)發(fā)生變化。他們在論文中寫道，這些變化的影響尚不清楚，但是這些研究結(jié)果“表明即使在細(xì)胞水平上，人心肌細(xì)胞也能對表觀重力（apparent gravity）的變化做出功能性反應(yīng)。”

在未來，Wu實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃將具有多種細(xì)胞類型的干細(xì)胞衍生性三維心臟組織結(jié)構(gòu)發(fā)送到太空。 Wu告訴《科學(xué)家》雜志，今天發(fā)表的這項(xiàng)研究“在試圖了解微重力太空旅行的生物學(xué)方面，尤其是在心臟系統(tǒng)中，只是邁出了嬰兒般的一小步。”他說，“我們才剛剛進(jìn)入太空前沿研究的起點(diǎn)，希望這種類型的研究能夠激發(fā)其他人思考更多的研究。”

美國宇航局（NASA）艾姆斯研究中心高級科學(xué)家Eduardo Almeida（未參與這項(xiàng)新的研究）告訴《科學(xué)家》雜志，“鑒于太空飛行對針對整個(gè)有機(jī)體（比如嚙齒類動物）的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)提出了巨大的后勤挑戰(zhàn)，因此我們有必要開發(fā)出更高保真度和吞吐量的人體細(xì)胞和組織模型來研究太空飛行因素。Wu開展的這項(xiàng)研究在這一領(lǐng)域取得了突破，它不僅展示了在國際空間站上進(jìn)行這些下一代細(xì)胞生物學(xué)研究的可行性，還報(bào)道了缺乏重力如何改變心肌細(xì)胞功能關(guān)鍵方面的新發(fā)現(xiàn)。”

美國埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院心肌細(xì)胞研究員Chunhui Xu（未參與這項(xiàng)新的研究）告訴《科學(xué)家》雜志，這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)可能對產(chǎn)生更真實(shí)的心肌細(xì)胞有益。“鑒于源自人iPS細(xì)胞的心肌細(xì)胞通常是胎兒樣細(xì)胞（fetal-like cell），它們的線粒體功能要比成年細(xì)胞低，因此知道如何增加源自人ips細(xì)胞的心肌細(xì)胞中的線粒體功能可能會導(dǎo)致成年樣心臟細(xì)胞（adult-like heart cell）的產(chǎn)生。”