PNAS：太空旅行中的低重力会削弱和破坏心肌细胞的正常节律

　　

约翰霍普金斯大学的医学科学家安排了48个人类生物工程心脏组织样本在国际空间站呆了30天，他们报告的证据表明，与地球上相同来源的样本相比，太空中的低重力条件削弱了组织，破坏了它们正常的节律跳动。

科学家们说，心脏组织“在太空中真的不太好”，随着时间的推移，空间站上的组织的强度大约是地球上相同来源的组织的一半。

他们说，这些发现扩大了科学家对低重力对宇航员在长期太空任务中生存和健康的潜在影响的认识，并可能成为研究地球上心肌衰老和治疗方法的模型。

科学家们对这些组织的分析报告将于9月23日当周发表在《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，会出现与年龄有关的疾病，包括心肌功能下降和心律失常(心律不齐)，而且一些(但不是全部)影响会在他们返回地球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和医学教授Deok-Ho Kim博士说，科学家们已经在细胞和分子水平上寻找研究这种影响的方法，以找到在长途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。

为了制造心脏负载，科学家Jonathan Tsui博士诱导人类诱导多能干细胞(iPSCs)发育成心肌细胞(心肌细胞)。Tsui是Kim在华盛顿大学实验室的博士生，当Kim在2019年搬到约翰霍普金斯大学时，他作为博士后陪同了Kim。他们在约翰霍普金斯大学继续进行太空生物学研究。

然后Tsui将组织放入一个生物工程的微型组织芯片中，该芯片将组织串在两个柱子之间，以收集组织如何跳动(收缩)的数据。这些细胞的3D外壳被设计成在一个只有手机一半大小的腔室中模拟成人心脏的环境。

为了将纸巾送上2020年3月发射的SpaceX CRS-20号空间站，Tsui说他不得不亲自把纸巾室带到佛罗里达的飞机上，并在肯尼迪航天中心继续照顾纸巾一个月。Tsui现在是Tenaya Therapeutics公司的一名科学家，这是一家专注于心脏病预防和治疗的公司。

一旦这些组织被送到空间站，科学家们每隔30分钟就会收到10秒的实时数据，这些数据是关于细胞收缩的强度，也就是所谓的抽动力，以及任何不规则的跳动模式。宇航员Jessica Meir每周更换一次组织周围的液体营养物，并在特定的时间间隔保存组织，以便以后的基因读取和成像分析。

研究小组将一组在地球上以相同方式发育的心脏组织保存在相同类型的腔室中，以便与太空中的组织进行比较。

当组织室返回地球时，Tsui继续维护和收集组织的数据。

“干细胞和组织工程、生物传感器和生物电子学以及微加工领域的大量尖端技术都确保了这些组织在太空中的生存能力，”Kim说，他的团队为这个项目和后续项目开发了组织芯片。

Devin maair博士是Kim实验室的前博士生，现在是约翰霍普金斯大学的博士后，他随后分析了组织的收缩能力。

除了失去力量外，心脏肌肉组织在太空中还会出现不规则的跳动(心律失常)——这可能会导致人类心脏衰竭。正常情况下，心脏组织的一次跳动和下一次跳动之间的时间大约是一秒。在空间站上的组织中，这种测量比在地球上的组织长了近五倍，尽管当组织返回地球时，节拍间隔时间几乎恢复正常。

科学家们还发现，在进入太空的组织中，肌节——肌肉细胞中帮助它们收缩的蛋白质束——变得更短，更混乱，这是人类心脏病的一个标志。

此外，空间结合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，生物医学工程助理研究教授Ahn Eun Hyun博士和约翰霍普金斯大学博士生Zhipeng Dong研究了太空和地球上组织中的基因读数。空间站上的组织显示出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。

“许多这些氧化损伤和炎症的标志物在宇航员的飞行后检查中一直被证明。”

2023年，Kim的实验室将第二批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。这项研究正在进行中，根据科学家的说法，这些药物可能有助于人们随着年龄的增长保持心脏功能。

科学家们正在继续改进他们的“芯片组织”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。空间站位于近地轨道上，地球的磁场使居住者免受大部分空间辐射的影响。

Kim是Curi Bio的联合创始人、科学顾问委员会成员和股东，该公司开发用于药物开发的生物工程组织平台。Ahn是Kim的配偶，并担任NIH资助项目:UG3EB028094, UH3TR003519和R21CA220111的共同研究员或首席研究员。