探究太空飛行對人iPS細胞衍生性心肌細胞結構和功能影響

　　當宇航員進入太空中的微重力環境時，他們會在身體的許多部位經歷一系列生理變化。在一項新的研究中，由美國斯坦福大學醫學院斯坦福心血管研究所主任Joseph Wu領導的一組研究人員近期將由人誘導性多能干細胞（iPS細胞，也稱為ipsC）產生的心肌細胞與宇航員一起送往國際空間站（International Space Station, ISS），以研究這些細胞發生的變化。通過RNA測序，他們發現這些細胞中許多基因的表達不同于未進入太空中的細胞，包括線粒體代謝基因。相關研究結果于2019年11月7日在線發表在Stem Cell Reports期刊上，論文標題為“Effects of Spaceflight on Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocyte Structure and Function”。

圖片來自Stem Cell Reports, 2019, doi:10.1016/j.stemcr.2019.10.006。

　　這些作者在這項研究中報道，在先前的血細胞微重力研究中也發現了在微重力下心臟細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胞反應可以在多種類型的細胞中發生。Wu告訴《科學家》雜志，這種上調可能與細胞嘗試減輕與心血管疾病有關的線粒體功能障礙有關，要知道太空人具有增加的罹患心血管疾病的風險，但是有必要開展進一步的研究來理解他的這項最新實驗的結果。

　　這項研究是了解宇航員經歷的心臟變化的遺傳基礎的起點。Wu實驗室的研究生Alexa Wnorowski告訴《科學家》雜志，“太空飛行時，心血管系統發生的最大變化之一就是血液的重新分布，這是因為沒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，這可能導致心肌萎縮。另外，心臟會改變形狀。Wnorowski說，“在長時間處于微重力下，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胞研究微重力的影響，不過Wnorowski說，“從人體內獲取心肌細胞真的很困難”。獲取心肌細胞的唯一選擇是從心力衰竭患者的手術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胞，誘導這些細胞成為iPS細胞，然后將這些iPS細胞轉變為心肌細胞。這些源自ips細胞的心肌細胞于2016年7月被送往國際空間站，在那里，由病毒學家轉變為宇航員的Kate Rubins和其他宇航員將這些細胞培養物維持了5.5周，然后才將它們送回地球。

　　一旦這些細胞落在地面上，Wu的團隊便對它們進行了分析，以確定發生了什么變化。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胞形狀發生顯著差異，但是他們確實發現了2635個基因差異性地表達。一些基因上調表達，而另一些基因下調表達。

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

　　在未來，Wu實驗室計劃將具有多種細胞類型的干細胞衍生性三維心臟組織結構發送到太空。 Wu告訴《科學家》雜志，今天發表的這項研究“在試圖了解微重力太空旅行的生物學方面，尤其是在心臟系統中，只是邁出了嬰兒般的一小步。”他說，“我們才剛剛進入太空前沿研究的起點，希望這種類型的研究能夠激發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家Eduardo Almeida（未參與這項新的研究）告訴《科學家》雜志，“鑒于太空飛行對針對整個有機體（比如嚙齒類動物）的生物學實驗提出了巨大的后勤挑戰，因此我們有必要開發出更高保真度和吞吐量的人體細胞和組織模型來研究太空飛行因素。Wu開展的這項研究在這一領域取得了突破，它不僅展示了在國際空間站上進行這些下一代細胞生物學研究的可行性，還報道了缺乏重力如何改變心肌細胞功能關鍵方面的新發現。”

　　美國埃默里大學醫學院心肌細胞研究員Chunhui Xu（未參與這項新的研究）告訴《科學家》雜志，這項研究的發現可能對產生更真實的心肌細胞有益。“鑒于源自人iPS細胞的心肌細胞通常是胎兒樣細胞（fetal-like cell），它們的線粒體功能要比成年細胞低，因此知道如何增加源自人ips細胞的心肌細胞中的線粒體功能可能會導致成年樣心臟細胞（adult-like heart cell）的產生。”