探究太空飞行对人iPS细胞衍生性心肌细胞结构和功能影响

　　当宇航员进入太空中的微重力环境时，他们会在身体的许多部位经历一系列生理变化。在一项新的研究中，由美国斯坦福大学医学院斯坦福心血管研究所主任Joseph Wu领导的一组研究人员近期将由人诱导性多能干细胞（iPS细胞，也称为ipsC）产生的心肌细胞与宇航员一起送往国际空间站（International Space Station, ISS），以研究这些细胞发生的变化。通过RNA测序，他们发现这些细胞中许多基因的表达不同于未进入太空中的细胞，包括线粒体代谢基因。相关研究结果于2019年11月7日在线发表在Stem Cell Reports期刊上，论文标题为“Effects of Spaceflight on Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocyte Structure and Function”。

图片来自Stem Cell Reports, 2019, doi:10.1016/j.stemcr.2019.10.006。

　　这些作者在这项研究中报道，在先前的血细胞微重力研究中也发现了在微重力下心脏细胞中的线粒体代谢基因活性增加了，这表明对太空飞行的某些细胞反应可以在多种类型的细胞中发生。Wu告诉《科学家》杂志，这种上调可能与细胞尝试减轻与心血管疾病有关的线粒体功能障碍有关，要知道太空人具有增加的罹患心血管疾病的风险，但是有必要开展进一步的研究来理解他的这项最新实验的结果。

　　这项研究是了解宇航员经历的心脏变化的遗传基础的起点。Wu实验室的研究生Alexa Wnorowski告诉《科学家》杂志，“太空飞行时，心血管系统发生的最大变化之一就是血液的重新分布，这是因为没有重力将血液吸引到你的脚上。”她说，心脏不必竭尽全力向全身泵送血液，这可能导致心肌萎缩。另外，心脏会改变形状。Wnorowski说，“在长时间处于微重力下，它变得更圆。”其中的原因尚不清楚，但这可能是由于缺乏通常将心脏向下拉的重力。

　　这些研究人员想要利用心脏细胞研究微重力的影响，不过Wnorowski说，“从人体内获取心肌细胞真的很困难”。获取心肌细胞的唯一选择是从心力衰竭患者的手术切除心脏或活组织中获得。相反，他们从三名健康人那里收集了外周血单核细胞，诱导这些细胞成为iPS细胞，然后将这些iPS细胞转变为心肌细胞。这些源自ips细胞的心肌细胞于2016年7月被送往国际空间站，在那里，由病毒学家转变为宇航员的Kate Rubins和其他宇航员将这些细胞培养物维持了5.5周，然后才将它们送回地球。

　　一旦这些细胞落在地面上，Wu的团队便对它们进行了分析，以确定发生了什么变化。尽管这些研究人员没有观察到收缩性肌肉蛋白丰度或心肌细胞形状发生显著差异，但是他们确实发现了2635个基因差异性地表达。一些基因上调表达，而另一些基因下调表达。

　　最大的一类活性较高的基因与线粒体功能有关，而且这种基因表达的增加在着陆后至少持续了10天。这些研究人员还发现了钙循环利用和肌丝基因表达发生变化。他们在论文中写道，这些变化的影响尚不清楚，但是这些研究结果“表明即使在细胞水平上，人心肌细胞也能对表观重力（apparent gravity）的变化做出功能性反应。”

　　在未来，Wu实验室计划将具有多种细胞类型的干细胞衍生性三维心脏组织结构发送到太空。 Wu告诉《科学家》杂志，今天发表的这项研究“在试图了解微重力太空旅行的生物学方面，尤其是在心脏系统中，只是迈出了婴儿般的一小步。”他说，“我们才刚刚进入太空前沿研究的起点，希望这种类型的研究能够激发其他人思考更多的研究。”

　　美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心高级科学家Eduardo Almeida（未参与这项新的研究）告诉《科学家》杂志，“鉴于太空飞行对针对整个有机体（比如啮齿类动物）的生物学实验提出了巨大的后勤挑战，因此我们有必要开发出更高保真度和吞吐量的人体细胞和组织模型来研究太空飞行因素。Wu开展的这项研究在这一领域取得了突破，它不仅展示了在国际空间站上进行这些下一代细胞生物学研究的可行性，还报道了缺乏重力如何改变心肌细胞功能关键方面的新发现。”

　　美国埃默里大学医学院心肌细胞研究员Chunhui Xu（未参与这项新的研究）告诉《科学家》杂志，这项研究的发现可能对产生更真实的心肌细胞有益。“鉴于源自人iPS细胞的心肌细胞通常是胎儿样细胞（fetal-like cell），它们的线粒体功能要比成年细胞低，因此知道如何增加源自人ips细胞的心肌细胞中的线粒体功能可能会导致成年样心脏细胞（adult-like heart cell）的产生。”