太空會加速宇航員心臟衰老？“心臟芯片”揭示原因

圖蟲創(chuàng)意

美國國家航空航天局的兩名宇航員的心態(tài)崩了，本來只計劃出差 8 天，誰想到，由于飛船推進器故障和氦氣泄漏等問題，8 天一不留神變成了 8 個月。不過下面這個消息可能會讓他們更崩潰，最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在太空中滯留超過 1 一個月，宇航員的心臟不僅會衰老，還會“跳不齊”。

眾所周知，太空環(huán)境十分復(fù)雜，輻射、失重等環(huán)境都會對宇航員的健康造成影響。如何能更精準地研究太空環(huán)境對人體的影響，而又不“消耗”宇航員，一直是科學(xué)家苦惱的問題。為了研究太空環(huán)境對心臟的影響，約翰霍普金斯醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家拿出了“心臟芯片”的解決方案。

所以，“心臟芯片”是個什么技術(shù)？它跟人類的心臟一樣嗎？

“心臟芯片”是一種體外實驗系統(tǒng)，使用工程化的心臟組織，模擬人體內(nèi)的心臟功能和行為。具體來說，該技術(shù)包括以下幾個關(guān)鍵步驟：創(chuàng)建心臟組織：研究人員首先利用人誘導(dǎo)多能干細胞（iPSCs），將其分化成心肌細胞。這些細胞是心臟的主要組成部分，負責(zé)心臟的收縮和跳動。在組織設(shè)計過程中，研究人員這些心肌細胞，組成6組樣本串在成對柱子間。每對柱子中一個是柔性的，另一個是堅硬的，同時在柔性柱子中嵌入磁鐵。

第二步用密封的腔室包裹之前創(chuàng)建好的心臟組織，這樣培養(yǎng)組織的液體介質(zhì)就不會漂浮在太空中。最后，這些含有組織的腔室被裝載到培養(yǎng)板上，磁傳感器位于其下方。通過傳感器，研究人員可以收集心臟組織收縮的信息，檢測心臟組織的收縮強度是否有所減弱。

接著，他們將“心臟芯片”系統(tǒng)安裝在大約手機一半大小的房室里。這個系統(tǒng)隨樣本組織登上國際空間站后，研究人員可以通過傳感器實時監(jiān)測組織收縮情況和跳動模式強度。當(dāng)然，為了進行比較，他們還監(jiān)測了一組留在地球上的組織。

結(jié)果研究人員發(fā)現(xiàn)，這些組織僅在國際空間站停留12天，收縮強度就幾乎減半，即使在返回地球9天后，這種減弱仍然很明顯。而地面樣本的收縮強度則相對穩(wěn)定。

此外，在太空中，隨著時間推移，組織的搏動變得更加不規(guī)則，到第19天，組織每次搏動間隔增加了5倍以上。不過，這種不規(guī)則搏動在組織返回地球后就消失了。還記得我們開頭提到的，此刻仍然在太空飄著的那兩位宇航員么？他們心血管可能正在承受這種壓力，這下好了，長時間待在太空，不僅精神狀態(tài)不穩(wěn)定，連心臟都不穩(wěn)定了。不過好在，等明年返回地球后，這個情況應(yīng)該會得到緩解。

我們接著說這個實驗，在組織返回地球后，研究人員利用透射電子顯微技術(shù)觀察了負責(zé)控制肌肉收縮的組織肌節(jié)，發(fā)現(xiàn)，與留在地面的組織的肌節(jié)相比，它們變得更短、更無序，這是人類患心臟病的一個標志。此外，在國際空間站停留30天的組織內(nèi)的線粒體作為能量工廠，變得更大、更圓，并失去了幫助細胞利用和產(chǎn)生能量的特征褶皺。

當(dāng)研究人員對組織樣本的RNA進行測序時，發(fā)現(xiàn)在國際空間站停留過的組織中，與炎癥和心臟病相關(guān)的基因和信號通路的表達增加，同樣，這也是患心臟病的標志。這進一步表明心臟細胞在太空環(huán)境中經(jīng)歷了嚴重的壓力或功能障礙，可能導(dǎo)致能量產(chǎn)生受損，進而導(dǎo)致心臟細胞收縮力減弱和整體細胞健康下降。

2023年，研究人員將第二批3D工程心臟組織送往空間站，用來篩選可能保護細胞免受低重力影響的藥物。到目前為止，這項研究仍正在進行中，根據(jù)科學(xué)家的說法，這些藥物可能有助于人們隨著年齡的增長保持心臟功能。

你以為在太空出長差，對身體的傷害到這里就結(jié)束了？

2024年2月4號，59歲俄羅斯宇航員奧列格·科諾年科，在北京時間16時30分08秒，打破另一名俄羅斯宇航員根納季·帕達爾卡累計在太空停留878天11小時29分48秒的世界紀錄，成為在太空累計停留時間最長的人。

美、俄都對長時間在太空停留的宇航員進行了大量研究，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布的報告顯示，進入太空后，宇航員首先面臨的挑戰(zhàn)是失重導(dǎo)致血液和其他體液回流到胸腔和頭部，宇航員出現(xiàn)面部浮腫、頸部靜脈曲張、鼻咽部堵塞等情況。通常而言，這類情況在剛進入太空的前幾天最為明顯，但是如果你看到使用了“大頭特效”的宇航員，也千萬別慌張，因為這些情況會隨著人體對失重環(huán)境的適應(yīng)在一定程度上逐漸緩解。

其次，宇航員長時間在失重或微重力環(huán)境下停留，會出現(xiàn)明顯的肌肉萎縮和骨骼鈣流失的情況，即使再威猛的體格，長時間在太空停留也很難不變成“脆皮體質(zhì)”。

這是由于腿骨、脊椎骨等承重骨骼受到的壓力驟減，同時肌肉運動減少后，對骨骼的刺激也相應(yīng)減弱，導(dǎo)致骨質(zhì)大量脫鈣并經(jīng)腎臟排出體外。近年的研究顯示，加強鍛煉能在一定程度上減緩這些影響。所以為了避免肌肉萎縮，即使在國際空間站，宇航員也必須完成日常訓(xùn)練計劃：每天至少在跑步機跑步或者做其他器械運動兩小時。果然，運動不僅要練到家，還要練上天。

我們剛才提到的俄羅斯宇航員科諾年科在接受采訪時就說，為了對抗失重對身體的影響，他定期進行鍛煉。此外，俄羅斯宇航員還會服用特殊藥物。但即使是服用藥物加嚴格自律進行運動，也不能徹底解決這些問題。

加拿大卡爾加里大學(xué)的運動科學(xué)家2022年的研究報告顯示，在太空環(huán)境下生活約6個月的宇航員，可以在回到地球1年后恢復(fù)之前的骨骼強度。而在太空中生活時間較長的宇航員會出現(xiàn)永久性骨質(zhì)流失。好吧，離“永久脆皮打工人”又進了一步。

但其實太空對人體的傷害遠遠沒有停止……太空環(huán)境的太陽風(fēng)和宇宙射線也會對人體造成傷害。NASA的研究報告顯示，在400公里高度的國際空間站內(nèi)部，宇航員每天暴露在超過0.5毫希沃特的輻射劑量下，12天內(nèi)受到的輻射劑量就相當(dāng)于客機機組一年內(nèi)受到的輻射。但好在，這些輻射劑量對于人體的傷害并沒有我們想象中那么大。

還記得我們開頭說了什么嗎？在太空滯留超過1個月，心臟就會衰老、“跳不齊”，雖然太空對人體衰老的影響對于宇航員來說不是什么好消息，但太空環(huán)境對于幫助我們了解衰老相關(guān)機制卻非常有用。這些影響在宇航員處于微重力狀態(tài)后的很短時間內(nèi)就可以觀察到，而如果我們在地球上研究動物的衰老模型，需要幾年甚至幾十年才能捕捉到隨著時間和衰老效應(yīng)而發(fā)生的一些變化。

從1961年人類歷史上第一個進入太空的英雄尤里·加加林，乘坐“東方一號”宇宙飛船成功飛入太空，繞地球一周的那句“地球，你好美”。到1969年踏上月球的尼爾·阿姆斯特朗“月球上的一小步，人類的一大步”，再到后來我們中國首飛太空第一人楊利偉的那句“感覺良好”……他們無疑都是偉大的宇宙“硬核玩家”，代表了人類的勇氣和探索精神，為人類的科技、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域做出了卓越的貢獻。

最后，也希望現(xiàn)在仍在太空被迫出長差的兩位宇航員，雖然無法穩(wěn)定心跳，但盡量穩(wěn)定情緒，安全、順利、按時返回地球。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：馬寧

審核：周炳紅 中國航天科普大使 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司