太空中肌肉细胞显示老化迹象 研究发现相关基因

Daphane

來源:大紀元



宇航员在国际太空站上进行肌肉训练。(NASA)

【大纪元2024年09月08日讯】（大纪元记者薛止墨编译报导）斯坦福大学的研究团队将一种特殊的“肌肉晶片系统”（muscle-on-chip system，利用胶原蛋白支架培养的三维人类肌肉细胞束）送往国际太空站，目的是研究太空人经常出现的肌肉萎缩问题。

他们的研究于8月13日发表在《干细胞报告》（Stem Cell Reports）期刊上。研究发现，太空环境会激发人类肌肉中的某些过程，这些过程惊人地类似于我们熟知的老化现象。斯坦福大学副教授黄（Ngan F. Huang）博士主导了这项研究，她表示：“我们发现微重力环境仿佛加速了老化的某些特征。”

太空中的肌肉晶片系统

“我们的实验室在再生医学和组织工程领域拥有深厚的专业知识。我们获得资助，在国际太空站（ISS）上进行组织工程实验，这为我们开启了这段探索之旅，我们也开始对微重力如何影响人体健康产生了好奇心。”黄博士表示。因此，她的团队开始着手设计适用于太空站的研究设备。首要任务是构建肌肉晶片系统。

“我们对太空如何影响肌肉的认识大多来自于对宇航员的研究，或是将老鼠等动物置于微重力环境中进行的研究”，黄博士说，“有时，我们也会在培养皿中进行细胞的体外培养——这是非常基础的方法。不过现在，我们希望创建更具结构复杂性的模型。”她的团队开发了一种肌肉晶片平台，将人类的肌管细胞（myotubes）——这些细胞在生物体内能够组成细长的平行结构，最终转化为肌肉纤维——培养在胶原蛋白支架上，其目标是让这些样本更加真实地模拟肌肉组织。

但这也带来了挑战：如何在ISS上保持它们能够存活。“在地球上培养细胞时，我们只需将含有营养的培养基液体倒在细胞上即可”，黄博士解释道，“但在太空中，由于缺乏重力，我们需要一个封闭、不漏液、密封性极好的容器。培养基液体会在容器内自由流动。”

该系统并利用一个可渗透的膜来维持氧气和二氧化碳的水平。另外，更换培养基液体是一个涉及注射器和特制小端口的复杂过程，但所有这些精密设备的运作最终都是值得的。

肌肉萎缩与基因相关

黄博士的研究团队配备了两套肌肉晶片系统：一套部署于地面，另一套则设置于国际太空站（ISS）。研究的目的在于比对两组样本中基因表达的上调与下调情况。结果发现，在微重力环境下，许多与衰老相关的基因活性呈现上升状态。

这一发现在分析细胞生长后取出的培养基时得到了进一步确认。黄博士表示：“我们的目标是，找出与微重力环境相关的由细胞所释放的蛋白质。在这些蛋白质中，特别值得关注的是GDF15，因为它与多种疾病有关，尤其是线粒体功能障碍或细胞衰老。”

总体而言，国际太空站中的细胞状态与肌肉流失症（sarcopenia）——一种与年龄相关的肌肉流失疾病——有着某些相似性。“虽然有相似之处，但差异也很大。我们之所以没有将肌肉流失症作为研究的主要焦点，是因为我们清楚我们的肌肉晶片系统仅是一个模型，主要由肌肉细胞构成，并架设于支架上，缺乏血管或神经组织。因此，将其与临床的真实肌肉样本进行比较颇具挑战，毕竟这不是同类事物的对比。”黄博士解释说。

尽管存在这些挑战，黄博士的团队仍然利用他们在国际太空站上的肌肉晶片样本，进行了用于概念验证的药物筛选测试。这些药物包括了治疗肌肉流失症等疾病的药物。

太空药物研究

“我们测试的一种药物是IGF 1，这是一种生长因子蛋白，天然存在于人体的不同组织中，特别是肌肉。当身体受伤时，IGF 1会被激活，启动肌肉的再生过程。另外，随着肌肉老化，IGF 1的含量也会下降，”黄博士表示。第二种药物是 15-PGDH-i，这是一种新型抑制剂，能够阻止抑制肌肉再生过程的酶。这些药物在国际太空站的微重力环境下针对“肌肉晶片”系统进行的测试显示，它们能够部分减轻与微重力相关的一些影响。

“这项研究的一个限制是，在国际太空站上，微重力环境还伴随着其它因素，比如离子辐射，很难将这些因素分开考虑。”黄博士说。目前还不清楚国际太空站样本中观察到的效果是由于辐射、缺乏重力、两者的结合，还是其它额外因素所致。

黄博士的团队计划在地球上模拟微重力条件进行类似的实验。“利用我们最近获得的专业设备，我们可以专门研究微重力的影响。”黄博士表示。这些实验的目的是测试更多种药物。

“进行这些药物筛选的目的是为了研发可以预先或在飞行过程中服用的药物，以此来抵抗肌肉萎缩。这种方法可能比实施人造重力方案更实际、更轻便、成本更低。”黄博士说。这些地面实验中筛选出来的最有潜力的药物将在2025年于国际太空站上的“肌肉晶片”系统中进行测试。