太空是一個(gè)獨(dú)特的環(huán)境，可以進(jìn)行其他任何地方都無法進(jìn)行的尖端研究。許多研究人員在他們的飛行實(shí)驗(yàn)中取得了令人興奮的新發(fā)現(xiàn)——這些發(fā)現(xiàn)不僅為航天員們的空間環(huán)境試驗(yàn)提供理論支持，而且還為地球上的科學(xué)知識(shí)做出了貢獻(xiàn)。
在近地軌道培養(yǎng)干細(xì)胞是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。但是，來自埃默里大學(xué)兒科學(xué)系的Chunhui Xu教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)新研究，這一研究的結(jié)論使科學(xué)家在近地軌道培養(yǎng)干細(xì)胞變得容易。研究人員表示，空間微重力環(huán)境有利于心臟干細(xì)胞的生長(zhǎng)。
埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院副教授Chunhui Xu在研究心臟祖細(xì)胞及其分化為心肌細(xì)胞，即心臟特化肌肉組織的細(xì)胞。(祖細(xì)胞屬于成體干細(xì)胞，是未分化的多能或?qū)Ｄ芨杉?xì)胞。)
Chunhui Xu教授在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 圖片來源：Xu實(shí)驗(yàn)室
在使用模擬微重力進(jìn)行地面研究的基礎(chǔ)上，Xu研究微重力對(duì)源自人體皮膚細(xì)胞的心臟祖細(xì)胞增殖或數(shù)量迅速增加的能力的影響。這項(xiàng)試驗(yàn)的成果可以提高我們模擬心臟缺陷、改進(jìn)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)甚至治愈疾病的能力。
這項(xiàng)名為MVP Cell-03的試驗(yàn)在空間站上培養(yǎng)了心臟前體細(xì)胞，以研究微重力條件如何影響產(chǎn)生的細(xì)胞數(shù)量及細(xì)胞存活率。這類前體細(xì)胞在疾病建模、藥物開發(fā)和再生醫(yī)學(xué)等方面極具應(yīng)用潛力。
航天員 Jessica Meir 在國(guó)際空間站的便攜式手套箱內(nèi)進(jìn)行 MVP Cell-03 調(diào)查。NASA
試驗(yàn)結(jié)果：心臟前體細(xì)胞可以在微重力條件下生長(zhǎng)并分化為跳動(dòng)的心臟細(xì)胞——它們比在國(guó)際空間站上在配置為模擬正常地球重力 (1g) 的離心機(jī)中培養(yǎng)的同類細(xì)胞生長(zhǎng)得更快，存活得更好。
一個(gè)令人興奮的結(jié)果
雖然Chunhui Xu教授從一開始就瞄準(zhǔn)空間環(huán)境，但她的團(tuán)隊(duì)開始做這項(xiàng)試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室里完成的。
先前的研究已經(jīng)確定，在3D液體分批培養(yǎng)物（例如旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)搖瓶）中生產(chǎn)心肌細(xì)胞比2D培養(yǎng)物（例如培養(yǎng)皿）具有更高的產(chǎn)量。基于這一邏輯，Xu實(shí)驗(yàn)室著手研究如果將3D培養(yǎng)與模擬微重力相結(jié)合，它們的細(xì)胞是否可能具有更高的產(chǎn)量。
檢測(cè)細(xì)胞中的心臟結(jié)構(gòu)蛋白（染成綠色）和心臟轉(zhuǎn)錄因子（染成紅色），細(xì)胞核染成藍(lán)色。Antonio Rampoldi
他們發(fā)現(xiàn)短期暴露于模擬微重力環(huán)境可以提高心肌細(xì)胞的存活率和產(chǎn)量。具體來說，三天的暴露時(shí)間足以獲得最大產(chǎn)量。Xu的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了他們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn)，描述了他們成功生產(chǎn)出具有預(yù)期功能特性的高度富集的心肌細(xì)胞（純度為99%）——這些細(xì)胞看起來很成熟。此外，心肌細(xì)胞的產(chǎn)量比標(biāo)準(zhǔn)3D培養(yǎng)物高4倍（比2D培養(yǎng)物高8倍）。
試驗(yàn)表明，空間微重力條件與其他技術(shù)相結(jié)合，可以增強(qiáng)心臟祖細(xì)胞發(fā)育的心臟細(xì)胞的生長(zhǎng)和純度。研究人員表示這項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果令人興奮，因?yàn)樗凳玖烁杉?xì)胞未來臨床應(yīng)用的潛在突破。
空間環(huán)境中培養(yǎng)心臟細(xì)胞的挑戰(zhàn)
先前的研究表明，在模擬微重力環(huán)境中培養(yǎng)此類細(xì)胞可提高其生產(chǎn)效率。但是在太空中使用活細(xì)胞培養(yǎng)會(huì)帶來一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)。
一方面，存在時(shí)間問題。Xu的實(shí)驗(yàn)需要在細(xì)胞處于一定的發(fā)育階段時(shí)進(jìn)行，也就是心臟細(xì)胞和未分化干細(xì)胞之間的短暫中間階段。火箭的延遲發(fā)射會(huì)影響這一試驗(yàn)結(jié)果。
為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們嘗試了冷凍保存技術(shù)，該技術(shù)可以暫時(shí)停止細(xì)胞發(fā)育并在到達(dá)國(guó)際空間站時(shí)最大限度地恢復(fù)活細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)低溫（-80 左右）存儲(chǔ)能使這些細(xì)胞更容易被運(yùn)輸?shù)杰壍缹?shí)驗(yàn)室中，這將為飛船發(fā)射時(shí)間提供更多靈活性。
用于 MVP Cell-03 研究的在空間站培養(yǎng)的細(xì)胞產(chǎn)生的跳動(dòng)心臟球。 Antonio Rampoldi
這種新方法還有其他的好處。停止細(xì)胞發(fā)育意味著團(tuán)隊(duì)可以提前很好地冷凍培養(yǎng)物，從而有時(shí)間進(jìn)行質(zhì)量控制并確保只有最健康的細(xì)胞才能進(jìn)入空間環(huán)境。此外，冷凍保存劑可以作為物理沖擊的緩沖劑，通過緩沖細(xì)胞免受發(fā)射時(shí)的沖擊力，進(jìn)一步提高存活率。
在空間環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是生長(zhǎng)培養(yǎng)基。典型的細(xì)胞培養(yǎng)需要仔細(xì)監(jiān)測(cè)液體中的二氧化碳以調(diào)節(jié)底物的pH平衡。然而，該團(tuán)隊(duì)使用的國(guó)際空間站上的孵化設(shè)施Techshot多用途可變重力平臺(tái) (MVP)無法提供和精確控制所需的二氧化碳。
飛行工程師 Mark Vande Hei 將多用途可變重力平臺(tái) (MVP) 重新安置在 Kibo 實(shí)驗(yàn)室模塊內(nèi)。NASA
但是，Xu的團(tuán)隊(duì)在不依賴二氧化碳的基質(zhì)中添加獨(dú)特的添加劑混合物，創(chuàng)造了一種新型生長(zhǎng)培養(yǎng)基，為細(xì)胞在沒有額外二氧化碳的情況下繁衍創(chuàng)造了完美的環(huán)境。
結(jié)論
Xu的實(shí)驗(yàn)是在SpaceX向國(guó)際空間站執(zhí)行的第20次商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)任務(wù)中啟動(dòng)的，在那里細(xì)胞由機(jī)組人員解凍和培養(yǎng)。三周后，當(dāng)這些培養(yǎng)物返回地球時(shí)，研究小組發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞不僅在微重力條件下存活了下來，而且還變成了“跳動(dòng)”的心臟細(xì)胞。
這是一個(gè)重要的試驗(yàn)結(jié)果：心臟細(xì)胞可以在太空中生長(zhǎng)并以正常的狀態(tài)返回地球。Xu和她的團(tuán)隊(duì)在Biomaterials雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，詳細(xì)介紹了他們的冷凍保存和培養(yǎng)方法。
組織工程產(chǎn)生的心臟祖細(xì)胞球的顯微圖像 圖片來源：Xu實(shí)驗(yàn)室
該研究提供了另一個(gè)重要結(jié)論：暴露于微重力的細(xì)胞優(yōu)于對(duì)照組，反映了地面實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。研究人員表示，微重力培養(yǎng)確實(shí)存活得更好，并且具有更高的增殖能力。
進(jìn)一步的研究可以揭示干細(xì)胞生長(zhǎng)和存活背后的力量，使研究人員能夠加快生產(chǎn)并提高心臟細(xì)胞的質(zhì)量，以用于潛在的臨床應(yīng)用。
參考資料：
[1]https://phys.org/news/2021-05-ways-culture-heart-cells-international.html
[2]https://www.issnationallab.org/iss360/emory-university-chunhui-xu-cardiac-stem-cells-microgravity/
