太空是一個獨特的環(huán)境，可以進行其他任何地方都無法進行的尖端研究。許多研究人員在他們的飛行實驗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)境試驗提供理論支持，而且還為地球上的科學(xué)知識做出了貢獻。

在近地軌道培養(yǎng)干細胞是一項挑戰(zhàn)。但是，來自埃默里大學(xué)兒科學(xué)系的Chunhui Xu教授帶領(lǐng)其團隊進行了一項新研究，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)境有利于心臟干細胞的生長。

埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院副教授Chunhui Xu在研究心臟祖細胞及其分化為心肌細胞，即心臟特化肌肉組織的細胞。(祖細胞屬于成體干細胞，是未分化的多能或?qū)Ｄ芨杉毎?

Chunhui Xu教授在實驗室進行實驗 圖片來源：Xu實驗室

在使用模擬微重力進行地面研究的基礎(chǔ)上，Xu研究微重力對源自人體皮膚細胞的心臟祖細胞增殖或數(shù)量迅速增加的能力的影響。這項試驗的成果可以提高我們模擬心臟缺陷、改進精準醫(yī)學(xué)甚至治愈疾病的能力。

這項名為MVP Cell-03的試驗在空間站上培養(yǎng)了心臟前體細胞，以研究微重力條件如何影響產(chǎn)生的細胞數(shù)量及細胞存活率。這類前體細胞在疾病建模、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 在國際空間站的便攜式手套箱內(nèi)進行 MVP Cell-03 調(diào)查。NASA

試驗結(jié)果：心臟前體細胞可以在微重力條件下生長并分化為跳動的心臟細胞——它們比在國際空間站上在配置為模擬正常地球重力 (1g) 的離心機中培養(yǎng)的同類細胞生長得更快，存活得更好。

一個令人興奮的結(jié)果

雖然Chunhui Xu教授從一開始就瞄準空間環(huán)境，但她的團隊開始做這項試驗是在實驗室里完成的。

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)運動搖瓶）中生產(chǎn)心肌細胞比2D培養(yǎng)物（例如培養(yǎng)皿）具有更高的產(chǎn)量?；谶@一邏輯，Xu實驗室著手研究如果將3D培養(yǎng)與模擬微重力相結(jié)合，它們的細胞是否可能具有更高的產(chǎn)量。

檢測細胞中的心臟結(jié)構(gòu)蛋白（染成綠色）和心臟轉(zhuǎn)錄因子（染成紅色），細胞核染成藍色。Antonio Rampoldi

他們發(fā)現(xiàn)短期暴露于模擬微重力環(huán)境可以提高心肌細胞的存活率和產(chǎn)量。具體來說，三天的暴露時間足以獲得最大產(chǎn)量。Xu的團隊發(fā)表了他們在該實驗中的發(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胞（純度為99%）——這些細胞看起來很成熟。此外，心肌細胞的產(chǎn)量比標準3D培養(yǎng)物高4倍（比2D培養(yǎng)物高8倍）。

試驗表明，空間微重力條件與其他技術(shù)相結(jié)合，可以增強心臟祖細胞發(fā)育的心臟細胞的生長和純度。研究人員表示這項試驗結(jié)果令人興奮，因為它暗示了干細胞未來臨床應(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)此類細胞可提高其生產(chǎn)效率。但是在太空中使用活細胞培養(yǎng)會帶來一些獨特的挑戰(zhàn)。

一方面，存在時間問題。Xu的實驗需要在細胞處于一定的發(fā)育階段時進行，也就是心臟細胞和未分化干細胞之間的短暫中間階段。火箭的延遲發(fā)射會影響這一試驗結(jié)果。

為了解決這個問題，科學(xué)家們嘗試了冷凍保存技術(shù)，該技術(shù)可以暫時停止細胞發(fā)育并在到達國際空間站時最大限度地恢復(fù)活細胞。他們發(fā)現(xiàn)低溫（-80 左右）存儲能使這些細胞更容易被運輸?shù)杰壍缹嶒炇抑?，這將為飛船發(fā)射時間提供更多靈活性。

用于 MVP Cell-03 研究的在空間站培養(yǎng)的細胞產(chǎn)生的跳動心臟球。 Antonio Rampoldi

這種新方法還有其他的好處。停止細胞發(fā)育意味著團隊可以提前很好地冷凍培養(yǎng)物，從而有時間進行質(zhì)量控制并確保只有最健康的細胞才能進入空間環(huán)境。此外，冷凍保存劑可以作為物理沖擊的緩沖劑，通過緩沖細胞免受發(fā)射時的沖擊力，進一步提高存活率。

在空間環(huán)境中進行實驗的另一個挑戰(zhàn)是生長培養(yǎng)基。典型的細胞培養(yǎng)需要仔細監(jiān)測液體中的二氧化碳以調(diào)節(jié)底物的pH平衡。然而，該團隊使用的國際空間站上的孵化設(shè)施Techshot多用途可變重力平臺 (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 (MVP) 重新安置在 Kibo 實驗室模塊內(nèi)。NASA

但是，Xu的團隊在不依賴二氧化碳的基質(zhì)中添加獨特的添加劑混合物，創(chuàng)造了一種新型生長培養(yǎng)基，為細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的實驗是在SpaceX向國際空間站執(zhí)行的第20次商業(yè)補給服務(wù)任務(wù)中啟動的，在那里細胞由機組人員解凍和培養(yǎng)。三周后，當這些培養(yǎng)物返回地球時，研究小組發(fā)現(xiàn)這些細胞不僅在微重力條件下存活了下來，而且還變成了“跳動”的心臟細胞。

這是一個重要的試驗結(jié)果：心臟細胞可以在太空中生長并以正常的狀態(tài)返回地球。Xu和她的團隊在Biomaterials雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，詳細介紹了他們的冷凍保存和培養(yǎng)方法。

組織工程產(chǎn)生的心臟祖細胞球的顯微圖像 圖片來源：Xu實驗室

該研究提供了另一個重要結(jié)論：暴露于微重力的細胞優(yōu)于對照組，反映了地面實驗的結(jié)果。研究人員表示，微重力培養(yǎng)確實存活得更好，并且具有更高的增殖能力。

進一步的研究可以揭示干細胞生長和存活背后的力量，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/