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人类心脏细胞会因太空飞行而改变但在地球上恢复正常

发表在《干细胞报告》(Stem Cell Reports)上的一项研究显示,源自干细胞的心肌细胞在航天飞行期间和飞行后均表现出对环境的显着适应性。研究人员检查了在国际空间站上培养5.5周的人类心脏细胞的细胞水平心脏功能和基因表达。暴露于微重力下会改变成千上万个基因的表达,但是在返回地球后的10天内,大部分正常的基因表达模式重新出现。

斯坦福大学医学院的资深研究作者约瑟夫·伍(Joseph C. Wu)说:“我们的研究是新颖的,因为它是第一个使用人类诱导的多能干细胞来研究航天对人类心脏功能的影响的研究。” “就其对人体的整体影响而言,微重力是一个尚不为人所知的环境,像这样的研究可以帮助阐明人体细胞在太空中的行为方式,特别是在世界日益增多和更长的太空任务,例如去月球和火星。”

过去的研究表明,太空飞行会诱发心脏功能的生理变化,包括心率降低,动脉压降低和心输出量增加。但是迄今为止,大多数心血管微重力生理研究已经在非人类模型或组织,器官或全身水平进行。关于微重力在细胞水平上影响人类心脏功能的作用知之甚少。

为了解决这个问题,Wu和他的合作者(包括研究生Alexa Wnorowski,前斯坦福大学研究生Arun Sharma,现为洛杉矶Cedars-Sinai研究员,前斯坦福大学研究生转变为宇航员凯瑟琳·鲁宾斯)研究了人类诱导的多能干细胞源性心肌细胞(hiPSC-CM)。他们通过重新编程血细胞从三个个体中产生了hiPSC细胞系,然后将它们分化为hiPSC-CM。

然后,作为商业补给服务任务的一部分,将节拍的hiPSC-CM发射到SpaceX航天器上的国际空间站。同时,在地面上培养了地面对照hiPSC-CM,用于比较。

返回地球后,空载的hiPSC-CM表现出正常的结构和形态。但是,他们确实通过修改跳动模式和钙循环模式来适应。

此外,研究人员对在国际空间站4.5周和返回地球10天后收获的hiPSC-CM进行了RNA测序。这些结果表明,在飞行,飞行后和地面对照样品之间差异表达了2,635个基因。最值得注意的是,与线粒体功能相关的基因途径在空载的hiPSC-CM中表达更多。样品的比较显示,hiPSC-CM在太空飞行过程中采用了独特的基因表达模式,返回到正常重力后,其恢复为类似于地面控制的模式。

Wu说:“我们对人类心肌细胞能够适应其所处环境的速度如此之快感到惊讶,包括微重力。” “这些研究可能会提供对长期航天飞行中有益于宇航员健康的细胞机制的了解,或者可能为改善地球心脏健康的新见解奠定基础。”

据吴说,这项研究的局限性包括持续时间短和使用2D细胞培养。在未来的研究中,研究人员计划使用生理学相关性更高的hiPSC衍生的3D心脏组织来检查航天和微重力的影响,这些组织具有多种细胞类型,包括血管细胞。Wu说:“我们还计划对人类心脏细胞进行不同的治疗测试,以确定我们是否可以防止心脏细胞在太空飞行过程中发生的某些变化。”

这项工作得到了太空科学发展中心(CASIS),国防部国防科学与工程研究生奖学金(AW),美国心脏协会(AHA)博士前奖学金,国家科学基金会研究生研究奖学金的支持。计划,NIH,AHA博士后奖学金,NIH主任先锋奖,NHLBI祖细胞生物学联合会,AHA资助,Burroughs Wellcome监管科学创新基金会和AHA著名研究者奖。BioServe Space Technologies和SpaceX是实施合作伙伴。

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