约翰斯-霍普金斯医学院的研究人员观察到，由人类干细胞设计并送往国际空间站的心脏组织与地球上的心脏组织相比，表现出明显的衰弱和不规则节律。这些研究结果表明，长期执行太空任务的宇航员面临潜在的健康风险，并可能影响未来地球上心脏病治疗和预防策略。

发射准备室中的心脏组织。 图片来源：Jonathan Tsui

约翰斯-霍普金斯医学院的科学家们安排了 48 个人体生物工程心脏组织样本在国际空间站（ISS）上度过了 30 天，他们报告的证据表明，与来自地球上的相同样本相比，太空中的低重力条件削弱了这些组织，破坏了它们正常的节律性跳动。

科学家们说，心脏组织"在太空中确实不好受"，随着时间的推移，空间站上的心脏组织的跳动强度只有地球上相同来源组织的一半左右。

他们说，这些发现扩大了科学家们对低重力对宇航员在长期太空任务中的生存和健康的潜在影响的认识，而且它们可以作为在地球上研究心肌衰老和治疗的模型。科学家们对这些组织的分析报告将于9月23日发表在《美国国家科学院院刊》上。

以前的研究表明，一些宇航员从外太空返回地球后会出现与年龄有关的病症，包括心肌功能减退和心律失常（心律不齐），而且有些影响会在返回地球后随着时间的推移而消失，但并非所有影响都会消失。

约翰-霍普金斯大学医学院生物医学工程与医学教授、博士 Deok-Ho Kim 说，科学家们一直在寻找从细胞和分子层面研究这些影响的方法，希望找到在长时间太空飞行中保证宇航员安全的方法。 金领导了将心脏组织送往空间站的项目。

太空生物学研究的创新

为了制造心脏有效载荷，科学家乔纳森-徐（Jonathan Tsui）博士诱导人类诱导多能干细胞（iPSC）发育成心肌细胞（心肌细胞）。 徐是华盛顿大学Kim实验室的博士生，2019年Kim调到约翰霍普金斯大学时，他作为博士后研究员陪同Kim一起工作。 他们在约翰霍普金斯大学继续进行空间生物学研究。

然后，徐将组织放入一个生物工程微型组织芯片中，该芯片将组织串在两个柱子之间，以收集组织如何跳动（收缩）的数据。 细胞的三维外壳被设计成模仿成人心脏的环境，只有半个手机大小。

为了将组织送上2020年3月发射前往空间站的SpaceX CRS-20任务，徐说，他不得不用手将组织室搬上飞机送往佛罗里达，并在肯尼迪航天中心继续照料组织一个月。 徐现在是特纳亚治疗公司（Tenaya Therapeutics）的科学家，该公司专注于心脏病的预防和治疗。

组织进入空间站后，科学家们每隔 30 分钟就会收到 10 秒钟的实时数据，了解细胞的收缩强度（即抽搐力）以及任何不规则的跳动模式。 宇航员杰西卡-梅尔（Jessica Meir）博士和硕士每周更换一次组织周围的液体营养物，并在特定时间间隔内保存组织，以便日后进行基因读取和成像分析。

研究小组在地球上以同样的方式保存了一组心脏组织，并将其放置在相同类型的室中，以便与太空中的组织进行比较。

组织室返回地球后，徐志摩继续对组织进行维护和数据收集。

技术进步和初步发现

Kim说："为了确保这些组织在太空中的存活率，我们在干细胞和组织工程、生物传感器和生物电子学以及微细加工等领域采用了大量尖端技术。"实验室的前博士生、现约翰霍普金斯大学博士后德文-迈尔（Devin Mair）博士随后分析了这些组织的收缩能力。

除了失去力量外，太空中的心肌组织还出现了不规则的跳动（心律失常）--这种紊乱会导致人类心脏衰竭。 正常情况下，心肌组织一次跳动与下一次跳动之间的时间间隔约为一秒钟。 在空间站上的组织中，这个时间比地球上的组织长了近五倍，不过当组织返回地球后，跳动之间的时间几乎恢复了正常。

科学家们还发现，在进入太空的组织中，肌肉束--肌肉细胞中帮助它们收缩的蛋白质束--变得更短、更紊乱，这是人类心脏病的一个标志。

此外，太空细胞中产生能量的线粒体变得更大、更圆，并失去了帮助细胞利用和产生能量的特征性褶皱。

遗传学见解和正在进行的实验

最后，梅尔、生物医学工程助理研究教授安恩贤博士（Eun Hyun Ahn）和约翰-霍普金斯大学博士生董志鹏研究了太空和地球组织中的基因读数。 空间站中的组织显示，涉及炎症和氧化损伤的基因产生增多，这也是心脏病的标志。

梅尔说："这些氧化损伤和炎症标志物中的许多在宇航员飞行后的检查中都得到了证实。"

Kim的实验室在2023年向空间站发送了第二批三维工程心脏组织，以筛选可能保护细胞免受低重力影响的药物。 这项研究正在进行中，据科学家称，这些药物可能有助于人们在年老时保持心脏功能。

科学家们正在继续改进他们的"芯片组织"系统，并在美国宇航局空间辐射实验室研究辐射对心脏组织的影响。 空间站位于低地球轨道上，地球磁场使空间站内的人员免受大部分空间辐射的影响。

编译自/SciTechDaily