自20世紀60年代太空競賽以來，已有超過550人進入太空。隨著國際空間站（ISS）的建立，人類在太空中的停留時間越來越長。然而，長時間太空飛行對人類健康的負面影響也逐漸顯現(xiàn)，尤其是對心血管系統(tǒng)的影響。

太空飛行對心血管系統(tǒng)的影響包括心肌質(zhì)量減少、骨密度降低以及心功能障礙。例如，阿波羅計劃中登月的宇航員比未離開低地球軌道的宇航員更容易死于心血管疾病。

以往的研究主要依賴于動物模型和非人類心肌細胞，但這些研究結(jié)果在轉(zhuǎn)化為人類研究時存在困難。因此，開發(fā)能夠模擬人類心臟組織的體外模型變得尤為重要。

Devin B. Mair et al.PNAS  2024 Vol. 121 No. 40e2404644121 這篇文章的核心內(nèi)容是研究微重力環(huán)境對心臟功能的影響，特別是通過一個自動化的心臟芯片平臺（heart-on-a-chip）在國際空間站（ISS）上進行的實驗。研究發(fā)現(xiàn)，微重力環(huán)境會導致心臟組織的收縮功能障礙、心律失常增加以及線粒體功能障礙，這些變化在返回地球重力后仍然持續(xù)存在。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了太空飛行對心臟健康的潛在危害，還強調(diào)了該模型在研究與衰老相關(guān)的心血管疾病中的潛在應(yīng)用價值。

北京基爾比生物科技有限公司 研制的微重力clinostat：

• 可以進行細胞培養(yǎng)的同時，連續(xù)實時定量記錄模擬環(huán)境的重力變化，便于觀測模擬微重力或超重力效應(yīng)下細胞、組織等變化規(guī)律和實現(xiàn)對實驗環(huán)境的調(diào)節(jié)，且可直接放進培養(yǎng)箱，方便細胞的培養(yǎng)。
  
  

• 預設(shè)參數(shù)操作方便，旋轉(zhuǎn)器提供微重力環(huán)境模擬（10-3G），同時提供超重力環(huán)境的模擬（2G，2.5G或3G）

  
  

• 可提供模擬環(huán)境下的重力監(jiān)測，X 軸、Y 軸、Z 軸三維空間重力監(jiān)測并顯示實時重力數(shù)值,讓研究人員實時采集了解模擬環(huán)境重力的精確變化。

  
  

• 攝像頭監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，具有可以快速啟動及程序預約功能

該研究綜合運用多種實驗方法，利用心臟芯片平臺搭載工程化心臟組織（EHTs）開展太空飛行實驗，并設(shè)置地面對照，從多層面深入探究太空飛行對心臟組織的影響。

1. 材料準備  

1.1 制備dECM-rGO復合水凝膠支架：從豬心臟獲取左心室心肌，切成薄片，先后用1% w/v十二烷基硫酸鈉（SDS）、1% w/v Triton-X100處理以去除細胞，再經(jīng)磷酸鹽緩沖液（PBS）洗滌、0.1% w/v過氧乙酸消毒、凍干后得到dECM。將氧化石墨烯（GO）用NaBH?化學還原為rGO，與dECM按質(zhì)量比混合，加入胃蛋白酶、10X RPMI 1640，調(diào)節(jié)pH至7.4制成水凝膠，4°C保存?zhèn)溆谩?   

1.2 細胞培養(yǎng)與準備：UC 3-4 hiPSCs在Matrigel包被的培養(yǎng)板上，用mTeSR1培養(yǎng)基培養(yǎng)。通過調(diào)控Wnt/β-catenin信號通路，依次更換含不同成分的RPMI 1640培養(yǎng)基進行誘導分化，篩選出心肌肌鈣蛋白T陽性率＞90%的細胞用于實驗。HS-27A人骨髓間充質(zhì)干細胞在高糖DMEM培養(yǎng)基（含10%胎牛血清）中培養(yǎng)。

2. 硬件制作

2.1 EHT芯片平臺構(gòu)建：按10:1的比例混合聚二甲基硅氧烷（PDMS）的基礎(chǔ)劑和固化劑，倒入模具，插入玻璃毛細管和釹磁鐵，經(jīng)脫氣、65°C固化后得到EHT柱陣列。在24孔培養(yǎng)板制作組織澆鑄孔，固化后取出模具，對硬件進行消毒。    

2.2 太空飛行硬件準備：飛行腔室由聚砜框架、透氣PDMS膜、聚醚酰亞胺蓋等組成，有自密封隔膜用于流體交換，最大體積30 mL。PHAB為鋁制盒，可容納4個EHT培養(yǎng)腔室，集成GMR傳感器和電子元件，運輸前充入5% CO?，在國際空間站（ISS）上置于Space Automated Bioproduct Laboratory（SABL）的培養(yǎng)箱中。

3. 實驗實施

3.1 形成和維護EHTs：hiPSC-CMs解凍后在Matrigel包被的培養(yǎng)板上恢復7天，與HS-27A細胞按特定密度混合于dECM-rGO凝膠，注入PDMS孔，放入培養(yǎng)箱交聯(lián)，添加含Y-27632和抗生素的RPMI/B-27培養(yǎng)基，隔天換液。    

3.2 太空飛行和地面對照實驗：EHTs形成1周后轉(zhuǎn)移至飛行腔室，在航天中心培養(yǎng)14天，裝入充有5% CO?的PHAB后發(fā)射。到達ISS后進行換液，實時監(jiān)測收縮活動，在特定時間點用4%多聚甲醛（PFA）或RNALater保存樣本。返回地球后，活組織繼續(xù)培養(yǎng)7天再保存。地面對照實驗在1G環(huán)境下，按相同培養(yǎng)和換液時間表進行。

4. 樣本分析  

4.1 透射電子顯微鏡（TEM）分析：EHTs制成10 - 20μm的冰凍切片，經(jīng)固定、緩沖液沖洗、后固定、染色、脫水、包埋、聚合等步驟，制成60 - 90nm的超薄切片，用TEM成像，用ImageJ Fiji軟件分析肌節(jié)和線粒體形態(tài)。    

4.2 RNA提取和測序分析：用RNALater保存的EHTs解凍后勻漿，按PARIS™ Kit試劑盒說明提取RNA，制備RNA文庫，去除rRNA，對測序數(shù)據(jù)進行預處理、比對，分析差異表達基因，篩選后提交至IPA進行功能分析。    

4.3 計算機模擬分析：利用IPA的分子活性預測功能，連接相關(guān)信號通路，添加ROS激活信號，對比預測結(jié)果與RNA測序數(shù)據(jù)，探究氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙對下游通路的影響。    

4.4 統(tǒng)計分析：數(shù)據(jù)以均值+標準誤差（SE）表示，多組數(shù)據(jù)用單因素方差分析（One-way ANOVA）和Tukey事后檢驗，兩組數(shù)據(jù)用非配對t檢驗（Welch校正），計算Cohen's d、Cohen's U?和重疊系數(shù)評估組間差異，P < 0.05為差異顯著。

這篇文章研究發(fā)現(xiàn)，微重力環(huán)境會導致心臟組織的收縮功能障礙、心律失常增加以及線粒體功能障礙，這些變化在返回地球重力后仍然持續(xù)存在。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了太空飛行對心臟健康的潛在危害，還強調(diào)了該模型在研究與衰老相關(guān)的心血管疾病中的潛在應(yīng)用價值。

北京基爾比生物科技有限公司 研制的微重力clinostat：

• 可以進行細胞培養(yǎng)的同時，連續(xù)實時定量記錄模擬環(huán)境的重力變化，便于觀測模擬微重力或超重力效應(yīng)下細胞、組織等變化規(guī)律和實現(xiàn)對實驗環(huán)境的調(diào)節(jié)，且可直接放進培養(yǎng)箱，方便細胞的培養(yǎng)。
  
  

• 預設(shè)參數(shù)操作方便，旋轉(zhuǎn)器提供微重力環(huán)境模擬（10-3G），同時提供超重力環(huán)境的模擬（2G，2.5G或3G）

  
  

• 可提供模擬環(huán)境下的重力監(jiān)測，X 軸、Y 軸、Z 軸三維空間重力監(jiān)測并顯示實時重力數(shù)值,讓研究人員實時采集了解模擬環(huán)境重力的精確變化。

  
  

• 攝像頭監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，具有可以快速啟動及程序預約功能

5. 實驗結(jié)果

實驗中，工程化心臟組織（EHTs）被送到國際空間站，在微重力環(huán)境下觀察了30天，然后在返回地球后進行了9天的恢復期觀察。這些組織與在地球上相同條件下培養(yǎng)的對照組進行了比較。

5.1收縮功能障礙：太空飛行EHTs顯示出顯著降低的抽搐力，這種降低在實驗期間持續(xù)存在，并且在返回地球后仍然持續(xù)。

5.2 心律失常增加：太空飛行EHTs顯示出更高的節(jié)律不規(guī)則性（ΔBI），表明心律失常的可能性增加。然而，這種心律失常在返回地球后似乎有所緩解。

5.3 超微結(jié)構(gòu)變化：通過TEM成像發(fā)現(xiàn)，太空飛行EHTs的肌節(jié)長度和Z帶寬度顯著減少，表明太空飛行對肌節(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響。此外，線粒體結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，包括線粒體腫脹和碎片化，這些變化與氧化應(yīng)激和炎癥有關(guān)。

5.4 RNA測序結(jié)果：RNA測序分析顯示，太空飛行EHTs中與代謝紊亂、心力衰竭、氧化應(yīng)激和炎癥相關(guān)的基因和通路表達上調(diào)，而與收縮力和鈣信號相關(guān)的基因表達下調(diào)。這些變化與心臟功能障礙和心肌細胞代謝功能障礙一致。

6. 研究意義與未來方向

太空飛行導致的心臟功能障礙可能與氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙有關(guān)，這些因素可能導致心肌細胞代謝功能障礙和心臟收縮力下降。該研究提供了一個體外模型，能夠真實地再現(xiàn)太空飛行對三維工程心臟組織的不利影響，并為未來的研究和篩選潛在的治療干預措施提供了基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)不僅對理解太空飛行對宇航員心臟健康的長期影響具有重要意義，還可能為研究與衰老相關(guān)的心血管疾病提供新的視角。

該研究強調(diào)了太空飛行對心臟健康的潛在危害，并提出了一種新的體外模型，可用于研究太空環(huán)境對人類健康的長期影響。未來的研究可以進一步探索太空飛行中氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙的具體機制，并開發(fā)相應(yīng)的預防和治療策略。此外，該研究還指出，太空飛行環(huán)境可以作為一種加速研究衰老的模型，為理解人類衰老過程中的心血管變化提供新的線索。

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心臟病，堪稱全球健康的“頭號勁敵”。冠心病、心力衰竭等不同類型的心臟病，每年無情地帶走大量生命，嚴重影響無數(shù)家庭的幸福。常見的治療手段，從藥物到手術(shù)，雖能緩解癥狀，卻始終無法突破心肌細胞受損后難以再生的困境。每一次心肌損傷，都可能是對心臟功能的一次沉重打擊，患者往往陷入長期病痛折磨，生活質(zhì)量急劇下降。在這樣的嚴峻現(xiàn)狀下，尋找有效促進心肌再生的方法，成為醫(yī)學領(lǐng)域科研人員日思夜想、奮力攻克的核心難題。

3D-clinostat 三維旋轉(zhuǎn)儀，

微/超重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，

3D回轉(zhuǎn)重力環(huán)境模擬系統(tǒng)，隨機定位儀，

類器官芯片搖擺灌注儀，

英國Kirkstall 類器官串聯(lián)芯片灌流仿生構(gòu)建系統(tǒng)