寻找心脏的钥匙：微重力下的干细胞可以改善心脏修复

太空是一个独特的环境，可以进行其他任何地方都无法进行的尖端研究。许多研究人员在他们的飞行实验中取得了令人兴奋的新发现——这些发现不仅为航天员们的空间环境试验提供理论支持，而且还为地球上的科学知识做出了贡献。

在近地轨道培养干细胞是一项挑战。但是，来自埃默里大学儿科学系的Chunhui Xu教授带领其团队进行了一项新研究，这一研究的结论使科学家在近地轨道培养干细胞变得容易。研究人员表示，空间微重力环境有利于心脏干细胞的生长。

埃默里大学医学院副教授Chunhui Xu在研究心脏祖细胞及其分化为心肌细胞，即心脏特化肌肉组织的细胞。(祖细胞属于成体干细胞，是未分化的多能或专能干细胞。)

Chunhui Xu教授在实验室进行实验图片来源：Xu实验室

在使用模拟微重力进行地面研究的基础上，Xu研究微重力对源自人体皮肤细胞的心脏祖细胞增殖或数量迅速增加的能力的影响。这项试验的成果可以提高我们模拟心脏缺陷、改进精准医学甚至治愈疾病的能力。

这项名为MVP Cell-03的试验在空间站上培养了心脏前体细胞，以研究微重力条件如何影响产生的细胞数量及细胞存活率。这类前体细胞在疾病建模、药物开发和再生医学等方面极具应用潜力。

航天员 Jessica Meir 在国际空间站的便携式手套箱内进行 MVP Cell-03 调查。NASA

试验结果：心脏前体细胞可以在微重力条件下生长并分化为跳动的心脏细胞——它们比在国际空间站上在配置为模拟正常地球重力 (1g) 的离心机中培养的同类细胞生长得更快，存活得更好。

一个令人兴奋的结果

虽然Chunhui Xu教授从一开始就瞄准空间环境，但她的团队开始做这项试验是在实验室里完成的。

先前的研究已经确定，在3D液体分批培养物（例如旋转或往复运动摇瓶）中生产心肌细胞比2D培养物（例如培养皿）具有更高的产量。基于这一逻辑，Xu实验室着手研究如果将3D培养与模拟微重力相结合，它们的细胞是否可能具有更高的产量。

检测细胞中的心脏结构蛋白（染成绿色）和心脏转录因子（染成红色），细胞核染成蓝色。Antonio Rampoldi

他们发现短期暴露于模拟微重力环境可以提高心肌细胞的存活率和产量。具体来说，三天的暴露时间足以获得最大产量。Xu的团队发表了他们在该实验中的发现，描述了他们成功生产出具有预期功能特性的高度富集的心肌细胞（纯度为99%）——这些细胞看起来很成熟。此外，心肌细胞的产量比标准3D培养物高4倍（比2D培养物高8倍）。

试验表明，空间微重力条件与其他技术相结合，可以增强心脏祖细胞发育的心脏细胞的生长和纯度。研究人员表示这项试验结果令人兴奋，因为它暗示了干细胞未来临床应用的潜在突破。

空间环境中培养心脏细胞的挑战

先前的研究表明，在模拟微重力环境中培养此类细胞可提高其生产效率。但是在太空中使用活细胞培养会带来一些独特的挑战。

一方面，存在时间问题。Xu的实验需要在细胞处于一定的发育阶段时进行，也就是心脏细胞和未分化干细胞之间的短暂中间阶段。火箭的延迟发射会影响这一试验结果。

为了解决这个问题，科学家们尝试了冷冻保存技术，该技术可以暂时停止细胞发育并在到达国际空间站时最大限度地恢复活细胞。他们发现低温（-80 左右）存储能使这些细胞更容易被运输到轨道实验室中，这将为飞船发射时间提供更多灵活性。

用于 MVP Cell-03 研究的在空间站培养的细胞产生的跳动心脏球。 Antonio Rampoldi

这种新方法还有其他的好处。停止细胞发育意味着团队可以提前很好地冷冻培养物，从而有时间进行质量控制并确保只有最健康的细胞才能进入空间环境。此外，冷冻保存剂可以作为物理冲击的缓冲剂，通过缓冲细胞免受发射时的冲击力，进一步提高存活率。

在空间环境中进行实验的另一个挑战是生长培养基。典型的细胞培养需要仔细监测液体中的二氧化碳以调节底物的pH平衡。然而，该团队使用的国际空间站上的孵化设施Techshot多用途可变重力平台 (MVP)无法提供和精确控制所需的二氧化碳。

飞行工程师 Mark Vande Hei 将多用途可变重力平台 (MVP) 重新安置在 Kibo 实验室模块内。NASA

但是，Xu的团队在不依赖二氧化碳的基质中添加独特的添加剂混合物，创造了一种新型生长培养基，为细胞在没有额外二氧化碳的情况下繁衍创造了完美的环境。

结论

Xu的实验是在SpaceX向国际空间站执行的第20次商业补给服务任务中启动的，在那里细胞由机组人员解冻和培养。三周后，当这些培养物返回地球时，研究小组发现这些细胞不仅在微重力条件下存活了下来，而且还变成了“跳动”的心脏细胞。