太空會加速宇航員心臟衰老？「心臟芯片」揭示原因

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太空會加速宇航員心臟衰老？「心臟芯片」揭示原因，太空環境對宇航員的健康挑戰一直是航天醫學研究的核心課題。近年來，隨着「心臟芯片」技術的突破，科學家們終於揭開了微重力環境加速心臟衰老的神秘面紗 。

心臟芯片的實驗設計與發現

美國約翰霍普金斯醫學院的研究團隊利用「心臟芯片」技術，將人類誘導多能幹細胞分化的心肌細胞送入國際空間站進行實驗。該芯片系統通過模擬心臟收縮環境，實時監測微重力對心肌組織的影響。實驗發現，僅在太空停留12天，心肌組織的收縮強度就下降近半，且返回地球9天後仍未恢復。更嚴重的是，第19天起心肌搏動間隔延長5倍以上，呈現出明顯的心律不齊特徵。

透射電子顯微鏡觀察顯示，太空環境下的心肌肌節變得短而無序，線粒體形態異常——體積增大、嵴結構消失，這與人類心臟病患者的細胞特徵高度相似。RNA測序進一步揭示，與炎症反應、氧化應激相關的基因表達顯著上調，而維持心臟正常功能的關鍵基因表達下調。這些發現首次從分子層面證實，微重力會引發心肌細胞的病理性衰老。

分子機制與防護研究突破

中國載人航天工程的最新研究則從代謝角度揭示了新機制。蘇州大學團隊利用神舟十三號搭載的心肌細胞實驗發現，微重力通過阻斷硫胺素（維生素B1）的攝取，干擾心肌細胞的三羧酸循環，導致ATP生成減少和鈣穩態失衡。補充硫胺素後，心肌細胞的結構損傷和功能異常得到顯著改善。這一發現為長期太空飛行的營養干預提供了新方向。

值得關注的是，東南大學研發的太空血管組織芯片已完成國際首次長期微重力培養實驗。該芯片集成了微型心臟和動脈血管，可模擬失重引發的心血管重塑過程。實驗數據顯示，太空環境下血管內皮細胞的黏附分子表達異常，血管彈性下降，這與宇航員返回地球後常見的立位耐力不良直接相關。此類研究不僅為航天醫學防護提供依據，更為地球老齡化相關心血管疾病的治療開闢了新路徑。

美國國家航空航天局的兩名宇航員的心態崩了，本來只計劃出差8天，誰想到，由于飛船推進器故障和氦氣泄漏等問題，8天一不留神變成了8個月。不過下面這個消息可能會讓他們更崩潰，最近科學家發現，在太空中滯留超過1一個月，宇航員的心臟不僅會衰老，還會「跳不齊」。

眾所周知，太空環境十分複雜，輻射、失重等環境都會對宇航員的健康造成影響。如何能更精準地研究太空環境對人體的影響，而又不「消耗」宇航員，一直是科學家苦惱的問題。為了研究太空環境對心臟的影響，約翰霍普金斯醫學院的科學家拿出了「心臟芯片」的解決方案。

所以，「心臟芯片」是個什麼技術？它跟人類的心臟一樣嗎？

「心臟芯片」是一種體外實驗系統，使用工程化的心臟組織，模擬人體內的心臟功能和行為。具體來說，該技術包括以下幾個關鍵步驟：創建心臟組織：研究人員首先利用人誘導多能幹細胞（iPSCs），將其分化成心肌細胞。這些細胞是心臟的主要組成部分，負責心臟的收縮和跳動。在組織設計過程中，研究人員這些心肌細胞，組成6組樣本串在成對柱子間。每對柱子中一個是柔性的，另一個是堅硬的，同時在柔性柱子中嵌入磁鐵。

第二步用密封的腔室包裹之前創建好的心臟組織，這樣培養組織的液體介質就不會漂浮在太空中。最後，這些含有組織的腔室被裝載到培養板上，磁傳感器位於其下方。通過傳感器，研究人員可以收集心臟組織收縮的信息，檢測心臟組織的收縮強度是否有所減弱。

接着，他們將「心臟芯片」系統安裝在大約手機一半大小的房室里。這個系統隨樣本組織登上國際空間站後，研究人員可以通過傳感器實時監測組織收縮情況和跳動模式強度。當然，為了進行比較，他們還監測了一組留在地球上的組織。

結果研究人員發現，這些組織僅在國際空間站停留12天，收縮強度就幾乎減半，即使在返回地球9天後，這種減弱仍然很明顯。而地面樣本的收縮強度則相對穩定。

此外，在太空中，隨着時間推移，組織的搏動變得更加不規則，到第19天，組織每次搏動間隔增加了5倍以上。不過，這種不規則搏動在組織返回地球後就消失了。還記得我們開頭提到的，此刻仍然在太空飄着的那兩位宇航員麼？他們心血管可能正在承受這種壓力，這下好了，長時間待在太空，不僅精神狀態不穩定，連心臟都不穩定了。不過好在，等明年返回地球後，這個情況應該會得到緩解。

我們接着說這個實驗，在組織返回地球後，研究人員利用透射電子顯微技術觀察了負責控制肌肉收縮的組織肌節，發現，與留在地面的組織的肌節相比，它們變得更短、更無序，這是人類患心臟病的一個標誌。此外，在國際空間站停留30天的組織內的線粒體作為能量工廠，變得更大、更圓，並失去了幫助細胞利用和產生能量的特徵褶皺。

當研究人員對組織樣本的RNA進行測序時，發現在國際空間站停留過的組織中，與炎症和心臟病相關的基因和信號通路的表達增加，同樣，這也是患心臟病的標誌。這進一步表明心臟細胞在太空環境中經歷了嚴重的壓力或功能障礙，可能導致能量產生受損，進而導致心臟細胞收縮力減弱和整體細胞健康下降。

2023年，研究人員將第二批3D工程心臟組織送往空間站，用來篩選可能保護細胞免受低重力影響的藥物。到目前為止，這項研究仍正在進行中，根據科學家的說法，這些藥物可能有助於人們隨着年齡的增長保持心臟功能。

你以為在太空出長差，對身體的傷害到這裡就結束了？

2024年2月4號，59歲俄羅斯宇航員奧列格·科諾年科，在北京時間16時30分08秒，打破另一名俄羅斯宇航員根納季·帕達爾卡累計在太空停留878天11小時29分48秒的世界紀錄，成為在太空累計停留時間最長的人。

美、俄都對長時間在太空停留的宇航員進行了大量研究，美國國家航空航天局（NASA）發布的報告顯示，進入太空後，宇航員首先面臨的挑戰是失重導致血液和其他體液回流到胸腔和頭部，宇航員出現面部浮腫、頸部靜脈曲張、鼻咽部堵塞等情況。通常而言，這類情況在剛進入太空的前幾天最為明顯，但是如果你看到使用了「大頭特效」的宇航員，也千萬別慌張，因為這些情況會隨着人體對失重環境的適應在一定程度上逐漸緩解。

其次，宇航員長時間在失重或微重力環境下停留，會出現明顯的肌肉萎縮和骨骼鈣流失的情況，即使再威猛的體格，長時間在太空停留也很難不變成「脆皮體質」。

這是由於腿骨、脊椎骨等承重骨骼受到的壓力驟減，同時肌肉運動減少後，對骨骼的刺激也相應減弱，導致骨質大量脫鈣並經腎臟排出體外。近年的研究顯示，加強鍛煉能在一定程度上減緩這些影響。所以為了避免肌肉萎縮，即使在國際空間站，宇航員也必須完成日常訓練計劃：每天至少在跑步機跑步或者做其他器械運動兩小時。果然，運動不僅要練到家，還要練上天。

我們剛才提到的俄羅斯宇航員科諾年科在接受採訪時就說，為了對抗失重對身體的影響，他定期進行鍛煉。此外，俄羅斯宇航員還會服用特殊藥物。但即使是服用藥物加嚴格自律進行運動，也不能徹底解決這些問題。

加拿大卡爾加里大學的運動科學家2022年的研究報告顯示，在太空環境下生活約6個月的宇航員，可以在回到地球1年後恢復之前的骨骼強度。而在太空中生活時間較長的宇航員會出現永久性骨質流失。好吧，離「永久脆皮打工人」又進了一步。

但其實太空對人體的傷害遠遠沒有停止……太空環境的太陽風和宇宙射線也會對人體造成傷害。NASA的研究報告顯示，在400公里高度的國際空間站內部，宇航員每天暴露在超過0.5毫希沃特的輻射劑量下，12天內受到的輻射劑量就相當於客機機組一年內受到的輻射。但好在，這些輻射劑量對於人體的傷害並沒有我們想象中那麼大。

還記得我們開頭說了什麼嗎？在太空滯留超過1個月，心臟就會衰老、「跳不齊」，雖然太空對人體衰老的影響對於宇航員來說不是什麼好消息，但太空環境對於幫助我們了解衰老相關機制卻非常有用。這些影響在宇航員處於微重力狀態後的很短時間內就可以觀察到，而如果我們在地球上研究動物的衰老模型，需要幾年甚至幾十年才能捕捉到隨着時間和衰老效應而發生的一些變化。

從1961年人類歷史上第一個進入太空的英雄尤里·加加林，乘坐「東方一號」宇宙飛船成功飛入太空，繞地球一周的那句「地球，你好美」。到1969年踏上月球的尼爾·阿姆斯特朗「月球上的一小步，人類的一大步」，再到後來我們中國首飛太空第一人楊利偉的那句「感覺良好」……他們無疑都是偉大的宇宙「硬核玩家」，代表了人類的勇氣和探索精神，為人類的科技、醫學等領域做出了卓越的貢獻。

最後，也希望現在仍在太空被迫出長差的兩位宇航員，雖然無法穩定心跳，但儘量穩定情緒，安全、順利、按時返回地球。