神舟十三号航天员完成多项在轨实验 发现了什么？有何意义 ...

戴耀坤

神舟十三号航天员完成多项在轨实验

太空授课

据中国载人航天工程办公室消息，“天宫课堂”第二课将于今天（23日）15时40分在中国空间站开讲，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富将相互配合进行授课。这也是中国航天员第三次进行太空授课。
神舟十三号航天员在太空中的一项重要任务就是完成各项在轨实验，这些实验获得了怎样的成果？有何意义？
中国航天员训练中心研究员 载人航天工程航天员系统副总设计师 李莹辉：神舟十三号任务在神舟十二号的基础上完成了二十余项（在轨）科学实验。这些实验一方面围绕航天员健康监测新技术，另一方面围绕着科学新知识新发现，第三方面围绕数据积累，完成了一系列创新研究。
空间站的太空失重环境，为人类开展生命科学研究提供了便利条件。依托中国空间站，我国在神舟十三号乘组在轨期间，首次建立了空间条件下细胞的长期培养体系和细胞模型，利用这样的体系和培养模型，科研工作者完成了几项国际领先的生命科学实验。
人类首次观测到失重条件下的心肌细胞“钙信号闪烁”

中国航天员训练中心研究员 载人航天工程航天员系统副总设计师 李莹辉：我们完成了国际上首例从人体尿液中的肾上皮细胞，通过基因重编程的方式，把它转化成生机勃勃的、具有多种功能的干细胞，又分化成为心肌细胞。通过基因编辑技术编辑了一个荧光蛋白，那么通过荧光蛋白的荧光，我们就看到在收缩过程中钙信号的闪烁过程，这也是国际上第一次看到了心肌细胞（在失重环境下）美丽的收缩过程。
利用心肌细胞对重力敏感的特性，科研工作者根据航天员在轨实验观测，比对心肌细胞在重力条件下和失重条件下的收缩过程、收缩特点，以便更好地解读失重对人类的影响。
中国航天员训练中心研究员 载人航天工程航天员系统副总设计师 李莹辉：这个技术一方面可以来了解我们失重条件下的心血管变化特征，另一方面也对大众健康、人类的再生与衰老，包括人类的长寿和心脏病的发生，提供了非常好的实验模型。
我国完成国际首次皮肤干细胞失重悬浮培养实验

此外，依托中国空间站和神舟十三号，我国科研工作者还完成了国际上首次皮肤干细胞长期失重条件下的悬浮培养实验。
中国航天员训练中心研究员 载人航天工程航天员系统副总设计师 李莹辉：细胞是在我们的一个小房子里，那么这有4个通道，这个细胞可以在我们这个体系里（完成）长达一个月、30天的生存和存活，为我们进行长期失重条件的细胞研究，提供了重要的技术平台。
专家介绍，开展这样的细胞空间实验，将有助于人类更好地认识生命、突破自身。
中国航天员训练中心研究员 载人航天工程航天员系统副总设计师 李莹辉：我们还有一些课题，比如说衰老和分化。为什么我们做干细胞，（就是）为人类的健康提供很重要的基础科学支撑。我们航天员要想飞得更远，飞得更健康，和我们的航天医学这些不断获得的新收获、新认识是密不可分的。只有这些新收获、新认识越来越多，我们对航天员的支撑作用才越来越强。（总台记者 刘冠青 占康 赵思远）
视频观看

神舟十三号航天员完成多项在轨实验

<hr/>
国际空间站

运输细胞与存储细胞研究

作为准备在国际空间站上进行实验的一部分，研究人员探索了培养活心脏细胞以进行微重力研究的新方法。他们发现，低温保存是一种在 -80°C 下储存细胞的过程，可以更容易地将这些细胞运送到轨道实验室，从而在发射和操作计划方面提供更大的灵活性。这一过程可能有益于太空和地球上的其他生物学研究。
这项名为 MVP Cell-03的调查在空间站上培养了心脏前体细胞，以研究微重力如何影响产生的细胞数量以及其中有多少存活下来。这些前体细胞具有用于疾病建模、药物开发和再生医学的潜力，例如使用培养的心脏细胞来补充那些因心脏病而受损或丢失的细胞。



2020 年 3 月，美国宇航局宇航员杰西卡·梅尔在国际空间站的便携式手套箱内设置了 MVP Cell-03 调查。

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。例如，MVP Cell-03 实验必须在特定时间范围内进行，此时细胞处于正确的阶段。航班变更和机组人员可用性可能导致影响研究的延误。
MVP Cell-03 的首席研究员、亚特兰大埃默里大学医学院的 Chunhui Xu 说：“有时航班延误，调查人员不得不准备一批又一批的备用电池。” “在调查到来之日，宇航员面临着大量的工作，但这些细胞需要立即使用新鲜培养基。我们认为我们最好提前制定这个程序。”
因此，她的实验室对运输和培养心脏细胞的新方法进行了实验。他们的研究结果最近发表在《生物材料》杂志上，表明冷冻保存似乎不会影响细胞，甚至提供了保护细胞免受发射过程中过度重力影响的额外好处。



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

“冷冻保存可以显着降低发射的影响，这样你的研究就可以只关注近地轨道环境的影响，”赞助这项研究的国际空间站美国国家实验室的项目主任马克朱利亚诺蒂说。“这项技术还为在月球或深空环境中进行实验开辟了可能性。它甚至可以为陆地研究提供显着优势，即在一个国家或地球上运输细胞和组织。”
徐的团队还将不需要二氧化碳的新细胞培养基与目前的标准培养基进行了比较，发现两者之间没有区别。二氧化碳增加了太空发射的重量和质量以及成本。研究小组测试了对培养基的几种修改，以改进冷冻保存程序。



在源自干细胞的细胞中检测染成绿色的心脏结构蛋白。细胞核染成蓝色

冷冻保存的心脏细胞于 2020 年 3 月飞往空间站。宇航员将它们解冻并成功培养，产生了跳动的心脏细胞。在经过 22 天的太空飞行后，它们被送回了地球。
“没有理由认为你不能用其他细胞类型做到这一点，”朱利亚诺蒂说。“这让调查人员的事情变得容易多了。他们可以按照自己的时间表将细胞送入空间站，而不必在胶囊到达那里后立即开始实验，因为当时急于完成所有工作。不必在旅途中保持细胞存活，从而减少了实验的足迹和材料成本。”
徐说，该团队现在报告了结果，因为他们认为这将有助于太空中的其他研究和这种类型的细胞。  
“我们认为冷冻保存可以使许多不同的应用受益，并且可以想象在许多情况下，不依赖二氧化碳的介质会非常有用，”徐说。
朱利亚诺蒂称这一结果是下一代太空研究的重要一步。“在国家实验室，我们可以设想细胞系库，您只需拉动这些细胞系即可开始实验。它具有很大的未来潜力。”

干细胞在太空的零重力条件下生长得更快

在 NASA 的 SpaceX-20 任务中，干细胞在短短三周内就变成了跳动的心脏细胞。
该实验由执行任务的美国宇航局宇航员和亚特兰大埃默里大学医学院和儿童保健中心的研究人员于 2020 年 3 月进行。
在国际空间站 (ISS) 上尝试真实的东西之前，徐春辉博士、医学博士 Kevin Maher及其同事一直在使用空间模拟机器来增强多能或未成熟干细胞转化为心肌细胞的能力. 目标是确定零重力条件对干细胞的影响，并优化地球上临床相关心肌细胞的生成。


干细胞衍生的心肌细胞已被用于治疗动物模型中的心力衰竭。它们还被用于与源患者的心脏分开研究遗传性心脏病。
“这些细胞有可能治疗儿童和成人的心脏病，但修复受损的心脏需要大量的心脏细胞，”埃默里医学院儿科副教授徐说。“我们希望通过探索微重力的使用来确定一种更有效的方法来产生这些细胞。”
2020 年 3 月 5 日，在肯尼迪航天中心举行的 What's on Board 科学简报会上，埃默里大学教授徐春晖教授是诱导多能干细胞实验中产生心肌细胞的首席研究员，他向 NASA 社会参与者发表讲话。
在空间站上的细胞返回地球并到达埃默里大学后，徐和马赫在去年花了一年时间深入研究研究成果。
结果表明，这些干细胞在太空的零重力条件下生长得更快。

在最近的一次活动中，他们与 美国宇航局宇航员 Jessica U. Meir 博士一起与亚特兰大心脏中心儿童保健的患者分享了他们的发现，该活动由埃默里医学院儿科系主任兼首席医学博士 Lucky Jain主持儿童的学术官员

人类心脏细胞对微重力有何反应？




宇航员凯瑟琳·鲁宾斯检查在国际空间站上培养的人类心脏细胞。

美国的研究人员表示，暴露在微重力环境下的人类心脏细胞在功能和基因表达方面表现出惊人的快速变化，但在返回地球后基本恢复正常。该团队在体外比较了两组心肌细胞的 RNA、形态和行为，其中一组在国际空间站 (ISS) 上停留了五周多。对 3D 培养和更复杂的组织结构的进一步实验最终可能会导致对宇航员在长期太空任务中遭受的一系列疾病的治疗。
国家航天机构和商业公司的共同目标是在未来十年或两年内将人类送上火星。除非推进技术发生革命，否则这几乎肯定会让宇航员在失重条件下花费数月时间，导致生理变化，如骨密度损失、肌肉萎缩和心脏功能下降。尽管在国际空间站及其前身积累了数十年的经验，但这些变化如何在细胞水平上发挥作用仍然相对未知。
为了帮助填补这一知识空白，斯坦福大学医学院的Alexa Wnorowski和Arun Sharma及其同事使用来自三个人的干细胞来生成人类心肌细胞——心肌细胞收缩以使器官跳动。他们将三个细胞系中的每一个分成两个 2D 培养物，在地面上培养一组，而将另一组发射到太空（ef="https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(19)30367-4">干细胞报告10.1016/j.stemcr.2019.10.006）。
在样本在国际空间站的 5.5 周内，美国宇航局约翰逊航天中心的宇航员和合著者凯瑟琳鲁宾斯使用视频显微镜观察了细胞的收缩动态。细胞返回地球后，研究人员使用相差显微镜和免疫荧光显微镜来测量细胞形态。对地面细胞的等效观察表明，两组培养物的形状和结构没有显着差异。然而，那些在轨道上的人不那么规律地跳动，收缩和放松的速度更慢，研究人员将其归因于钙在细胞内循环方式的变化。

研究人员还在任务期间和之后收获了细胞，以便对它们的转录组进行测序。转录组是细胞的一组 RNA 分子，并指示哪些基因在给定时间是活跃的。超过 3000 个基因在地面和飞行培养物中的表达水平存在差异，变化主要集中在调节细胞代谢的基因周围。
转录组的这些变化不包括与钙循环相关的基因，因此研究人员认为，在太空细胞中看到的收缩动力学改变是对其环境变化的非遗传反应。
“有已知的压力和张力感应蛋白使细胞能够感知和响应其环境。这可能是我们观察到的一些细胞反应的原因，”该团队的负责人、斯坦福心血管研究所所长Joseph Wu说。
然而，尚不确定细胞对微重力的反应是否只是微重力，因为研究人员指出，国际空间站样本在发射和再入期间经历了额外的力，以及在轨道期间可能增加的辐射。他们说，未来的实验将需要包括一个在离心机中培养以模拟表面重力的星载对照组。培养物返回地球十天后，研究人员再次评估了细胞的行为，并采集了更多样本进行 RNA 分析。到这个时候，两组之间基因表达的大部分差异已经消失，但大约有 1000 个仍然存在——与钙循环相关的功能变化也是如此。Wnorowski、Sharma 和同事不能说如果恢复期较长，这些细胞是否会完全恢复到飞行前的状态。
该研究只是对微重力对人类心脏细胞影响的首次研究，随后将进行涉及由多种细胞类型组成的工程人类心脏组织的实验。吴认为，这些研究产生的见解可以在太空和地球上找到用途。
“保持心脏和身体其他肌肉尽可能健康的'简单'方法是让宇航员定期进行剧烈运动，但也许有治疗方法可以防止这种在轨道上发生的心脏重塑，”吴说。“这种潜在的‘心脏强化’疗法也可能适用于实际经历心力衰竭的个体。”
“芯片上的组织”

国家推进转化科学中心正在继续其太空组织芯片计划，资助一项实验，该实验包括一个装有跳动心脏组织的手机大小的芯片。它从与埃默里实验相似的基础开始：多能干细胞长成心肌细胞。这些不是细胞培养物，而是模仿人类心脏功能的生物工程微型组织芯片。
这使细胞能够像在体内一样发出信号并发挥作用，这些细胞位于将组织固定在一起的支架状生物结构上。这促进了内部细胞的生长，最终，这种结构可用于测试药物。
“我们希望这个项目能够为我们提供有意义的数据，我们可以利用这些数据来了解心脏的结构及其功能，从而改善宇航员和地球上其他人的健康，”金说。


约翰霍普金斯大学的研究人员和他们在其他大学的合作同事将实时测量组织跳动的情况。一个月后，这些组织将返回地球。该团队想要分析它们并确定它们是如何受到微重力影响的，或者它们的基因表达是否发生了变化。地球上的心脏组织与发送到空间站的心脏组织相同，将作为华盛顿大学的对照。
一些被送到太空的组织将在一周后继续在地球上培养，以防可以观察到任何恢复工作。
Kim 实验室成员、约翰霍普金斯大学生物医学工程系博士后研究员 Jonathan Tsui 说：“整个团队都很高兴看到我们从这个实验中得到的结果。如果成功，我们将开始第二阶段的研究，两年后组织将再次被送到国际空间站，但这一次，我们将能够测试各种药物，看看哪些药物最能改善微重力对心脏功能的潜在有害影响，”。

参考资料：
神舟十三号航天员完成多项在轨实验 发现了什么？有何意义？-新闻-科学网

岚兮猗冱

有空一起交流一下