花300萬上太空？太空飛行可能加速人類造血干細胞衰老

當我們在地面上仰望星空，總忍不住向往太空的浩瀚與神秘，尤其是近年來商業太空旅行逐漸走近大眾視野，越來越多人開始暢想上太空的可能。

近期，演員黃景瑜官宣成為009號太空游客。他將乘坐“穿越者壹號(CYZ1)”飛船——預計2028年載人首飛，300萬一張的船票已開啟預售，目前已有十余位各領域人士簽約鎖定名額。

當太空不再是宇航員的專屬領域，太空環境對人體的健康影響，也愈發受到大眾和科研界的關注。事實上，宇航員在太空執行任務時，常常出現免疫功能障礙等問題，這一現象背后的深層原因，科研界早已展開探索。

近期，德國薩爾蘭大學團隊的研究顯示：太空飛行會廣泛改變體內miRNA分子的表達——這種類似基因“調控開關”的分子，其變化具有器官特異性，且與人體自然衰老的分子特征高度契合，為太空環境與人體衰老的關聯提供了重要線索。

而此前一篇由加州大學、斯坦福大學等機構發表的研究則給出了更直接、更具體的結論：太空飛行會加速人類造血干細胞和組細胞（HSPC）衰老[1]。這或許能為“宇航員在太空飛行中會出現免疫功能障礙”的相關報道帶來一些重要的解釋[2,3]。

造血干細胞和祖細胞（HSPC）是人體的造血工廠，在一生中為機體生產著各種血細胞（如紅細胞、白細胞等），是血液系統形成和穩定的核心。

此外，它們還在免疫系統健康、組織再生和修復中均扮演著關鍵的角色。

圖注：造血干細胞在骨髓中分化成不同類型的血細胞

鑒于近地軌道（微重力、輻射和密閉特征）環境能讓宇航員們面臨免疫失調、心血管功能受損[4]的健康威脅。

研究人員猜想，在微觀的細胞層面，作為“血液和免疫根源”的HSPC，情況可能同樣不容樂觀

為了開展研究，他們開發了一種既能模擬骨髓微環境供HSPC生長、還能實時監測其動態的裝置——3D納米生物反應器。隨后，將其與裝載的人類HSPC一起送往了國際空間站，正式開啟了為期1個月的太空之行。（PS：一部分HSPC留在地球作為對照）

圖注：3D生物傳感納米生物反應器系統

不知道大家還記不記得2015-2016年展開的同卵雙胞胎實驗，盡管弟弟斯科特·凱利在太空遵循了嚴格的健康方案，但與在地球上隨心所欲的哥哥相比，他的機體依舊出現了大量的DNA損傷，免疫和循環系統也都受到了影響。

那么，這些被送往空間站的HSPC細胞們，又會是怎樣的命運呢？

圖注：雙胞胎宇航員兄弟斯科特·凱利和馬克·凱利

只聽傳來一聲感慨：果然！美妙的太空旅行，從細胞開始就要付出青春的代價：

• 細胞健康受損

研究發現，太空環境會加快HSPC的細胞分裂，同時讓它們的休眠能力變低。

圖注：與配對的地面對照組相比，太空中的HSPC表現出了加速的細胞周期轉換

在正常情況下，HSPC多數時間處于休眠狀態，以維持干細胞的長期功能，而只有一小部分會進入分裂，以應對身體所需。

這一變化表明，太空環境容易讓HSPC從“長期耐力模式”切換到“短期沖刺模式”。這樣的后果是，HSPC可能出現更快地耗竭、以及功能的更早退化。

• 衰老特征提前顯現

很快，這就得到了進一步的驗證。

研究發現，經歷太空飛行的HSPC不僅表現出了功能上的衰退（如克隆存活能力下降、自我更新能力減慢），許多衰老特征也都提前跑了出來，比如端粒縮短、線粒體應激、炎癥信號失調等，這些可都是衰老時經常出現的分子與功能性標志。

圖注：如與配對的地面對照組相比，太空中的HSPC表現出了端粒長度的減少及端粒維持基因表達的降低

• 基因突變增加

還有一個顯著的變化是HSPC出現的更多的DNA突變，尤其是單堿基胞嘧啶（C）向胸腺嘧啶（T）的突變。這種突變模式通常是DNA損傷的重要標志之一。

圖注：太空中HSPC表現出了更多的C-T突變

這些突變讓人聯想到了克隆性造血。克隆性造血，即突變造血干細胞增殖形成了大量相同突變的血細胞克隆，這是晚年急性髓系白血病和心血管疾病的潛在威脅。

研究人員推測，HSPC這些突變可能部分得歸因于太空中更強的電離輻射，因為太空輻射的威力約是地面輻射暴露的5倍！

圖注：與克隆造血相關的疾病[5]

除了上述變化，HSPC的關鍵脫氨酶（一類能改變DNA或RNA序列的酶），及其基因組中重復元件的調控均存在失調的情況，這些均加速HSPC的損傷和老化。（PS：重復元件指基因組中重復出現的、通常不編碼蛋白的DNA序列）

圖注：太空飛行后APOBEC3A和APOBEC3C的表達上調，可能加劇細胞基因組不穩定性

由此可見，太空飛行可能加速HSPC的衰老并增加衰老相關疾病的風險。這為宇航員們的部分健康問題提供重要的線索。

看到這里，不知道大家有沒有在思考這個問題：這類太空研究對只能遙望星空的我們，有啥意義呢？還真有！

多項研究表明，太空環境使宇航員身體發生的一系列變化，如心血管功能退化、骨骼肌萎縮和免疫功能障礙等與地球衰老導致的癥狀十分相似，包括此次的HSPC。

圖注：如果把衰老比作生銹的過程，太空環境就像潮濕的鹽堿地，能加速生銹的速度……

在太空環境下，這些變化可能在短時間內就會顯現。這意味著人們能更快地觀察到衰老的跡象并找到其潛在的機制。

換句話說，具有微重力、宇宙輻射、封閉環境等多重應激條件的太空環境，是一種非常理想的“加速衰老”實驗場，能為衰老機制研究按下“快進鍵”。

這聯系到藥物研發，好處可就多了：

新藥研發動輒需要十幾年，跟蹤效果往往是其中的關鍵限速步驟。太空環境的“加速衰老”屬性也可為更快測試藥物的有效性提供可能；

再比如，基于某種在太空環境下發現的、與肌肉萎縮有關的蛋白質而研發的藥物，除了能幫助宇航員在太空保持肌肉健康外，也有望用于治療地球上老年人的肌肉衰減癥；

此外，多數藥物通過與體內某個蛋白質結合來起作用，相應地，藥物研發會經歷蛋白提純、蛋白結晶、解析結構、藥物設計的步驟。

人們發現，太空微重力環境下生長的蛋白晶體往往更均勻、更大。目前在太空培養蛋白晶體，已成為制藥公司研發藥物的一個重要方向。

圖注：宇航員與太空蛋白質結晶研究設施合影（左）；在空間站中形成的蛋白質晶體[6]，像不像一顆顆無暇的鉆石？（右）

當下，科研人員還在利用外太空的微重力來培養更加逼真的3D組織（如軟骨組織[7]）和三維腫瘤球體[8]等，這些更能模擬人體真實環境的生物工程模型，將為深入探究疾病機制和開發新藥提供了更多的可能性。

參考文獻