向星际移民迈出新的一步！——低重力环境将如何影响我们的肌肉

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作者：日本国立研究开发法人 宇宙航空研究开发机构
日本国立大学法人 筑波大学

翻译：甘林

校译：孙宇峰

审阅：牧夫天文校对组

编排：苏奕月

后台：李子琦

https://www.jaxa.jp/press/2023/04/20230421-1_j.html

TAKE

A TRIP

宇宙航空研究开发机构（JAXA）和筑波大学的研究团队利用JAXA开发的设备，在国际空间站日本“希望”实验舱上将老鼠饲养在三种不同重力环境下约一个月，包括微重力环境、月球表面重力环境（1/6G）和地球表面重力环境（1G），并分析了小鼠维持姿势的抗重力肌肉即比目鱼肌的数量和质量的变化。

研究结果表明，微重力环境导致的肌肉萎缩，在月球表面重力环境下能够得到抑制；而肌肉纤维类型的变化虽然在月球表面重力环境下比微重力环境下低，但并未完全得到抑制。由此，研究团队发现：维持比目鱼肌的数量和维持其肌纤维类型存在不同的重力阈值。这项研究成果已于2023年4月21日发表在《自然》杂志旗下的开放获取期刊《Communications Biology》上。

美国主导的载人登月计划“阿耳忒弥斯计划”正在进行中，人类即将迎来再次登月的新时代。在人类探索宇宙的过程中，必须克服的一个问题是减少宇宙空间和月球表面的重力对生物体的影响。以往的研究表明，比目鱼肌在微重力环境下会发生萎缩且肌纤维类型变为速缩纤维。但是，在微重力和1G之间的重力环境（部分重力）中会发生什么样的变化，目前还不清楚。

本研究是利用MARS进行的部分重力下的首次科学成果，也是世界上首次证明通过重力负载控制的小鼠骨骼肌恒定性在质量和数量方面分别受到不同重力阈值的控制。这一成果将成为未来载人航天探索的基础数据，同时有望揭示随着肌肉疾病和衰老，骨骼肌数量和质量发生变化的机制，并为预防和治疗各种肌肉疾病的确立做出贡献。

责任作者：宇宙航空研究开发机构（JAXA）“希望”利用中心

芝 大　技术领域主管

筑波大学医学医疗系/跨境医学研究中心

工藤 崇　副教授

高桥 智　教授

研究背景

骨骼肌是一种可塑性非常高的组织，多种因素会使其产生量变和质变。尤其骨骼肌的质变虽然在外表上难以判断，但对于维持其恒定性非常重要。

构成骨骼肌的肌纤维可根据其收缩特性和代谢特性分为慢肌和快肌。慢肌擅长持久的肌肉收缩，例如长跑。另一方面，快肌具有较快的收缩速度，以及瞬间发挥大力量的特性。慢肌含有大量称为I型的肌纤维，而快肌在人类中有2种类型（IIa，IIx），在老鼠等啮齿类动物中有3种类型（IIa，IIx，IIb）的肌纤维类型。

通过宇航员和动物的研究，我们知道在太空中骨骼肌会出现快速的肌萎缩（量变）和肌纤维类型的变化（质变）。肌肉量的减少和慢肌纤维化（增加I型，减少II型）在地球上通常由于床卧不起等久坐症候群或老化引起。肌肉量的增加和快肌纤维化（减少I型，增加II型）通常由高强度的力量训练等引起。然而，由于在太空中除了微重力环境外还受到宇宙辐射等影响，详细的分子机制尚不清楚。

JAXA开发了一种名为“MARS”的鼠类饲养系统，利用离心机在太空中产生微重力至1G的重力。JAXA和筑波大学的研究团队利用这一系统，在国际空间站（ISS）上将小鼠在微重力和人工重力（1G）环境下饲养了约一个月，并分析了其对骨骼肌的影响。结果表明，太空中产生的骨骼肌变化几乎完全被人工重力（1G）环境抑制。也就是说，太空中的骨骼肌萎缩和肌纤维类型的快肌化主要是由重力变化引起的（参考文献1、2）。在这个结果的基础上，研究小组对控制骨骼肌可塑性的重力阈值产生了疑问。

本研究旨在通过MARS系统产生月球重力环境（1/6G），从组织学和全面基因表达分析的角度验证其能否抑制骨骼肌发生量变及质变，以确定在微小重力环境到1G的范围内是否存在可以控制骨骼肌可塑性的重力阈值。

研究内容及成果

在本研究中，我们综合分析了在国际空间站的日本“希望”实验舱中进行的3次饲养任务（MHU-1、4、5）中获取的小鼠骨骼肌（比目鱼肌）数据。在MHU-1任务中，我们分别在与地球重力相同的人工重力（1G）和微重力环境下，而在MHU-4、5任务中，在月球重力（1/6G）环境下饲养小鼠约1个月，对各个重力环境下比目鱼肌的肌肉量及肌纤维的性质变化进行了研究。此外，我们还进行了地面对照实验作为人工重力（1G）的对照实验。

微重力环境组与地面对照组或人工重力环境（1G）组相比，其肌肉重量和肌纤维横截面积都有减少。而月球重力环境组，未发现肌肉重量和肌纤维横截面积的减少，与地面对照组或人工重力环境（1G）组一样，肌肉萎缩得到了抑制。

另一方面，在微重力环境下，会导致肌纤维类型的快肌化。而在月球重力环境下，快肌化程度要比微小重力环境下低。然而，快肌化并没有完全被抑制，相较于地面对照组和人工重力环境（1G）组，快肌化的发生十分明显（见图a）。

这表明月球重力环境对于抑制宇宙空间中的肌肉萎缩具有足够的刺激作用，但在抑制肌肉质变即快肌化方面则有所不足。实际上，在比较比目鱼肌肉的RNA数据时，发现月球重力环境下和微重力环境下存在一些不同的基因表达模式（见图b）。

图表述了本研究的实验概要和结果（筑波大学基于已发表的数据进行了修改）。

（a）该实验概述了在宇宙中进行的实验以及对比分析了比目鱼肌肉组织。地球上作为地面对照组，国际空间站中分别饲养了人工重力环境组（1G）、月球重力环境组（1/6G）和微重力环境组（微重力）。微重力环境下，肌纤维横截面积减少，但在月球重力环境下，未发现肌纤维横截面积减少的情况。通过免疫组织学分析比目鱼肌肉纤维类型，微重力和月球重力环境下IIb型肌纤维增加，肌纤维类型转变为快肌型。

（b）该研究进行了比目鱼肌肉基因表达的。对比了地面对照组、人工重力环境组、微重力环境组和月球重力环境组的比目鱼肌肉RNA测序数据进行可视化。基因表达量的红色表示高，蓝色表示低。微重力和月面重力环境下受到控制的基因部分相似，但只有微重力环境下观察到了聚类4中基因表达量发生变化的情况。

（图源：原文；汉化：牧夫新媒体编辑部）

本研究揭示了基于重力调节，可以对小鼠骨骼肌的性质和数量通过各自的不同重力阈值进行控制。

今后的发展

为了未来的月球探索和居住，详细解明月表重力环境（1/6G）对骨骼肌的影响机制是至关重要的。像这次研究一样在宇宙生物学领域的实验方法的进步，不仅有助于人类的太空探索，还有可能建立起预防地球上骨骼肌萎缩的措施。此外，载人航天导致的全身变化与衰老相似，其中，伴随年龄增长的骨骼肌功能下降，即肌肉萎缩症，是现代社会需要解决的问题之一。本研究成果有望揭示载人航天对骨骼肌的影响机制，从而建立预防和治疗各种肌肉疾病（包括萎缩症）的方法。

参考文献

1)Shiba, D. et al. Development of new experimental platform 'MARS'-Multiple Artificial-gravity Research System-to elucidate the impacts of micro/partial gravity on mice. Sci Rep 7, 10837 (2017).

2)Okada, R. et al. Transcriptome analysis of gravitational effects on mouse skeletal muscles under microgravity and artificial 1 g onboard environment. Sci Rep 11, 9168 (2021).

注释

【注1】

可变人工重力研究系统：MARS（Multiple Artificial-gravity Research System）是一种为了模拟从微重力到1G的人工重力环境而开发的设备，旨在利用"希望"实验舱作为测试床，为面向月球、火星等载人探索提供科学贡献，并模拟月面等重力的研究环境。全球只有日本拥有。

【注2】

MHU-1、4、5任务：

MHU-1为平成24年度：“希望”实验舱重点应用课题的项目之一，题为"利用小鼠对宇宙环境反应进行全面评估"（主要研究人员：筑波大学医学与医疗系教授高桥智）。

MHU-4和5为JAXA进行的"JAXA小动物饲养任务月面低重力环境设定的技术验证"。JAXA负责开发人工重力系统和进行小鼠轨道上饲养，而筑波大学则负责获得样本的分析。

【注3】

比目鱼肌

人类下肢骨骼肌或老鼠后肢骨骼肌之一。它是一种以慢肌纤维（I型）为主导的抗重力肌肉之一。

【注4】

肌纤维类型（小鼠）

根据形态和功能特征，分为慢肌纤维和快肌纤维。慢肌纤维具有持久力，快肌纤维则专门针对瞬间发力。从组织学特征来看，慢肌纤维相当于I型，快肌纤维相当于II型，而小鼠的II型又可以进一步分为IIa、IIx和IIb。含有大量I型肌纤维的骨骼肌也被称为抗重力肌。在微重力环境下，其抗重力的功能几乎不需要，因此可能会发生快肌化。

【注5】

RNA测序

RNA测序是使用测序仪（可以同时解读大量核酸序列的装置），全面分析基因表达水平的方法。

【注6】

分层聚类和热图

分层聚类和热图是用于将RNA测序数据进行可视化的方法。分层聚类将具有相似基因表达变化的基因聚类成树形图，热图则是以颜色和其深浅来表示每个基因的表达量的可视化图表。

研究资金

本研究是““希望”利用重点课题：利用小鼠进行全面评估宇宙环境响应(14YPTK-005512)”以及“科学研究费补助金 新学术领域研究：探索从宇宙环境角度阐明肌萎缩机制(18H04965)”的支持下进行的。

论文信息

【题目】

Lunar gravity prevents skeletal muscle atrophy but not myofiber type shift in mice.

（月球重力能够防止骨骼肌萎缩，但不能防止肌纤维类型的转变）

【作者】

林卓杜1、藤田諒1、岡田理沙2、濱田理人1、鈴木陸1、布施谷清香1、James Leckey1、金井真帆1、井上由理1、定木駿弥1、中村綾乃1、岡村結1、安部力3、森田啓之4、相羽達弥2、専光寺旭洋2、下村道彦2、岡田麻希2、上村大輔2、湯本茜2、村谷匡史1、工藤崇1、芝大2、高橋智1

1筑波大学医学医療系、2 JAXA有人宇宙技术部门、3岐阜大学、4东海学院大学

【期刊】

Communications Biology

【发表日期】

2023年4月21日，日本时间下午6点（在线发布）

【DOI】

10.1038/s42003-023-04769-3

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部

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来源：网络

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