花300万上太空？太空飞行可能加速人类造血干细胞衰老

当我们在地面上仰望星空，总忍不住向往太空的浩瀚与神秘，尤其是近年来商业太空旅行逐渐走近大众视野，越来越多人开始畅想上太空的可能。

近期，演员黄景瑜官宣成为009号太空游客。他将乘坐“穿越者壹号(CYZ1)”飞船——预计2028年载人首飞，300万一张的船票已开启预售，目前已有十余位各领域人士签约锁定名额。

当太空不再是宇航员的专属领域，太空环境对人体的健康影响，也愈发受到大众和科研界的关注。事实上，宇航员在太空执行任务时，常常出现免疫功能障碍等问题，这一现象背后的深层原因，科研界早已展开探索。

近期，德国萨尔兰大学团队的研究显示：太空飞行会广泛改变体内miRNA分子的表达——这种类似基因“调控开关”的分子，其变化具有器官特异性，且与人体自然衰老的分子特征高度契合，为太空环境与人体衰老的关联提供了重要线索。

而此前一篇由加州大学、斯坦福大学等机构发表的研究则给出了更直接、更具体的结论：太空飞行会加速人类造血干细胞和组细胞（HSPC）衰老[1]。这或许能为“宇航员在太空飞行中会出现免疫功能障碍”的相关报道带来一些重要的解释[2,3]。

造血干细胞和祖细胞（HSPC）是人体的造血工厂，在一生中为机体生产着各种血细胞（如红细胞、白细胞等），是血液系统形成和稳定的核心。

此外，它们还在免疫系统健康、组织再生和修复中均扮演着关键的角色。

图注：造血干细胞在骨髓中分化成不同类型的血细胞

鉴于近地轨道（微重力、辐射和密闭特征）环境能让宇航员们面临免疫失调、心血管功能受损[4]的健康威胁。

研究人员猜想，在微观的细胞层面，作为“血液和免疫根源”的HSPC，情况可能同样不容乐观

为了开展研究，他们开发了一种既能模拟骨髓微环境供HSPC生长、还能实时监测其动态的装置——3D纳米生物反应器。随后，将其与装载的人类HSPC一起送往了国际空间站，正式开启了为期1个月的太空之行。（PS：一部分HSPC留在地球作为对照）

图注：3D生物传感纳米生物反应器系统

不知道大家还记不记得2015-2016年展开的同卵双胞胎实验，尽管弟弟斯科特·凯利在太空遵循了严格的健康方案，但与在地球上随心所欲的哥哥相比，他的机体依旧出现了大量的DNA损伤，免疫和循环系统也都受到了影响。

那么，这些被送往空间站的HSPC细胞们，又会是怎样的命运呢？

图注：双胞胎宇航员兄弟斯科特·凯利和马克·凯利

只听传来一声感慨：果然！美妙的太空旅行，从细胞开始就要付出青春的代价：

• 细胞健康受损

研究发现，太空环境会加快HSPC的细胞分裂，同时让它们的休眠能力变低。

图注：与配对的地面对照组相比，太空中的HSPC表现出了加速的细胞周期转换

在正常情况下，HSPC多数时间处于休眠状态，以维持干细胞的长期功能，而只有一小部分会进入分裂，以应对身体所需。

这一变化表明，太空环境容易让HSPC从“长期耐力模式”切换到“短期冲刺模式”。这样的后果是，HSPC可能出现更快地耗竭、以及功能的更早退化。

• 衰老特征提前显现

很快，这就得到了进一步的验证。

研究发现，经历太空飞行的HSPC不仅表现出了功能上的衰退（如克隆存活能力下降、自我更新能力减慢），许多衰老特征也都提前跑了出来，比如端粒缩短、线粒体应激、炎症信号失调等，这些可都是衰老时经常出现的分子与功能性标志。

图注：如与配对的地面对照组相比，太空中的HSPC表现出了端粒长度的减少及端粒维持基因表达的降低

• 基因突变增加

还有一个显著的变化是HSPC出现的更多的DNA突变，尤其是单碱基胞嘧啶（C）向胸腺嘧啶（T）的突变。这种突变模式通常是DNA损伤的重要标志之一。

图注：太空中HSPC表现出了更多的C-T突变

这些突变让人联想到了克隆性造血。克隆性造血，即突变造血干细胞增殖形成了大量相同突变的血细胞克隆，这是晚年急性髓系白血病和心血管疾病的潜在威胁。

研究人员推测，HSPC这些突变可能部分得归因于太空中更强的电离辐射，因为太空辐射的威力约是地面辐射暴露的5倍！

图注：与克隆造血相关的疾病[5]

除了上述变化，HSPC的关键脱氨酶（一类能改变DNA或RNA序列的酶），及其基因组中重复元件的调控均存在失调的情况，这些均加速HSPC的损伤和老化。（PS：重复元件指基因组中重复出现的、通常不编码蛋白的DNA序列）

图注：太空飞行后APOBEC3A和APOBEC3C的表达上调，可能加剧细胞基因组不稳定性

由此可见，太空飞行可能加速HSPC的衰老并增加衰老相关疾病的风险。这为宇航员们的部分健康问题提供重要的线索。

看到这里，不知道大家有没有在思考这个问题：这类太空研究对只能遥望星空的我们，有啥意义呢？还真有！

多项研究表明，太空环境使宇航员身体发生的一系列变化，如心血管功能退化、骨骼肌萎缩和免疫功能障碍等与地球衰老导致的症状十分相似，包括此次的HSPC。

图注：如果把衰老比作生锈的过程，太空环境就像潮湿的盐碱地，能加速生锈的速度……

在太空环境下，这些变化可能在短时间内就会显现。这意味着人们能更快地观察到衰老的迹象并找到其潜在的机制。

换句话说，具有微重力、宇宙辐射、封闭环境等多重应激条件的太空环境，是一种非常理想的“加速衰老”实验场，能为衰老机制研究按下“快进键”。

这联系到药物研发，好处可就多了：

新药研发动辄需要十几年，跟踪效果往往是其中的关键限速步骤。太空环境的“加速衰老”属性也可为更快测试药物的有效性提供可能；

再比如，基于某种在太空环境下发现的、与肌肉萎缩有关的蛋白质而研发的药物，除了能帮助宇航员在太空保持肌肉健康外，也有望用于治疗地球上老年人的肌肉衰减症；

此外，多数药物通过与体内某个蛋白质结合来起作用，相应地，药物研发会经历蛋白提纯、蛋白结晶、解析结构、药物设计的步骤。

人们发现，太空微重力环境下生长的蛋白晶体往往更均匀、更大。目前在太空培养蛋白晶体，已成为制药公司研发药物的一个重要方向。

图注：宇航员与太空蛋白质结晶研究设施合影（左）；在空间站中形成的蛋白质晶体[6]，像不像一颗颗无暇的钻石？（右）

当下，科研人员还在利用外太空的微重力来培养更加逼真的3D组织（如软骨组织[7]）和三维肿瘤球体[8]等，这些更能模拟人体真实环境的生物工程模型，将为深入探究疾病机制和开发新药提供了更多的可能性。

参考文献