微重力已知会改变肌肉、骨骼、免疫系统和认知功能，但其对大脑的具体影响尚不清楚。为了了解脑细胞如何响应微重力，Scripps Research 的科学家与纽约干细胞基金会合作，将由干细胞衍生的脑细胞“类器官”送到了国际空间站（ISS）。
令人惊讶的是，这些类器官在轨道上一个月后返回地球时仍然健康，但细胞的成熟速度比地球上相同条件下培养的类器官更快——它们更接近成为成年神经元，并开始显示出专业化的迹象。这一结果可能有助于揭示太空旅行的潜在神经学效应，已于2024年10月23日发表在《Stem Cells Translational Medicine》杂志上。
“这些细胞能在太空中存活真是个大惊喜。这为未来的太空实验奠定了基础，我们可以在其中加入受神经退行性疾病影响的大脑其他部分。”Scripps Research 的分子医学系荣休教授兼再生医学中心创始主任 Jeanne Loring 博士表示。
在地球上，研究团队使用干细胞创建了由皮质或多巴胺能神经元组成的类器官，这些神经元群体分别受到多发性硬化症和帕金森病的影响——这是 Loring 多年来研究的疾病。一些类器官还包括小胶质细胞，这是一种存在于大脑内的免疫细胞，用于研究微重力对炎症的影响。
通常，类器官是在富含营养的液体介质中生长的，这种介质需要定期更换以确保细胞有足够的营养，并去除废物。为了避免在国际空间站上进行实验室工作，研究团队开创了一种方法，即在低温管中培养比常规更小的类器官——这些小型密封试管最初是为深冻设计的。
类器官在肯尼迪航天中心的实验室中准备，并在微型孵化器中运送到国际空间站。经过一个月的轨道运行后，它们返回地球，研究团队发现它们依然健康且完好无损。
为了研究太空环境如何影响细胞功能，研究团队比较了细胞的RNA表达模式——基因活性的测量指标——与留在地球上的相同“地面对照”类器官。令人惊讶的是，他们发现微重力下培养的类器官中与成熟相关的基因水平较高，而与增殖相关的基因水平较低，这意味着暴露于微重力的细胞发育得更快，复制得更少。
“我们发现，在两种类型的类器官中，基因表达谱特征都比地面上的样本更接近于较老的发展阶段，”Loring 说。“在微重力下，它们发育得更快，但重要的是要知道这些并不是成年神经元，因此这并不能告诉我们关于衰老的任何信息。”
研究团队还注意到，与他们的假设相反，微重力下培养的类器官炎症较少，应激相关基因的表达也较低，但需要更多的研究来确定原因。
Loring 推测，微重力条件可能更接近于细胞在大脑内经历的条件，而不是在常规实验室条件下和有重力存在的情况下培养的类器官。
“微重力的特性可能也在人们的大脑中起作用，因为微重力下没有对流——换句话说，事物不会移动，”Loring 说。“我认为在太空中，这些类器官更像是大脑，因为它们不会被大量的培养基或氧气冲洗。它们非常独立，形成了类似于‘小脑’的微宇宙。”
论文描述了研究团队的第一次太空任务，但自那以后，他们又向国际空间站发送了四次任务。每次任务中，他们都复制了第一次任务的条件，并增加了额外的实验。
“我们下一步计划研究受阿尔茨海默病影响最大的大脑部分，”Loring 说。“我们还想了解神经元在太空中的连接方式是否存在差异。这类研究无法依赖早期的工作来预测结果，因为没有早期的工作。可以说，我们正处于起步阶段；在天空中，但处于地面层。”
这项工作得到了国家干细胞基金会的资金支持。
除了 Loring，该研究的作者还包括 Scripps Research 的 Jason Stein；纽约干细胞基金会研究所的 Davide Marotta、Laraib Ijaz、Lilianne Barbar、Madhura Nijsure、Nicolette Pirjanian、Ilya Kruglikov、Scott A. Noggle 和 Valentina Fossati；Space Tango 的 Twyman Clements 和 Jana Stoudemire；以及国家干细胞基金会的 Paula Grisanti。
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