一项新研究发现,太空旅行会显著加速人类造血干细胞的衰老过程。加州大学圣地亚哥分校与美国国家航空航天局合作的研究人员发现,即使是在近地轨道上的短期任务,也会导致与地球衰老相似的细胞变化,这引发了对未来长途太空探索中宇航员健康的新问题。
主要发现
- 发表在《细胞干细胞》杂志上的新研究证实,太空旅行会导致人类造血干细胞(HSCs)提前衰老。
- 仅在轨道上一个月后,干细胞就显示出DNA损伤、功能下降和过度活跃的迹象,这些都是细胞衰老的特征。
- 这些发现对于为前往月球、火星及更远的长期任务的宇航员开发保护措施至关重要。
- 该研究还为理解地球上的衰老和癌症等年龄相关疾病提供了一个独特的模型。
太空旅行的细胞压力
人类造血干细胞(HSCs)负责产生体内所有的血液和免疫细胞。这些细胞通常处于静息状态,仅在需要应对损伤或感染时激活。这种谨慎的管理确保它们可以终生发挥作用。
然而,太空的极端环境破坏了这种平衡。加州大学圣地亚哥分校桑福德干细胞研究所领导的一项研究检查了近地轨道对这些关键细胞的影响。该研究作为集成空间干细胞轨道研究中心(ISSCOR)的一部分进行,该中心与美国国家航空航天局和Space Tango合作。
该研究利用了四次单独的太空探索技术公司(SpaceX)对国际空间站(ISS)的商业补给服务任务。在这些任务中,人类干细胞在一个特殊环境中被监测,以观察它们如何对太空飞行做出反应。
基于先前研究的扩展
这项工作扩展了早期发现,例如美国国家航空航天局的双胞胎研究,该研究发现宇航员在太空停留近一年后端粒长度和染色体不稳定性发生变化。新研究提供了更详细、机制性的视角,展示了太空飞行如何直接影响血液和免疫系统的基本组成部分。
轨道上的高级监测
为了在太空中研究细胞,科学家开发了复杂的骨髓微环境纳米生物反应器。这些设备模拟人类骨髓的环境,使干细胞能够像在体内一样生长和行为。纳米生物反应器被安置在国际空间站上由人工智能驱动的CubeLabs中。
这些自动化系统使用人工智能和先进摄像机实时跟踪细胞。该技术使研究人员能够观察细胞行为和变化,为微重力下的干细胞生物学提供了前所未有的视角。
检测到的早衰迹象
返回地球后,干细胞表现出加速衰老的明显证据。在持续32至45天的任务后,这些效应变得明显。细胞显示出生成功能下降,产生新的健康血细胞的能力减弱,并且更容易受到DNA损伤。
观察到的关键细胞变化:
- 过度活跃: 干细胞失去了保持静息状态的能力,过快地消耗能量储备。
- DNA损伤: 观察到端粒(染色体末端的保护帽)处DNA断裂和磨损增加。
- 线粒体压力: 细胞的“动力工厂”线粒体显示出压力迹象,扰乱正常细胞功能。
- 基因组不稳定性: 通常不活跃的基因组部分被激活,可能导致细胞不稳定。
桑福德干细胞研究所主任、加州大学圣地亚哥分校医学院教授卡特里奥娜·贾米森将太空描述为“对人体的终极压力测试”。
“理解这些变化不仅有助于我们保护宇航员在长期任务期间的健康,还有助于我们在地球上模拟人类衰老和癌症等疾病。随着我们进入近地轨道商业太空旅行和研究的新时代,这是必不可少的知识。”
宇宙辐射的作用
这种细胞衰老的主要驱动因素之一似乎是宇宙辐射引起的基因毒性应激。太空环境使宇航员和生物样本暴露于比地球更高的辐射水平,地球的磁场提供保护。
在为期一个月的任务中,美国国家航空航天局记录的辐射水平在7.6至10.7毫戈瑞(mGy) 之间。根据该研究,这种剂量大致相当于一个人从标准医疗CT或X光扫描中接收的剂量。虽然剂量看似较低,但与微重力等其他太空飞行压力因素的持续暴露结合,可能会导致显著的细胞损伤。
这些发现表明,太空的综合环境压力为加速干细胞的生物钟创造了“完美风暴”。这可能随时间推移削弱宇航员的免疫系统,或增加他们患疾病的风险。
恢复与未来保护的希望
尽管发现令人担忧,但研究也提供了积极的见解。当暴露于太空的干细胞被送回地球上的健康、受控环境时,部分损伤开始逆转。这表明衰老效应可能不是永久性的,干预措施可能有助于细胞恢复。
这一发现凸显了迫切需要制定策略来保护干细胞免受太空的恶劣环境。它还强调了识别生物标志物的重要性,这些标志物可以在不可逆损伤发生前作为应激诱导衰老的早期预警。
太空健康研究的下一步
研究团队已经基于他们在国际空间站的17次任务计划了未来研究。下一阶段将涉及在任务期间实时跟踪宇航员的分子变化。目标是开发和测试对抗措施,例如药物或基因工具,以保护人类健康免受太空独特压力的影响。
随着人类为前往月球和火星的延长任务做准备,确保宇航员的长期健康仍然是首要任务。这项研究为开发使深空旅行更安全所需的技术和医疗协议提供了关键基础。
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