史丹福大學的研究團隊將一種特殊的「肌肉晶片系統」（muscle-on-chip system，利用膠原蛋白支架培養的三維人類肌肉細胞束）送往國際太空站，目的是研究太空人經常出現的肌肉萎縮問題。
他們的研究於8月13日發表在《幹細胞報告》（Stem Cell Reports）期刊上。研究發現，太空環境會激發人類肌肉中的某些過程，這些過程驚人地類似於我們熟知的老化現象。史丹福大學副教授黃（Ngan F. Huang）博士主導了這項研究，她表示：「我們發現微重力環境彷彿加速了老化的某些特徵。」
太空中的肌肉晶片系統
「我們的實驗室在再生醫學和組織工程領域擁有深厚的專業知識。我們獲得資助，在國際太空站（ISS）上進行組織工程實驗，這為我們開啟了這段探索之旅，我們也開始對微重力如何影響人體健康產生了好奇心。」黃博士表示。因此，她的團隊開始著手設計適用於太空站的研究設備。首要任務是構建肌肉晶片系統。
「我們對太空如何影響肌肉的認識大多來自於對太空人的研究，或是將老鼠等動物置於微重力環境中進行的研究」，黃博士說，「有時，我們也會在培養皿中進行細胞的體外培養——這是非常基礎的方法。不過現在，我們希望創建更具結構複雜性的模型。」她的團隊開發了一種肌肉晶片平台，將人類的肌管細胞（myotubes）——這些細胞在生物體內能夠組成細長的平行結構，最終轉化為肌肉纖維——培養在膠原蛋白支架上，其目標是讓這些樣本更加真實地模擬肌肉組織。
但這也帶來了挑戰：如何在ISS上保持它們能夠存活。「在地球上培養細胞時，我們只需將含有營養的培養基液體倒在細胞上即可」，黃博士解釋道，「但在太空中，由於缺乏重力，我們需要一個封閉、不漏液、密封性極好的容器。培養基液體會在容器內自由流動。」
該系統並利用一個可滲透的膜來維持氧氣和二氧化碳的水平。另外，更換培養基液體是一個涉及注射器和特製小端口的複雜過程，但所有這些精密設備的運作最終都是值得的。
肌肉萎縮與基因相關
黃博士的研究團隊配備了兩套肌肉晶片系統：一套部署於地面，另一套則設置於國際太空站（ISS）。研究的目的在於比對兩組樣本中基因表達的上調與下調情況。結果發現，在微重力環境下，許多與衰老相關的基因活性呈現上升狀態。
這一發現在分析細胞生長後取出的培養基時得到了進一步確認。黃博士表示：「我們的目標是，找出與微重力環境相關的由細胞所釋放的蛋白質。在這些蛋白質中，特別值得關注的是GDF15，因為它與多種疾病有關，尤其是線粒體功能障礙或細胞衰老。」
總體而言，國際太空站中的細胞狀態與肌肉流失症（sarcopenia）——一種與年齡相關的肌肉流失疾病——有著某些相似性。「雖然有相似之處，但差異也很大。我們之所以沒有將肌肉流失症作為研究的主要焦點，是因為我們清楚我們的肌肉晶片系統僅是一個模型，主要由肌肉細胞構成，並架設於支架上，缺乏血管或神經組織。因此，將其與臨床的真實肌肉樣本進行比較頗具挑戰，畢竟這不是同類事物的對比。」黃博士解釋說。
儘管存在這些挑戰，黃博士的團隊仍然利用他們在國際太空站上的肌肉晶片樣本，進行了用於概念驗證的藥物篩選測試。這些藥物包括了治療肌肉流失症等疾病的藥物。
太空藥物研究
「我們測試的一種藥物是IGF 1，這是一種生長因子蛋白，天然存在於人體的不同組織中，特別是肌肉。當身體受傷時，IGF 1會被激活，啟動肌肉的再生過程。另外，隨著肌肉老化，IGF 1的含量也會下降，」黃博士表示。第二種藥物是 15-PGDH-i，這是一種新型抑制劑，能夠阻止抑制肌肉再生過程的酶。這些藥物在國際太空站的微重力環境下針對「肌肉晶片」系統進行的測試顯示，它們能夠部份減輕與微重力相關的一些影響。
「這項研究的一個限制是，在國際太空站上，微重力環境還伴隨著其它因素，比如離子輻射，很難將這些因素分開考慮。」黃博士說。目前還不清楚國際太空站樣本中觀察到的效果是由於輻射、缺乏重力、兩者的結合，還是其它額外因素所致。
黃博士的團隊計劃在地球上模擬微重力條件進行類似的實驗。「利用我們最近獲得的專業設備，我們可以專門研究微重力的影響。」黃博士表示。這些實驗的目的是測試更多種藥物。
「進行這些藥物篩選的目的是為了研發可以預先或在飛行過程中服用的藥物，以此來抵抗肌肉萎縮。這種方法可能比實施人造重力方案更實際、更輕便、成本更低。」黃博士說。這些地面實驗中篩選出來的最有潛力的藥物將在2025年於國際太空站上的「肌肉晶片」系統中進行測試。#
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