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太空轨道上的微型器官

来源:环球科学
(图片来源:美国国家航空航天局(NASA))

今年早些时候,一批科学实验从距离地球254英里的国际空间站(International Space Station,ISS)轨道返回地球。在一项研究中,宇航员在USB密钥大小的设备里对微型人体器官(例如心脏、肺和肾)进行实验,这听起来像科幻电影。这些实验有可能会促进我们对地球上疾病的认识。
这些“器官芯片”是生物工程改造的3-D装置,由含有不同类型人类细胞的微小腔室组成,这些腔室由微管道连接起来,模拟血液的液体可以在其中流过。细胞和组织能发育生长数周甚至数月,以支持活体人体组织,其反应方式与你自己身体组织的反应相同。
不久之前,我可能会问这个显而易见的问题:在太空中使用这些组织芯片,我们可以学到什么我们在地球上不能学到的东西?使用器官芯片在太空进行研究可能带来什么好处值得人们去投资?
简短的回答就是,研究能够回答我们已经提出以及尚未提出的紧迫问题,从而造福地球上的人类健康。我们需要做更多事情。
这些原因并不显而易见,但它们是值得注意的:太空里的研究是揭开地球上衰老和疾病之谜的一种方式。我们在寻求答案的问题不(只)是我们是否能住在火星上或者进一步探索太空,而是我们在自己星球上的生活状况。
(芯片上的心脏。图片来源:Kevin Parker 网络相簿)

为了理解太空研究的一些价值,我们可以从研究宇航员在过去几十年的经验中学到的东西开始。在离开我们星球的那几周里,他们的身体出现了与衰老相似的迹象;他们的骨骼变薄,肌肉恶化,免疫系统开始衰弱。不可思议的是,这些变化出现得非常快,当宇航员返回地球后,他们似乎很快就会逆转回原样。
这一发现令人着迷,但我们还能利用微重力来深入挖掘更多关于健康和疾病的认识,微重力是国际空间站所具有的独特环境,在那里地球引力的影响十分微小。用这些器官芯片——也被称为“组织芯片”——我们能够开始进行不可能在宇航员身上做的研究。这些芯片让我们能在微重力和高辐射的极端环境下操纵器官。
简单地说,我们正处在理解健康、疾病和衰老的精彩新篇章的风口浪尖。
然而,要想理解宇宙为什么是一个如此强大的研究环境,我们不仅仅要着眼于我们对健康的了解,还要关注我们如何做出这些发现。
迄今为止,我们在理解疾病方面取得的难以置信的进展,大多数是通过解锁健康等式的一半来实现的。疾病通常一半是由我们的基因,另一半由环境造成。也就是说,你可能会有一种让你更有可能患上家族遗传的某种癌症或者疾病的基因,但这不是故事的全部。我们所处的环境在决定我们健康方面起着等同的作用。
我们在很大程度上通过人类基因组计划解开了这个等式的遗传部分,人类基因组计划雄心勃勃并成功地绘制了整个人类基因组的图谱。这一项目通过操纵基因改变了我们对遗传学的理解,并且打开了理解基因如何预防或导致疾病的大门,我在美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)参与了该项目的部分研究。在遗传学研究中,我们可以仅仅删除单独的基因(科学家称为“敲除”基因)或者添加更多基因,来了解会发生什么并且研究单个基因在疾病中的作用。事实证明,实验室里对基因的这种彻底操纵对解开许多疾病谜团至关重要。
尽管我们可以显著地改变基因,但是我们直到现在还无法大幅度地操纵环境因素。没有比将器官送到太空更剧烈的环境改变,它们在那里会经历非常微小的重力、巨大的辐射和许多其他极端条件。这就像是按动了基因上的环境开关。
(芯片上的血脑屏障。图片来源:范德堡大学网络相簿)

将这些“器官芯片”送到太空也让我们能理解环境对更多人的作用——不只是对宇航员,他们因为是一流的身体样本而被选上。
那么,未来几年我们希望从这个新的研究章节中学到什么?
其中一项研究会观察微重力如何削弱免疫系统和宇航员抵抗感染的能力。在这个实验中,宇航员会测试微重力对肺和骨髓对细菌感染的免疫应答的影响。通过在芯片上使用连接的肺和骨髓,我们希望能更好地理解骨髓如何协调它的免疫应答,这会帮助我们理解免疫系统如何对地球上的细菌感染做出反应。
另一项研究希望能揭示被称为血脑屏障的墙,它是作为我们脑部和在体内循环的血液之间的一扇门。这一防御性的屏障阻止毒素和不需要的细胞进入我们脑部,但有时它也会失败——导致癌症和阿尔兹海默症等疾病。这项研究能够推动地球上的研究,让我们能更好地理解这些疾病,并研发出必须跨越血脑屏障的潜在治疗方法。
还有一项研究会探索太空飞行中出现的骨关节炎和骨质疏松,也许能促进新药的诞生,用以控制地球上人们的骨质流失。还有一项研究会探究我们的免疫系统如何在太空中更快速地“老化”和它背后的机理,从而理解为什么我们的免疫系统随着年龄的增长会产生变化。
总之,在外太空开展的研究有可能促进我们对疾病产生的基础理解,并且为未来有望出现的新疗法打开大门——就像我们在遗传学领域的进展那样。
人类长期以来一直仰望天空,梦想着远处的东西。现在,科学家们正看着同一片天空,希望了解地球上我们的病痛。

作者:Christopher P. Austin
翻译:史心悦
审校:郭晓
引进来源:科学美国人
引进链接:https://blogs.scientificamerican.com/observations/tiny-organs-in-orbit/

本文来自:环球科学
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