Cell子刊:探究太空飛行對人iPS細胞衍生性心肌細胞結構和功能的影響

2020-11-30 生物谷

2019年11月12日訊/

生物谷

BIOON/---當太空人進入太空中的微重力環境時，他們會在身體的許多部位經歷一系列生理變化。在一項新的研究中，由美國史丹福大學醫學院斯坦福心血管研究所主任Joseph Wu領導的一組研究人員近期將由人誘導性多能

幹細胞

（iPS細胞，也稱為

ips

C）產生的心肌細胞與太空人一起送往國際空間站（International Space Station, ISS），以研究這些細胞發生的變化。通過RNA測序，他們發現這些細胞中許多基因的表達不同於未進入太空中的細胞，包括線粒體代謝基因。相關研究結果於2019年11月7日在線發表在Stem Cell Reports期刊上，論文標題為「Effects of Spaceflight on Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocyte Structure and Function」。

圖片來自Stem Cell Reports, 2019, doi:10.1016/j.stemcr.2019.10.006。

這些作者在這項研究中報導，在先前的血細胞微重力研究中也發現了在微重力下心臟細胞中的線粒體代謝基因活性增加了，這表明對太空飛行的某些細胞反應可以在多種類型的細胞中發生。Wu告訴《科學家》雜誌，這種上調可能與細胞嘗試減輕與心血管疾病有關的線粒體功能障礙有關，要知道太空人具有增加的罹患心血管疾病的風險，但是有必要開展進一步的研究來理解他的這項最新實驗的結果。

這項研究是了解太空人經歷的心臟變化的

遺傳

基礎的起點。Wu實驗室的研究生Alexa Wnorowski告訴《科學家》雜誌，「太空飛行時，心血管系統發生的最大變化之一就是血液的重新分布，這是因為沒有重力將血液吸引到你的腳上。」她說，心臟不必竭盡全力向全身泵送血液，這可能導致心肌萎縮。另外，心臟會改變形狀。Wnorowski說，「在長時間處於微重力下，它變得更圓。」其中的原因尚不清楚，但這可能是由於缺乏通常將心臟向下拉的重力。

這些研究人員想要利用心臟細胞研究微重力的影響，不過Wnorowski說，「從人體內獲取心肌細胞真的很困難」。獲取心肌細胞的唯一選擇是從心力衰竭患者的手術切除心臟或活組織中獲得。相反，他們從三名健康人那裡收集了外周血單核細胞，誘導這些細胞成為iPS細胞，然後將這些iPS細胞轉變為心肌細胞。這些源自

ips

細胞的心肌細胞於2016年7月被送往國際空間站，在那裡，由病毒學家轉變為太空人的Kate Rubins和其他太空人將這些細胞培養物維持了5.5周，然後才將它們送回地球。

一旦這些細胞落在地面上，Wu的團隊便對它們進行了分析，以確定發生了什麼變化。儘管這些研究人員沒有觀察到收縮性肌肉蛋白豐度或心肌細胞形狀發生顯著差異，但是他們確實發現了2635個基因差異性地表達。一些基因上調表達，而另一些基因下調表達。

最大的一類活性較高的基因與線粒體功能有關，而且這種基因表達的增加在著陸後至少持續了10天。這些研究人員還發現了鈣循環利用和肌絲基因表達發生變化。他們在論文中寫道，這些變化的影響尚不清楚，但是這些研究結果「表明即使在細胞水平上，人心肌細胞也能對表觀重力（

app

arent gravity）的變化做出功能性反應。」

在未來，Wu實驗室計劃將具有多種細胞類型的

幹細胞

衍生性三維心臟組織結構發送到太空。 Wu告訴《科學家》雜誌，今天發表的這項研究「在試圖了解微重力太空旅行的生物學方面，尤其是在心臟系統中，只是邁出了嬰兒般的一小步。」他說，「我們才剛剛進入太空前沿研究的起點，希望這種類型的研究能夠激發其他人思考更多的研究。」

美國宇航局（NASA）艾姆斯研究中心高級科學家Eduardo Almeida（未參與這項新的研究）告訴《科學家》雜誌，「鑑於太空飛行對針對整個有機體（比如嚙齒類動物）的生物學實驗提出了巨大的後勤挑戰，因此我們有必要開發出更高保真度和吞吐量的人體細胞和組織模型來研究太空飛行因素。Wu開展的這項研究在這一領域取得了突破，它不僅展示了在國際空間站上進行這些下一代

細胞生物學

研究的可行性，還報導了缺乏重力如何改變心肌細胞功能關鍵方面的新發現。」

美國埃默裡大學醫學院心肌細胞研究員Chunhui Xu（未參與這項新的研究）告訴《科學家》雜誌，這項研究的發現可能對產生更真實的心肌細胞有益。「鑑於源自人iPS細胞的心肌細胞通常是胎兒樣細胞（fetal-like cell），它們的線粒體功能要比成年細胞低，因此知道如何增加源自人

ips

細胞的心肌細胞中的線粒體功能可能會導致成年樣心臟細胞（adult-like heart cell）的產生。」（生物谷 Bioon.com）

參考資料：1.Alexa Wnorowski et al. Effects of spaceflight on human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocyte structure and function. Stem Cell Reports, 2019, doi:10.1016/j.stemcr.2019.10.006.

2.Spaceflight Alters Genes of Human Stem Cell–Derived Heart Cells
https://www.the-scientist.com/news-opinion/spaceflight-alters-genes-of-human-stem-cellderived-heart-cells-66693

相關焦點

  • 探究太空飛行對人iPS細胞衍生性心肌細胞結構和功能的影響
    這些研究人員想要利用心臟細胞研究微重力的影響，不過Wnorowski說，「從人體內獲取心肌細胞真的很困難」。獲取心肌細胞的唯一選擇是從心力衰竭患者的手術切除心臟或活組織中獲得。相反，他們從三名健康人那裡收集了外周血單核細胞，誘導這些細胞成為iPS細胞，然後將這些iPS細胞轉變為心肌細胞。
  • 30篇Cell和Cell子刊論文探究長期太空飛行對健康的影響
    這一系列研究包括一篇涵蓋了對太空飛行基本特徵的了解的論文，代表了迄今為止產生的最大的一組關於太空生物學和太空人健康影響的數據。對於Bailey來說，這也是一個裡程碑，標誌著她多年來與NASA的合作，其中包括她在基礎輻射研究中的領導作用，以及被選為NASA雙胞胎研究和同時涉及太空人的研究項目的研究員的榮譽。在此期間，她實驗室的幾名研究生在她的指導下獲得了博士學位。
  • Cell Stem Cell:挑戰常規!原本認為在構建iPS細胞中至關重要的Oct4...
    這種方法依賴於所謂的山中因子（Yamanaka factor）---四種轉錄因子：Oct4、Sox2、Klf4和cMyc（統稱為OSKM）---的過度表達。儘管這種技術可靠地產生了iPS細胞（下稱OSKM ips細胞），但是它可能導致意想不到的影響，其中的一些影響會導致細胞癌變。因此，人們努力調整這種配方並理解每種山中因子的功能。
  • Cell:重大進展!構建出「培養皿冬眠」細胞模型
    2018年5月9日/生物谷BIOON/---在冬眠期間，十三條紋地松鼠（13-lined ground squirrel）耐受接近冰點的溫度，顯著地減慢它的心率和呼吸。這種地松鼠的組織如何適應寒冷和代謝壓力一直困擾著科學家們。已知易受寒冷影響的細胞中的結構是微管細胞骨架。
  • Cell|巨噬細胞通過吞噬作用「全心呵護」心肌細胞線粒體穩態
    心肌細胞體積大，細胞器佔據了一大部分細胞體積，包括線粒體和肌原纖維節，以應對高強度的機械和代謝需求。這些需求對心肌細胞極具挑戰性。目前尚不清楚壽命長而且很少更新的心肌細胞如何維持自我穩態。檢測發現，在心臟處於穩態狀態下，cMacs細胞能夠吞噬循環細胞、心肌細胞來源的紅色螢光蛋白，內皮細胞來源的數量相對少一些。檢測CardRED小鼠心肌細胞來源的物質，發現大量的亞細胞結構（11.5 ± 1.3 /100 mm2）。
  • 太空飛行是否會影響健康?NASA在《細胞》發表最新發現
    為了系統全面的揭示太空飛行對人的生理造成的影響，美國宇航局（NASA）開展了一系列多組學研究，包括了4 個人類細胞模型, 11個小鼠組織，2個人類組織, 2小鼠品系(C57BL/6和BALB/c), 從2006年到2017年太空任務收集的太空人血液和尿液, 以及之前美國宇航局的雙胞胎研究（Twin Study）[1]。
  • iPS細胞可高效安全製作心肌細胞
    京都大學教授中辻憲夫率領的研究小組說，整個過程成本與之前iPS細胞轉化方法相比大幅降低，因此這一技術將使iPS細胞的實用化向前邁出一大步。 據介紹，研究小組首先從能夠促使iPS細胞分化為心肌細胞的約1萬種化合物中，遴選出一種促分化效果較好的化合物，在此基礎上開發出新的名為「KY02111」的化合物。
  • 「寧波市民科普課堂」太空飛行會改變人類心臟細胞
    據英國《新科學家》網站近日報導，美國科學家進行的一項新研究稱，太空飛行會改變人類的心臟細胞，但回到地球後，大部分心臟細胞會恢復正常，這些發現有望幫助理解太空人的心臟為何會變化以及如何預防這種情況的發生。以往研究發現，太空飛行會降低太空人的心率和血壓，並增加心臟泵出的血量，但相關研究都在動物或整個人體組織或器官上進行。
  • 來源於人類胚胎幹細胞的心外膜細胞增強心肌細胞驅動的心臟再生
    來源於人類胚胎幹細胞的心外膜細胞增強心肌細胞驅動的心臟再生 作者：小柯機器人 發布時間：2019/8/5 21:02:28 英國劍橋大學Sanjay Sinha和美國華盛頓大學Charles
  • 果蠅揭示太空飛行對心臟的影響
    當地時間11月25日，來自美國桑福德伯納姆普雷比斯醫學發現研究所的科學家們在《細胞報告》雜誌中發表論文稱，果蠅的心臟在經歷長時間的太空飛行後，其結構和生化指標會產生深遠變化，而太空人很可能也會遭受類似影響。
  • 日科學家發現萬能細胞(ips細胞)源頭
    據《日刊工業新聞》2011年5月31日報導，日本東北大學出澤真理教授與京都大學藤吉好則教授領導的研究小組在人體皮膚成纖維細胞中發現了萬能細胞（ips細胞）的源頭，可能推翻之前的ips細胞「細胞初始化」學說。
  • J Cell Mol Med:發現心肌細胞或可改變羊水幹細胞的行為
    近日來自美國萊斯大學以及德克薩斯兒童醫院的研究者通過研究揭示了，來自羊水中的幹細胞可以和成熟的心臟細胞「聯絡」，並且可以彼此形成電偶聯，類似於在心臟組織中發現的電子偶聯一樣，但僅僅的電子聯絡並不能夠促使羊膜細胞轉變成為心肌細胞。相關研究刊登於國際雜誌Journal of Cellular and Molecular Medicine上。
  • iPS心肌細胞膜片移植成功
    日本大阪大學研究生院醫學系研究科心血管外科澤芳樹教授等人組成的研究小組，於2020年1月為第一位受試者移植了用iPS（誘導多能幹細胞）培育出的心肌細胞膜片。　　研究小組通過醫用iPS細胞改良了用於誘導心肌細胞分化的試劑和製造方法，培養出大量可移植到人體的高度安全的心肌細胞，並成功實現了膜片化。
  • 誘導性多能幹細胞最新研究進展(第3期)
    這些ips細胞在形態、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等都與胚胎幹細胞極為相似。衍生心肌細胞(hipsC-CMs)中缺陷的問題。在本研究中，MMRI科學家確定了hipsC-CMs通過兩種不同類型的K+通道的激活劑--瞬時向外K+電流(Ito)和快速延遲整流K+電流(IKr)--刺激是否可以改善復極化儲備，產生功能更成熟的心臟細胞。這些實驗集中在電生理學領域，即研究生物細胞和組織的電特性。結果表明，在hiPSC-CMs中，激活物僅能增強IKr電流，而不能增強Ito電流。
  • 微重力胚胎幹細胞定向分化一大步 太空移民一小步
    因此，為了人類向外星球遷移和生存做基礎性探索，了解不同性別的生命體在太空環境中的差異，研究並發現太空環境中生殖系統的潛在危害因素，就顯得尤為重要。當各種生命體離開地球環境進入太空後，他們的形態、結構、代謝、遺傳特性等都會受到不同程度的影響。
  • Cell:深入認識誘導性多能幹細胞產生過程
    圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2017.01.0042017年2月5日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國加州大學洛杉磯分校伊萊和伊迪特-布羅德再生醫學與幹細胞研究中心的研究人員證實特定蛋白如何能夠改變皮膚細胞的身份或者說細胞特徵
  • Cell Stem Cell:利用CRISPR修飾表觀基因組產生誘導性多能幹細胞
    2018年1月31日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國史丹福大學、格拉斯通研究所和中國清華大學的研究人員報導，一種能夠激活而不是切割DNA的CRISPR形式能夠將胚胎小鼠細胞轉化為誘導性多能幹細胞（induced pluripotent stem cell, ipsC）。
  • 太空飛行會對心臟產生什麼樣的重要影響?
    當地時間11月25日，來自美國桑福德·伯納姆·普雷比斯醫學發現研究所的科學家們在《細胞報告》雜誌中發表論文稱，果蠅的心臟在經歷長時間的太空飛行後，其結構和生化指標會產生深遠變化，而太空人很可能也會遭受類似影響。　　這項研究不僅能使太空人受益，還可能有助於開發保護心臟健康的醫療措施，幫助長期臥床休息或患有心臟病的地球居民。
  • Cell:首次觀察細胞內的蛋白複合體結構和功能
    2017年2月5日/生物谷BIOON/---當前，研究蛋白納米機器功能的生物學家從細胞中分離出這些複合體，然後利用體外技術在原子水平上觀察它們的結構。或者，他們採用允許在活細胞內對這些複合體進行分析的技術，但是這很少會提供結構信息。
  • 新技術:日本團隊用iPS細胞再生心肌
    心肌細胞對心臟跳動能力有關，然而，當出現心肌梗塞的時候，很難再出現新的健康心肌，心臟只會形成疤痕，所以心肌一旦受損，後果會很嚴重。