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洛杉矶西达赛奈医学中心（Cedars-Sinai Medical Center）与美国休斯敦Axiom Space公司合作，将于2023年5月上旬，再次将干细胞送上太空。在西达赛奈医学中心的再生医学与干细胞研究所，研究人员希望通过太空科研项目探索当重力不再拉扯干细胞时，干细胞是否生长得更快、基因变化更少并更长久地保持在“多能”状态。
Ax-2任务将向太空发射干细胞
并执行首次太空干细胞量产实验
将在太空开展此项干细胞实验的Ax-2任务机组人员搭乘SpaceX猎鹰9号火箭与龙飞船，从肯尼迪太空新39A发射场起飞前往国际空间站。届时，机组人员将在国际空间站停留10天，与国际空间站机组人员和地面飞行控制员协调参与在轨活动[1]。
Ax-2任务机组人员将执行首次在微重力条件下进行的“Ax-2太空干细胞科研任务”，任务包括“量产”诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)的太空实验，并探索在太空中的微重力条件是否能让“量产”干细胞变得更容易与更高效。同时，他们也将在太空飞行过程中研究干细胞的分裂和改变DNA的能力。
“Ax-2太空干细胞科研任务”是由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）拨款资助的一系列太空任务中的首要任务，参与地面任务的干细胞科研人员，来自西达赛奈医学中心再生医学与干细胞研究团队。
西达赛奈医学中心再生医学研究所执行主任兼生物医学教授Clive Svendsen博士以及Smidt心脏研究所的干细胞生物学家Arun Sharma教授是“Ax-2太空干细胞科研任务”的联合首席研究员。此外，Dhruv Sareen博士提前带领了团队，在西达赛奈医学中心自主建设和运营的生物制造中心提前培养了临床级别的干细胞。博士后科学家Maedeh Mozne和研究助理Madelyn Arzt则将提前一周到达肯尼迪航天中心现场，完成干细胞的准备工作并将其妥善装载到“龙飞船”上。此次太空实验任务将持续约一周，同时也将为未来几个月更长的太空任务做好准备。
为何要在太空进行干细胞量产实验？
自2015年起，美国国家航空航天局（NASA）就首次将干细胞送上太空，并进行了培育与研究。干细胞也开始了它在新领域中一展拳脚的机会。干细胞是人体内未充分分化的“原始细胞”，故能分化“再生”出各种组织器官。如果能利用干细胞定向分化成为特定类型细胞，就可以替代原本失去功能的病变细胞，或在实验室中生成心脏、肝脏、肾脏等人体器官，或可解决移植器官紧缺的状况，将会给癌症、糖尿病、帕金森综合征、心脑血管病、下肢缺血性疾病等顽症带来治愈的希望。而诱导多能干细胞（iPSCs）是从成年细胞重新编程，回到强大的“多能”状态。在这种状态下，细胞几乎可以通过诱导分化，变成人体中的任何细胞类型。iPSCs可以用来开发成疾病模型，这些疾病模型在定义疾病病理学机制方面极具价值，并且在治疗靶点鉴定和药物开发方面发挥了重要作用。
图片来源：西达赛奈医学中心
然而，地球重力限制iPSCs的大规模扩增，因此难以满足每个病人需要超过10亿个iPSCs的数量。此前，西达赛奈医学中心的干细胞科学家发现，微重力有可能通过促进干细胞的快速大规模生产，或可为挽救生命做出贡献[2]。说直白一些，就是干细胞转变为其他细胞类型的能力，会被“微重力”加持，从而产生地球上无法给予的神奇能力。
Clive Svendsen博士说：“在地球上生产iPSCs，重力会不断将这些多能干细胞拉向地面，给它们施加压力，并提供刺激，这使得细胞难以大量增殖和生长。我们想知道，如果把这些细胞放在太空中，iPSCs处于微重力或零重力的状态时，是否会生长得更快、基因变化更少并更多地保持在多能状态？对于已分化为疾病模型的iPSCs，在微重力的环境下是否会更好？这些都是我们通过Ax-2太空干细胞科研任务想要探索得知的，我很期待即将揭晓的答案。”
图片来源：西达赛奈医学中心
“人类使用iPSCs进行治疗的一个主要挑战，是需要以非常高的质量制造足够数量的iPSCs。我们希望能够大规模生产数十亿计数的iPSCs，以便将其用于多个不同的科研实践研究中，包括筛选可能改善心脏功能的新药等。尽管在过去几年里我们在iPSCs生产方面已经做得越来越好，但在解决产量方面仍有一定的阻碍，我们认为微重力可能能够克服其中一些局限性。”Arun Sharma教授则表示。
此外，Ax-2机组人员还将观察微重力与太空辐射是否会在干细胞分化发育，比如脑细胞、心脏细胞等细胞类型的过程中产生影响，以及干细胞在太空飞行期间分裂与吸收DNA的能力。
太空＆未来
航天医学研究的新机遇
Arun Sharma教授表示：“在过去的20年里，已经显著进步的再生医学与太空技术，为人类科研进入太空以及太空商业化创造了新的机遇。我们发现，航天与微重力环境非常适合大量制造干细胞和其它生物产品，这是在地球上没办法做到的。”
2021年12月30日，由西达赛奈医学中心再生医学团队主持且发表在同行评议的期刊《Stem Cell Reports》上的题为“Biomanufacturing in low Earth orbit for regenerative medicine”的研究论文[3,4]，就重点提到了学者们在2020年在太空生物制造研讨会期间，关于扩大太空中干细胞制造的潜在关键机遇。与会者研讨了50多个在太空进行生物制造工作的潜在商业机遇。其中最具希望的分成三类：疾病建模、生物制造和干细胞衍生产品。Arun Sharma教授是该篇论文的通讯作者。
疾病建模：
举个例子，西达赛奈医学中心科学研究团队发现，一旦身体长时间暴露在类似于太空的微重力的条件下，会加速骨质流失和衰老。在太空干细胞实验中，建立基于这一种加速衰老过程的疾病模型，或能让研究者更好地理解疾病进展的机制和衰老过程。Arun Sharma教授表示：“这不仅仅可以帮助宇航员，并且还能帮助干细胞科学家更好地研究地表上生活的人们所经历的骨质疏松症和其他形式的加速骨骼老化和肌肉萎缩等疾病。”
生物制造：
利用生物制造过程来生产组织和器官等材料，其核心技术之一便是3D生物打印技术。在地球上制造这些材料，会受重力诱导的密度影响，且在重力影响下，细胞很难扩增和生长。而太空中进行生产，将可避免。研究者们希望探索通过太空3D打印，以一种在地球上无法复制的方式，制造出独特的生物产品，如类器官或心脏组织。
干细胞衍生产品：
这与干细胞的生成和理解微重力如何影响干细胞的一些基本特性有关。例如干细胞在太空中是否会发挥不同的潜能或细胞的自我更新能力，或者干细胞在微重力的状态下，转变为其他细胞类型的能力是否有所不同等。Arun Sharma教授此前曾将干细胞衍生的心脏细胞送上国际空间站，以研究太空飞行与微重力的影响，并从细胞层面了解了低重力对心脏的影响。研究小组发现，与地球上的相比，国际空间站的干细胞表现出了不同的基因表达模式，并导致了细胞处理钙的方式发生改变，而钙在心脏细胞跳动中起着重要作用。
Arun Sharma教授表示：“虽然我们现在仍处于太空医学研究的探索性阶段，但是太空医学已不再是只能在科幻小说中看到的情节，它真真切切在发生着。在未来五年，细胞或组织将以在地球上难以实现的方式，在太空中完成制造。这将是让人振奋的进步。”
西达赛奈医学中心学术事务部副院长Shlomo Melmed教授表示：“干细胞与再生医学潜力巨大，它是超越地面的科学。太空干细胞实验是大胆的、极具前瞻性的探索，将大力推进未来医学的发展。我们很高兴能参与到太空科学探索，并希望能继续推动临床治疗前沿的发展。”
感谢清华大学纪家葵教授对本文的审阅和建议
1.Mission Ax-2 Set to Launch Stem Cells to Space .www.cedars-sinai.org
2. Manufacturing Stem Cells in Space .www.cedars-sinai.org
3. Leveraging Space to Advance Stem Cell Science and Medicine .www.cedars-sinai.org
4. etc，Arun Sharma，Rachel A. Clemens.Biomanufacturing in low Earth orbit for regenerative medicine. Stem Cell Reports, 2021; DOI: 10.1016/j.stemcr.2021.12.001
5.Sending Stem Cells Into Space to Develop Medicine of Tomorrow .www.cedars-sinai.org