研究重力对骨细胞影响的实验正在前往国际空间站

由密歇根大学的工程师设计的一对探索骨密度的实验已经离开弗吉尼亚州瓦勒普斯岛的发射台，乘坐诺斯罗普·格鲁曼公司的Antares火箭前往国际空间站(ISS)。

UM机械工程副教授AllenLiu和他的研究团队成员详细介绍了太空实验如何揭示骨质疏松症这一影响全球数亿人的疾病，以及如何让宇航员更安全。

骨密度、骨质疏松症和重力之间有什么联系，使这项基于太空的研究与普通人相关?

AllenLiu：随着年龄的增长，骨质疏松症会导致骨骼变得脆弱和脆弱，即使只是轻微的压力和跌倒也会导致骨折。美国估计有1000万例病例，另有4300万例出现骨密度低的迹象。

失重环境或微重力会导致骨骼发生生理变化，它提供了一个独特的研究环境，没有典型的重力机械应力。它还可以在不使用药物或基因工程的情况下迅速改变细胞的生长和功能。

细胞的硬度可以告诉我们它的生物学年龄，预测它的功能可能如何下降或随着时间的推移它对慢性疾病的易感性。我们正在测试这样一个假设，即当细胞没有抵抗重力时，刚度的降低会使它们容易受到我们在骨质疏松症中看到的相同类型的变化的影响。但我们也认为，我们可以通过模仿重力的方式机械压缩细胞来防止这些健康影响。

你将如何看待空间中的细胞刚度?这能告诉你关于宇航员的什么?

机械工程博士生NadabWubshet：我们假设重力的缺失可能会导致细胞软化，这可能是宇航员在国际空间站长时间停留后出现骨质流失的原因。宇航员在船上进行阻力练习，以产生没有重力就没有的压缩效果。

为了测试ISS上的细胞刚度，我们使用了一种自动微流体装置，该装置使用流体捕获单个细胞并缓慢提高每个细胞的压力以诱导变形。荧光标记使我们能够在每个压力水平上看到它的形状。我们的设备还集成到一个系统中，该系统拍摄快照和视频，让我们收集数据来测量细胞的刚度。

这对人类健康有何益处?

Wubshet：如果我们的假设被证明是正确的，我们的结果将提供关于重力等物理力的变化如何影响骨细胞的机械特性和骨形成的深刻见解。更好地了解重力等自然力对骨形成的影响，可以为处理骨腐烂的人提供更好的诊断和治疗方法。

但在太空中的应用也很重要，特别是考虑到人们对太空探索的兴趣日益浓厚，这可能会让宇航员在微重力环境中停留更长的时间。我们希望为这些宇航员开发维持骨密度的解决方案。

在第二个实验中，你试图减少骨细胞的退化——你希望学到什么?

应用物理学博士生GraceCai：我们一直称为“骨细胞”的细胞是成骨细胞，它们在最需要的时间和地点沉积矿物质和蛋白质来构建骨骼。在我们的研究中，我们研究了微重力如何影响成骨细胞的活性。

微重力下的细胞经历低细胞张力，我们可以通过施加机械压力来增加细胞张力。通过将人类成骨细胞球形团块置于零重力下并施加压力，我们可以测试它是否能促进骨细胞发育和维持，同时防止骨质流失。

样品将如何返回地球，您如何看待他们的分析对未来的宇航员有益?

蔡：第一个实验将在国际空间站进行，而第二个实验的样本将在1月份通过SpaceXCRS-26返回地球进行分析。我们在这里的研究结果应该阐明压缩太空服和服装是否可以防止骨质流失并改善暴露于微重力条件下的宇航员的骨骼健康。这些技术可以帮助保护往返国际空间站以及其他目的地的机组人员。

除了为地球上的骨质疏松症研究提供信息外，我们预计我们的研究结果可能与其他与年龄有关的疾病和癌症有关。细胞力学和细胞构建的体系结构对我们自己的研究至关重要，在这些领域也很重要。

作为一名准备太空实验的机械工程师，你学到的最有趣的事情是什么?

Liu：在微重力环境中工作的一个挑战是一切都是失重的，因此处理流体变得极具挑战性。一切都必须关闭，我们的细胞必须放在袋子里，而不是放在培养皿中。而且由于国际空间站的空间非常宝贵，每个实验都被包装在一个小的CubeLab容器中，大约6.3英寸高、8.2英寸长和12.3英寸宽。

作为一名研究人员，我认为我们已经习惯了不确定性，但这是非常不同的。在地球上进行实验可能会出现很多问题，这使得在太空中进行正确的实验变得更具挑战性。我们希望实验能顺利进行，我很高兴我们成功了。