宇宙環境は宇宙飛行士にどのような影響を与えるのでしょうか?心臓チップが宇宙滞在1ヶ月後の宇宙飛行士の変化を明らかに

トゥチョンクリエイティブ

NASAの二人の宇宙飛行士は大きなショックを受けた。当初は8日間の出張の予定だったが、宇宙船のスラスター故障やヘリウム漏れなどのトラブルで、8日間が8か月に延びてしまうとは予想もしなかった。しかし、次のニュースは彼らをさらに悲惨にするかもしれない。科学者たちは最近、宇宙飛行士が宇宙に1か月以上滞在すると、心臓が老化するだけでなく、「鼓動がずれる」ことを発見した。

周知のとおり、宇宙環境は非常に複雑であり、放射線、無重力などの環境が宇宙飛行士の健康に影響を及ぼします。宇宙飛行士を「消費」することなく、宇宙環境が人体に与える影響をより正確に研究する方法は、常に科学者を悩ませてきた問題である。宇宙環境が心臓に与える影響を研究するため、ジョンズ・ホプキンス大学医学部の科学者らは「心臓チップ」という解決策を考案した。

では、「ハートチップ」技術とは何でしょうか?人間の心臓と同じでしょうか？

「心臓チップ」とは、人工の心臓組織を使用して人体の心臓の機能と動作を模倣する試験管内実験システムです。具体的には、この技術には次の重要なステップが含まれます。心臓組織の作成: 研究者はまず、ヒト人工多能性幹細胞 (iPSC) を使用して、それを心筋細胞に分化させます。これらの細胞は心臓の主要構成要素であり、心臓の収縮と鼓動を担っています。組織設計の過程で、研究者らはこれらの心筋細胞を一対の柱の間に張った 6 つのサンプル グループに分けました。各対の柱のうち 1 本は柔軟で、もう 1 本は硬く、柔軟な柱には磁石が埋め込まれています。

2 番目のステップでは、組織を培養する液体培地が空間に浮かばないように、事前に作成した心臓組織を密閉されたチャンバーに封入します。最後に、組織が入ったこれらのチャンバーは、磁気センサーが下に配置された培養プレート上に載せられます。研究者はセンサーを通じて心臓組織の収縮に関する情報を収集し、心臓組織の収縮力が弱まっているかどうかを検出できる。

次に、研究者らは携帯電話の半分ほどの大きさの部屋に「心臓チップ」システムを設置した。このシステムがサンプル組織とともに国際宇宙ステーションに搭載されると、研究者はセンサーを使用して組織の収縮と拍動パターンの強度をリアルタイムで監視できるようになります。もちろん、比較のために、地球上に残っている組織群も監視しました。

研究者らは、ISSに滞在してからわずか12日後には組織の収縮の強さがほぼ半減し、地球に帰還してから9日後もその弱化は明らかであったことを発見した。粉砕サンプルの収縮強度は比較的安定していた。

さらに、宇宙で過ごす時間が長くなるにつれて、組織の脈動はより不規則になり、19日目には各拍動の間隔が5倍以上に増加しました。しかし、組織が地球に戻ると、不規則な脈動は消えました。冒頭で触れた、今も宇宙空間に漂っている二人の宇宙飛行士を覚えていますか?彼らの心臓血管系はこのような圧力を受けている可能性があります。さて、宇宙に長期間滞在すると、精神状態が不安定になるだけでなく、心も不安定になります。幸いなことに、来年地球に戻ればこの状況は緩和されるはずです。

この実験を続け、組織が地球に戻った後、研究者らは透過型電子顕微鏡を使用して、筋肉の収縮を制御する組織の筋節を観察し、地上に残った組織の筋節と比較して、筋節が短くなり、乱れが進んでいることを発見した。これは人間の心臓病の兆候である。さらに、国際宇宙ステーションで30日間を過ごした組織内のエネルギー工場として機能するミトコンドリアは、より大きく丸くなり、細胞がエネルギーを利用および生成するのを助ける特徴的なひだを失っていた。

研究者らが組織サンプルからRNAの配列を解析したところ、国際宇宙ステーションに滞在していた組織では炎症や心臓病に関連する遺伝子や経路の発現が増加していることがわかった。これも心臓病の特徴である。これはさらに、宇宙環境では心臓細胞が深刻なストレスや機能不全を経験し、それがエネルギー生成の障害につながり、心臓細胞の収縮力が弱まり、細胞全体の健康状態が低下する可能性があることを示唆しています。

2023年に研究者らは、3D工学で作られた心臓組織の2回目のバッチを宇宙ステーションに送り、低重力の影響から細胞を保護する可能性のある薬剤を検査する予定だ。現在、この研究はまだ進行中ですが、科学者によると、これらの薬は加齢に伴う心臓機能の維持に役立つ可能性があるとのことです。

宇宙での長期ミッションによる身体へのダメージはこれで終わると思いますか?

2024年2月4日、北京時間16時30分08秒、59歳のロシア人宇宙飛行士オレグ・コノネンコ氏が、同じくロシア人宇宙飛行士ゲンナジー・パダルカ氏の宇宙滞在日数合計878日11時間29分48秒の世界記録を破り、宇宙滞在累計最長記録保持者となった。

アメリカとロシアはともに、宇宙に長期滞在する宇宙飛行士に関する広範な研究を行ってきた。アメリカ航空宇宙局（NASA）が発表した報告書によると、宇宙飛行士が宇宙に入った後、最初に直面する課題は、無重力状態により血液やその他の体液が胸部や頭部に逆流し、顔面浮腫、首の静脈瘤、鼻咽頭閉塞などの症状を引き起こすことだという。一般的に、このような状況は宇宙に入った後の最初の数日間で最も顕著になりますが、宇宙飛行士が「ビッグヘッド特殊効果」を使用しているのを見たとしても、慌てる必要はありません。人体が無重力環境に適応するにつれて、これらの状況は徐々にある程度緩和されるからです。

第二に、無重力または微小重力環境に長期間滞在する宇宙飛行士は、明らかな筋萎縮と骨のカルシウム減少を経験します。たとえ最強の体格を持っていたとしても、宇宙に長期間滞在すると「脆く」ならないようにするのは難しい。

これは、脚の骨や脊椎などの荷重を支える骨への圧力が急激に減少するためです。同時に、筋肉の動きが減少すると、骨への刺激もそれに応じて弱まり、大量の骨の脱灰と腎臓からの排泄が起こります。最近の研究では、運動量を増やすことでこれらの影響をある程度緩和できることが示されています。そのため、筋肉の萎縮を避けるために、国際宇宙ステーションであっても、宇宙飛行士は毎日のトレーニング計画、つまりトレッドミルでのランニングやその他のマシンを使った運動を少なくとも 1 日 2 時間実行する必要があります。確かに、運動は自分の能力を最大限に発揮して行うべきであるだけでなく、自分の能力を最大限に発揮して行うべきでもあります。

先ほど述べたロシアの宇宙飛行士コノネンコ氏は、無重力状態が身体に及ぼす影響を抑えるために定期的に運動しているとインタビューで語った。さらに、ロシアの宇宙飛行士も特別な薬を服用しています。しかし、薬を服用したり、厳密に運動したりしても、これらの問題を完全に解決することはできません。

カナダのカルガリー大学のスポーツ科学者による2022年の研究報告によると、宇宙環境で約6か月間生活した宇宙飛行士は、地球に帰還してから1年後に以前の骨の強度を回復できることが示された。宇宙で長期間を過ごす宇宙飛行士は、永久的な骨の喪失を経験する可能性があります。さて、私たちは「永久に脆弱な労働者」になることに一歩近づいています。

しかし、実際には、宇宙が人体に及ぼす害はまだまだ終わっていません...宇宙環境における太陽風や宇宙線も人体に害を及ぼす可能性があります。 NASAの研究報告によると、高度400キロにある国際宇宙ステーションでは、宇宙飛行士は1日あたり0.5ミリシーベルトを超える放射線量にさらされているという。 12日間で浴びる放射線量は、旅客機の乗務員が1年間に浴びる放射線量に相当します。しかし幸いなことに、これらの放射線量は私たちが想像するほど人体に有害ではありません。

最初に言ったことを覚えていますか?宇宙に1か月以上滞在すると、心臓が老化して鼓動がずれてしまいます。宇宙が人間の老化に与える影響は宇宙飛行士にとって良いニュースではありませんが、宇宙環境は老化に関連するメカニズムを理解するのに非常に役立ちます。これらの影響は、宇宙飛行士が微小重力状態に入った後、短時間で観察できますが、地球上で動物の老化モデルを研究する場合、時間の経過とともに起こる変化や老化の影響を捉えるには数年、あるいは数十年かかるでしょう。

人類史上初めて宇宙に進出した英雄、ユーリイ・ガガーリンが1961年、ボストーク1号で宇宙飛行に成功し、地球を周回したときから、「地球よ、君は本当に美しい」と語りました。 1969年に月面に降り立ったニール・アームストロングの「人類にとっては小さな一歩だが、人類にとっては偉大な飛躍だ」という言葉から、中国人として初めて宇宙飛行をした楊利偉の「気分は最高だ」という言葉まで、彼らは間違いなく宇宙の偉大な「ハードコアプレイヤー」であり、人類の勇気と探究心を体現し、人類の科学技術、医学などの分野に多大な貢献をしてきました。

最後に、心拍が安定しないまま、依然として宇宙での長距離飛行を余儀なくされている2人の宇宙飛行士が、感情を安定させるために最善を尽くし、無事、スムーズに、時間通りに地球に帰還できることも願っています。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: 馬寧 科学人気作家

査読者：周炳紅、研究者、中国航空宇宙科学普及大使

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司