太空挑戰：地球重力水平下骨骼癒合得最好

最新 09-05

人類膝蓋和其他關節都包含關節軟骨，身體還利用軟骨幹細胞修復骨折。圖為X射線下的膝蓋。

新的研究表明，重力和消耗體力的力量可能是骨折癒合的關鍵。

在長時間的太空旅行中，例如繞月長期飛行、火星飛行甚至更遠星球的探索，科學家需要研究出維護和修復宇航員身體的方法，以防其身體機能退化或受傷。這項新研究的重點是軟骨在太空中的表現。軟骨就是在膝蓋、髖部和骨折癒合中起作用的組織。

密蘇里大學研究員、該項研究的合著者、密蘇里大學工程學系主任伊麗莎白·羅伯阿告訴Space.com:「軟骨工程是一個關鍵的關注領域。因為軟骨是一個無血的組織，沒有血液供應，就沒有再生能力。或者說，如果說有人在太空骨折了……要想兩塊骨頭的末端重新連接，那麼在骨骼癒合之前，中間會有一個新軟骨生成的過程。」

許多學科的科學家都在努力開發新技術，以使漫長的太空旅程成為可能。有些研究在微重力條件下種植食物，還有一些建造承載太空旅行的航天器。

密蘇里大學的羅伯阿、莉莉阿娜·梅勒和安德魯·斯圖爾特決定研究微重力條件下骨骼癒合過程中的軟骨是如何形成的。微重力是宇航員自由落體時在太空中體驗的失重狀態，就像在國際空間站的體驗一樣。人體要保持健康，就必須能夠積蓄力量，維持肌肉骨骼系統，並修復任何損傷。羅伯阿說，軟骨細胞對關節維護來說是必不可少的，身體產生的軟骨幹細胞能夠重新連接斷裂的骨骼。然而，長期執行太空任務的宇航員卻受到了不利於軟骨健康的條件的影響，如微重力。

研究人員對在空間站待了一年的宇航員斯科特·凱利進行了監測，發現他的骨骼形成率比六個月之前更低。在失重狀態下，凱利和其他宇航員每天鍛煉2個小時，以避免肌肉萎縮和骨密度的降低。為了保持健康，他們的身體需要在地球表面重力的作用下模擬行走和日常活動。也就是機械負載。另一方面，長時間暴露在微重力環境中會使身體暴露在不健康的機械卸載水平，類似於身體長時間卧床休息。

未來的長期太空任務或許會使宇航員在微重力下停留超過六個月的時間。通過對凱利的研究結果，航天局的官員高度重視在長期任務中保持宇航員的身體健康。

宇航員遜妮·威廉姆斯在國際空間站（ISS）上安裝的第一台跑步機上跑步。這台跑步機模型啟發了國際空間站上目前使用的科拜爾跑步機的產生。跑步機幫助空間站中的宇航員保持骨骼、肌肉和心血管條件的健康。它以喜劇演員和脫口秀主持人史蒂芬·科拜爾的名字命名的。

為了開始他們的實驗，密蘇里大學研究小組將脂肪源性幹細胞放置在三種不同環境中，以了解什麼機制能夠最好地幫助細胞再生。脂肪源性幹細胞來自脂肪組織並能夠幫助身體修復骨骼。一種環境複製了微重力，而另一種環境重新創建了機械負載。

羅伯阿說：「我們要做的是展示新軟骨組織工程需要的適當、不同的機械負載。」

該研究小組利用NASA約翰遜航天中心科學家設計的旋轉壁容器生物反應器，將一組培養的幹細胞暴露在微重力模擬環境中，並使用旋轉壓力容器，將培養的另一組幹細胞暴露在模擬的機械負載環境中。他們還設計了一個環境作為靜態控制，該環境有地球的正常引力。通過觀察幹細胞的表現，研究小組發現，與微重力環境和控制環境相比，模擬重力的機械負載效應使幹細胞得到了增強。額外壓力對軟骨細胞的生長至關重要，就像軟骨在身體運動時所經歷的壓力。