太空挑战 | 地球重力水平下，骨骼愈合得最好

人类膝盖和其他关节都包含关节软骨，身体还利用软骨干细胞修复骨折。图为X射线下的膝盖。

新的研究表明，重力和消耗体力的力量可能是骨折愈合的关键。

在长时间的太空旅行中，例如绕月长期飞行、火星飞行甚至更远星球的探索，科学家需要研究出维护和修复宇航员身体的方法，以防其身体机能退化或受伤。这项新研究的重点是软骨在太空中的表现。软骨就是在膝盖、髋部和骨折愈合中起作用的组织。

密苏里大学研究员、该项研究的合著者、密苏里大学工程学系主任伊丽莎白·罗伯阿告诉Space.com:“软骨工程是一个关键的关注领域。因为软骨是一个无血的组织，没有血液供应，就没有再生能力。或者说，如果说有人在太空骨折了……要想两块骨头的末端重新连接，那么在骨骼愈合之前，中间会有一个新软骨生成的过程。”

许多学科的科学家都在努力开发新技术，以使漫长的太空旅程成为可能。有些研究在微重力条件下种植食物，还有一些建造承载太空旅行的航天器。

密苏里大学的罗伯阿、莉莉阿娜·梅勒和安德鲁·斯图尔特决定研究微重力条件下骨骼愈合过程中的软骨是如何形成的。微重力是宇航员自由落体时在太空中体验的失重状态，就像在国际空间站的体验一样。人体要保持健康，就必须能够积蓄力量，维持肌肉骨骼系统，并修复任何损伤。罗伯阿说，软骨细胞对关节维护来说是必不可少的，身体产生的软骨干细胞能够重新连接断裂的骨骼。然而，长期执行太空任务的宇航员却受到了不利于软骨健康的条件的影响，如微重力。

研究人员对在空间站呆了一年的宇航员斯科特·凯利进行了监测，发现他的骨骼形成率比六个月之前更低。在失重状态下，凯利和其他宇航员每天锻炼2个小时，以避免肌肉萎缩和骨密度的降低。为了保持健康，他们的身体需要在地球表面重力的作用下模拟行走和日常活动。也就是机械负载。另一方面，长时间暴露在微重力环境中会使身体暴露在不健康的机械卸载水平，类似于身体长时间卧床休息。

未来的长期太空任务或许会使宇航员在微重力下停留超过六个月的时间。通过对凯利的研究结果，航天局的官员高度重视在长期任务中保持宇航员的身体健康。

宇航员逊妮·威廉姆斯在国际空间站（ISS）上安装的第一台跑步机上跑步。这台跑步机模型启发了国际空间站上目前使用的科拜尔跑步机的产生。跑步机帮助空间站中的宇航员保持骨骼、肌肉和心血管条件的健康。它以喜剧演员和脱口秀主持人史蒂芬·科拜尔的名字命名的。

为了开始他们的实验，密苏里大学研究小组将脂肪源性干细胞放置在三种不同环境中，以了解什么机制能够最好地帮助细胞再生。脂肪源性干细胞来自脂肪组织并能够帮助身体修复骨骼。一种环境复制了微重力，而另一种环境重新创建了机械负载。

罗伯阿说：“我们要做的是展示新软骨组织工程需要的适当、不同的机械负载。”

该研究小组利用NASA约翰逊航天中心科学家设计的旋转壁容器生物反应器，将一组培养的干细胞暴露在微重力模拟环境中，并使用旋转压力容器，将培养的另一组干细胞暴露在模拟的机械负载环境中。他们还设计了一个环境作为静态控制，该环境有地球的正常引力。通过观察干细胞的表现，研究小组发现，与微重力环境和控制环境相比，模拟重力的机械负载效应使干细胞得到了增强。额外压力对软骨细胞的生长至关重要，就像软骨在身体运动时所经历的压力。

研究人员测试软骨细胞在不同情况下形成时，在每个细胞培养物环境中复制了哪些物理活动场景。

研究人员表示：“由循环静水压产生的机械刺激模仿了…软骨在地球上日常活动中所经历的机械环境，与微重力生物反应器中培养的细胞相比，增强了软骨的形成。”

研究显示，宇航员体验的活动越接近地球上的身体活动，他们骨骼和关节的维护和修复就会越健康。

这项研究详细刊登于2017年4月的《航空航天医学和人类表现》。

来源：漫步宇宙