STTT 苏州大学胡士军、沈振亚和中国航天员科研训练中心李莹辉教授合作揭示硫胺素在空间微重力下维持心肌细胞稳态和功能的重要作用

随着太空技术的飞速发展及航天工程的加快实施，人类如何在太空长期维持生命健康是迫切需要解决的重大科学问题。航天员长期太空飞行中将面临微重力、辐射等诸多风险，其中微重力是影响航天员健康及工作效能的首要因素。长期太空微重力环境可能导致航天员心血管系统出现心肌萎缩、心律不齐、心血管重塑以及心脏早衰等不良反应，解码其深层分子机制有助于干预和防护长期空间微重力诱发的心脏不可逆重塑。

2021年10月16日，苏州大学心血管病研究所胡士军教授、沈振亚教授团队与中国航天员科研训练中心李莹辉教授团队合作，搭载神舟十三号飞船，在将人体尿液细胞来源诱导多能干细胞分化的心肌细胞送入太空，顺利完成了中国空间站首个活细胞研究，并在太空中记录下了随心肌细胞自主搏动同步的钙荧光探针闪烁信号。合作团队通过太空和地面模拟实验相结合，深入解析了人体心肌细胞的空间微重力效应机制并取得突破性进展。2024年4月8日，团队在Signal Transduction and Targeted Therapy发表了题为“Thiamine-modified metabolic reprogramming of human pluripotent stem cell-derived cardiomyocyte under space microgravity”的研究论文，首次揭示硫胺素(维生素B1)在空间微重力下维持心肌细胞稳态和功能的重要作用。

该团队首先建立了尿液细胞重编程来源的诱导多能干细胞(iPSCs, induced pluripotent stem cells)系，用于制备心肌细胞(hPSC-CMs)，并联合可实现细胞内钙信号实时监测的GCaMP6f胚胎干细胞系(ESC-GCaMP)衍生心肌细胞作为人源细胞模型。经过反复严格的装置匹配测试后，团队制备的心肌细胞搭载神舟十三号飞船，成功进入中国空间站天和核心舱，开展了人源心肌细胞空间微重力效应研究。研究发现，心肌细胞在空间微重力(μg, microgravity)下跳动频率显著降低，并伴随着细胞内钙调节能力下降，出现细胞骨架紊乱和解聚的现象。

随后，研究人员利用代谢组学比较了空间微重力和模拟重力(1g)组心肌细胞培养上清中的代谢产物，共鉴定出13个差异表达的代谢物。其中，硫胺素(Thm, Thiamine)的差异性最为明显，差异代谢物涉及的主要信号通路也均与硫胺素代谢具有相关性。团队进一步发现，心肌细胞中硫胺素吸收的下降与其通道蛋白表达降低具有相关性，硫胺素吸收减少导致TCA循环效率和ATP产量的下降，可能是造成心肌细胞结构和功能的适应性改变的重要因素。

为验证这一设想，该团队利用回转仪模拟微重力，在心肌细胞中开展了硫胺素通道蛋白SLC19A2的功能获得和缺失实验，发现SLC19A2异常表达是造成硫胺素摄入异常的重要诱因，并以此为靶点进一步开展防护干预实验。

最后，团队开展了硫胺素在空间微重力下心肌细胞防护中的应用价值研究，结果发现硫胺素对心肌细胞的搏动频率、钙循环周期、细胞结构具有显著改善作用。补充硫胺素可降低心肌细胞内乳酸累积，增加ATP产量，对心肌细胞具有显著改善作用。利用尾吊(TS, tail suspension)28天模拟微重力可造成小鼠心脏功能损伤，心脏超声检测发现左心室射血分数(LVEF, left ventricular ejection fraction)、缩短分数(LVFS, left ventricular shortening fraction)和左心室后壁(LVPW, left ventricular posterior wall)厚度均出现下降。同时发现，通过灌胃补充硫胺素(50mg/kg)可显著改善尾吊导致的小鼠心脏结构紊乱和功能损伤。

综上所述，太空飞行期间心肌细胞经历了一系列适应性的改变，维持在低能量代谢稳态。心肌细胞通过降低TCA循环效率和ATP产量对微重力环境进行适应。硫胺素作为TCA循环中关键催化酶的辅酶，其在微重力环境下的摄取被显著抑制。通过补充硫胺素可以显著降低模拟微重力环境下心肌细胞以及心脏结构和功能适应性改变表型。因此，以硫胺素为代表的代谢调控分子可能成为对抗微重力环境诱导心肌细胞结构功能适应性改变的潜在手段，具有潜在的转化应用价值。

苏州大学心血管病研究所的韩兴龙和中国航天员科研训练中心的曲丽娜研究员为该文章的共同第一作者，苏州大学心血管病研究所的胡士军教授、沈振亚教授和中国航天员科研训练中心李莹辉教授为该文的共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41392-024-01791-7