Parabolic flight-induced gravity variations initiate acute functional and transcriptional responses in cardiac organoids

重力是塑造地球生命的无形之手。它向下挤压我们的身体，将体液拉向双脚，并让我们的心脏在持续且熟悉的重量下维持运转。当宇航员离开这种环境进入太空的微重力状态时，这种压力便消失了。由于进化于一个存在持续引力的世界，他们的身体必须突然适应失重状态。这种转变导致体液涌向头部和胸部，改变了心脏的泵血方式和血液循环方式。虽然科学家们长期以来一直在研究人体在太空中停留数周或数月后会发生怎样的变化，但这一转变最初的瞬间仍然是一个谜。我们知道身体最终会进行调整，但我们并不完全理解在重力发生变化的瞬间，究竟是什么信号告诉心肌细胞去改变其节律。

为了捕捉这些稍纵即逝的时刻，研究人员转向了一个独特的实验室：抛物线飞行。这是一种特定的飞行路径，飞机通过剧烈的爬升然后俯冲，从而创造出短暂的失重期以及随后的高重力期。这是一种在不离开大气层的情况下模拟太空变化力量的地面方法。在最近的一项研究中，科学家们利用这种方法观察了微小的、三维的心脏细胞簇如何应对这些快速变化。他们想看看心脏是否能在几分钟内感知并响应重力变化，以及如果是这样，细胞内部会传递什么样的分子信息来促成这一过程。

研究团队利用小鼠胚胎干细胞培育了这些被称为“心脏类器官”的心脏细胞簇。它们不仅仅是扁平的细胞片，而是能够模拟真实心脏结构、具有跳动节律并能泵送液体的自组织微型球体。研究人员让这些类器官生长了数天，直到它们达到不同的成熟阶段。有些还很年幼，刚刚开始跳动；而另一些则发育得更完善，跳动得更加稳定。随后，他们将这些活体样本带上了一架空客A310飞机的飞行任务，该飞机执行了三十一次抛物线机动。每一次机动都会创造出一个约二十二秒的失重周期，并被夹在接近地球两倍重力的时期之间。

飞机着陆后，科学家们立即检查了这些心脏类器官。他们将飞行过的样本与在正常重力下留在地面的相同样本进行了对比。结果显示，心脏细胞在飞行期间并非只是被动地停留，而是反应迅速，但前提是它们必须足够成熟。那些发育仅三天、还很年幼的类器官在行为上没有表现出变化。然而，那些更成熟、已有八天和九天发育史的类器官，则表现出了跳动速度的突然且显著的增加。飞行结束后，它们的跳动频率立即上升了近百分之三十。除了这种更快的节律外，这些细胞处理钙离子（一种对肌肉收缩至关重要的化学信号）的方式也发生了变化。钙信号变得更强且消退得更慢，这表明细胞正在通过加大工作量来维持其在变化重力下的节律。

虽然心脏的物理跳动发生了变化，但类器官的形状并未改变。它们保持了原有的尺寸和结构，这表明宇航员在长期任务后出现的戏剧性变化（如心肌萎缩）很可能是长期暴露的结果，而非这些即时转变所致。真正的惊喜出现在研究人员观察细胞内部的遗传指令时。他们发现，飞行并未触发通常与心肌强度或基础代谢相关的基因。相反，它激活了一组特定的六个基因，而这些基因此前从未以这种方式与重力变化联系在一起。

其中最活跃的基因是产生一种名为S100g蛋白质的基因，该蛋白质有助于管理细胞内的钙水平。其他被激活的基因则涉及细胞“发电厂”——线粒体的功能，以及细胞如何处理压力和炎症。这表明心脏拥有一种快速的内置报警系统，能够检测重力变化并立即调整其内部化学性质以应对变化。研究并未发现证据表明这些变化是由飞机的振动或飞行噪音引起的，因为地面上的对照样本也经历了类似的搬运处理，但并未经历重力偏移。然而，研究人员指出，由于实验时间较短，他们无法观察到这些变化是否会导致长期的损伤或适应，也无法排除辐射等宇航员在实际太空飞行中面临的其他因素。

这项工作为人类了解心脏如何适应太空的开端提供了一个全新的窗口。通过在抛物线飞行中使用这些微小的、跳动的心脏模型，团队证明了心脏对重力的反应是即时的，并且取决于心脏组织的成熟度。这些特定基因的发现为科学家提供了一份新的研究目标清单，有助于他们理解如何保护宇航员在未来长期任务中的心脏。这表明，甚至在宇航员感受到太空影响之前，他们的心肌细胞就已经在发出信号，调整其内部机制，以适应一个重力不再是常数的物理世界。