宇航员芯片：多器官组织芯片模拟太空辐射对人类健康的影响

随着宇航员进一步进入太空，他们接触到的有害辐射也在增加。哥伦比亚大学的研究人员正在使用多器官组织芯片模拟太空辐射对地球的影响，以确定其对人体生理的影响。他们的工作记录了急性和长期辐射暴露后组织中观察到的差异效应，并确定了多个感兴趣的基因，这些基因可能有助于为未来辐射防护剂的开发提供信息

他们的研究发表在《高级科学》杂志上

“随着深空探索的不断展开，了解空间辐射造成的生理损伤以更好地减轻其影响至关重要。通过将多器官模型暴露于模拟宇宙辐射中，这项研究为这项工作奠定了基础，”NIBIB发现科学技术部的项目主任Jermont Chen博士评论道。

在太空旅行中，宇航员不断受到银河宇宙射线（GCR）的轰击，GCR由以接近光速运动的快速原子组成。由于它们的高速，这些原子的电子被剥离，留下电离的原子核，它们像破碎球一样将电子敲入周围的物质中。在地球上，我们受到地球大气层和磁场的保护，免受GCR等辐射源的影响，这些大气层和磁场起着屏蔽辐射的作用

哥伦比亚大学生物医学工程系博士后研究科学家Naveed Tavakol博士解释道：“GCR比伽马射线或X射线更具破坏性，因为重离子可以与航天器相互作用并释放高能二次粒子，这会损害宇航员全身组织中的DNA。据预测，接触GCR会增加患急性辐射综合征的风险，并可能产生其他健康后果，包括癌症和心脏病。”。临床前动物模型不能完全模仿人类生物学的性质，也不能准确地代表每个患者特有的因素，如种族和年龄。此外，Tavakol解释说，在体外研究时，分离的人体细胞模型缺乏人体组织的结构和功能成熟度

提示多器官芯片（multi-OOC），更准确地表示个体人体生理。哥伦比亚大学已经开发出这种即插即用系统，它允许不同器官的患者特异性组织模型通过血管流动相互连接，就像它们在人体内一样。该系统允许每种组织类型在其最佳环境中生长，同时还支持免疫细胞在器官之间的重要交流和迁移

使用由骨髓、心肌和肝组织组成的多OOC，这个生物工程师团队试图了解辐射暴露对器官功能和基因表达的影响。宇航员既暴露于急性辐射（短时间但强烈的暴露，如太空行走期间），也暴露于长期辐射（如在国际空间站长期停留期间）。研究人员利用他们的技术量化了这两种暴露的影响，并将其与未暴露于辐射的对照模型进行了比较

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Tavakol和团队与哥伦比亚大学放射研究中心和哥伦比亚大学校外尼维斯实验室合作，使用基于加速器的中子辐照器系统对他们的多OOC进行辐射。该加速器通过加速氢和氘离子并将其轰击到一种称为铍的坚硬金属中来产生高能中子。这些碰撞产生的中子与GCR中发现的电离核非常相似。多OOC以急性方式（超过15-20分钟）或长期方式（0.04格雷，每天12次，持续两周，每次3分钟）暴露于0.5格雷的规定辐射剂量

Tavakol指出：“我们发现，与单次急性剂量相比，两周内相同的累积辐射剂量对骨髓和心肌功能的影响更大。”。他解释说，长期辐射可以增加骨髓干细胞向免疫细胞的分化，减少其向血细胞的分化。血细胞是贫血和/或血癌的潜在前兆

此外，在长期辐射后，心脏细胞收缩能力的变化是可见的，这可能预示着肥厚型心肌病，即心肌变得太厚和僵硬，无法有效泵血。Tavakol补充说，迁移到循环室的免疫细胞的基因测序显示，有58个基因受到长期辐射的特异性影响，从而确定了潜在的辐射防护靶点

哥伦比亚大学教授兼组织工程资源中心主任Gordana Vunjak Novakovic博士说：“这些发现确定了一套生物标志物，可能有助于未来辐射对策的发展，并证明了多OOC研究人体对深空旅行反应的可行性和扩大潜力。”“此外，这项研究为建立个性化的‘宇航员芯片’平台奠定了基础，该平台可以深入了解宇航员对辐射和辐射对策的特定反应。”