太空环境可加速宇航员衰老,补充NMN或将成为逆转端粒损伤的有效手段

NASA科学家利用太空的独特环境研究人体衰老,美国国家老年医学研究中心等机构的多项研究结果显示,NMN参与的衰老逆转机制将为未来保护宇航员和参与太空旅行的人们提供帮助。

  NASA科学家利用太空的独特环境研究人体衰老,美国国家老年医学研究中心等机构的多项研究结果显示,NMN参与的衰老逆转机制将为未来保护宇航员和参与太空旅行的人们提供帮助。

  1970年,赞比亚修女玛丽·尤肯达给美国航空航天局(NASA)科学家恩斯特·施图林格博士写了一封信,问道:目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭,他怎么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元。

  这位博士认真地回复了这封信。他举了一个例子——显微镜。起初显微镜的研究者被认为是在做着无用的玻璃片,但随着显微镜的发明,医学得到了前所未有的进展。在信中,他耐心地解释了下面这一点:太空项目看似离生活很远,但太空项目开展的基础研究,或许可以极大地改善地球上人们的生活,其中也包括提高医学水平。

图1: 美国航空航天局(NASA)科学家恩斯特·施图林格博士:“太空项目看似离生活很远,但太空项目开展的基础研究,或许可以极大地改善地球上人们的生活,其中也包括提高医学水平。”
  图1: 美国航空航天局(NASA)科学家恩斯特·施图林格博士:“太空项目看似离生活很远,但太空项目开展的基础研究,或许可以极大地改善地球上人们的生活,其中也包括提高医学水平。”

  将宇航员顺利送进太空为进行在地球上难以开展的人体科学实验提供了可能。近年在《细胞》系列期刊上发表的几篇论文表明,身处太空会改变基因功能、线粒体(细胞能量工厂)功能,以及细胞中的化学平衡。NASA的科学家估计,在太空中心脏、血管、骨骼和肌肉的退化速度比自然衰老快10倍。也就是说,科学家无需等待他们的研究对象在地球上自然变老,而是可以在外太空环境中进行衰老相关的实验。

  身处太空,可模拟与年龄有关的疾病

  随着年龄的增长,人类的身体机能会逐渐衰退,比如骨骼变脆,肌肉萎缩,免疫系统变弱。诸如关节炎之类的疾病也与年龄增长紧密相关。而随着生命步入黄昏,还会引发更严重、更复杂的疾病,比如认知功能下降和心脑血管疾病。

  与地球上的自然衰老相比,身处太空会对人体产生巨大影响,其中最主要的差异在于衰老速度——在太空中,人的衰老速度更快。因此,对于诸如前往火星这样的长期飞行任务,人们需要重视太空飞行与加速衰老的联系。但外太空的环境同时也为研究人体衰老过程提供了机会,比如可以在国际空间站(ISS)中进行加速模拟衰老的实验。

  太空旅行的影响与自然衰老并不完全相同,当人们返回地球时,太空中发生的许多变化都会发生逆转。然而这些对照实验仍然具有一定的研究价值。来自NASA的科学家表示,太空旅行为理解慢性衰老过程提供了一个很好的模型。也许外太空生活可能揭示出保护、减缓人类衰老的新方法。

  太空旅行的影响

  国际空间站国家实验室临时首席科学家迈克尔·罗伯茨(Michael Roberts)在《国家地理》杂志的一份报告中说,身处外太空会在多个层面影响人体的各类细胞,并对人体造成长期的、慢性的和持久的影响。在太空生活,人体为了实现最佳功能,需要重新取得平衡,从而重新启动了细胞反应的方式。

  在外层空间的微重力环境中,心脏、骨骼和肌肉不需要像地球上那样努力地工作,因此它们会因“工作量减少”而变弱。充满液体的组织可能会改变形状,因为液体在微重力中的流动方式会与在地球上有所不同,这会改变大脑等器官的形状。不仅如此,地球大气层外的较高的背景辐射还会导致DNA损伤,并增加患癌症的风险。

  宇航员双胞胎研究

  关于太空生活对健康影响的新研究,始于对宇航员双胞胎兄弟斯科特和马克的研究。十个研究小组在斯科特为期一年的太空旅行期间跟踪了他身体的变化。然后,科学家将这些变化与他的同卵双胞胎兄弟马克(马克未参与过太空旅行,因此可以作为对照)进行了比较。研究团队记录了双胞胎宇航员的差异,包括基因表达谱、肠道微生物(微生物组)、认知能力和心血管系统的变化。

  NASA双胞胎研究的一个惊人发现是斯科特的端粒长度发生了改变。端粒是位于染色体末端的DNA区域,可保护DNA的其余部分免受磨损。随着年龄增长,端粒缩短的长度以及速度,是健康和衰老的重要指标。

  斯科特在太空时,他的端粒变长了,但是当他回到地球时,端粒迅速缩短了。尽管他的端粒在太空飞行中较长,但最终他的端粒比旅行开始时短。端粒变短与心血管疾病有关,而端粒变长与癌症有关。因此,端粒长度的任何变化都可能对健康造成负面影响。

  身处太空一定时间后,太空飞行对健康的某些影响似乎会达到平衡,例如血容量减少以及肺部和心脏的一些变化。由于宇航员在国际空间站生活的时间还不足以满足实验条件,因此还无法确切地说人体中的这些变化是否会达到稳态。

  NMN有望修复端粒损耗

  一项由美国国家老年医学研究中心开展的研究发现,端粒磨损的小鼠,其细胞中NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)稳态失衡,从而导致线粒体(细胞能量工厂)异常以及细胞的衰老。这与宇航员在太空中遇到的问题相类似。研究同时也表明,通过补充NAD+前体(如NMN等),可改善端粒磨损导致的细胞缺陷。

  研究人员使用端粒较短的小鼠进行了实验。作为结缔组织中最常见的细胞,成纤维细胞中的端粒易受到损伤,而在补充了3 mM NAD+前体两周之后,这种端粒DNA的损伤得到了显著抑制(图2)。此外,补充NAD+前体同样可以提高细胞中健康线粒体的比例,减少线粒体损伤(图3)。

图2: 绿色所示为一种DNA损伤中形成的产物γH2AX, 同时可作为DNA损伤的一种标记。红色则是体现了端粒水平(使用了荧光免疫技术标记)。经过NAD+前体处理两周之后,端粒受损的情况明显得到了改善。
  图2: 绿色所示为一种DNA损伤中形成的产物γH2AX, 同时可作为DNA损伤的一种标记。红色则是体现了端粒水平(使用了荧光免疫技术标记)。经过NAD+前体处理两周之后,端粒受损的情况明显得到了改善。
图3: 线粒体受损显示为形态异常,例如膜破裂,液泡形成和十字形紊乱。图中白色箭头指向线粒体,黄色箭头为具有吞噬的线粒体的自噬样结构。在经过NAD+前体处理两周之后,可见健康线粒体的比例明显增加。
  图3: 线粒体受损显示为形态异常,例如膜破裂,液泡形成和十字形紊乱。图中白色箭头指向线粒体,黄色箭头为具有吞噬的线粒体的自噬样结构。在经过NAD+前体处理两周之后,可见健康线粒体的比例明显增加。

  根据研究人员的总结,严重的端粒长度不足和功能异常会导致NAD+稳态丧失,继而引发疾病和衰老。基于NAD+机制的干预策略,如补充NMN,可能为将来预防人类衰老以及治疗人类端粒生物学疾病奠定基础。

  宇宙给我们的机会

  得益于太空旅行带来的独特环境,研究人员现在可以寻找新的方法来促进人类的健康。许多促进健康的疗法,来自于科学家为帮助人类适应太空所做的努力,例如从近乎坚不可摧的微生物水熊虫身上获得蛋白质,这对于解决一直困扰着人类的衰老问题,也具有潜在的意义。同时,也可以利用这些条件,验证NAD+、端粒与衰老的关系。这对于生活在地球上的人们,有着巨大的意义。

  而在太空中为人类前行探索的勇士们,也面临着更多的风险,比如NAD+水平的失衡。补充NMN或将成为保护宇航员的有效手段。

  倘若在19世纪末,问马夫想要什么,大部分马夫或许只会说:好马。而由于不断有人看到未来,推动一次次的革新,因此我们现在的旅行可以坐在汽车里,飞机里,甚至有可能遨游在无垠的太空。

  在开头提到的NASA科学家所写的回信中,也有这么一段:解决工程问题时,重要的技术突破往往并不是按部就班直接得到的,而是来自能够激发出强大创新精神、能够燃起的想象力和坚定的行动力,以及能够整合好所有资源的充满挑战的目标。

  医学研究,也需要把视野投向更远的地方。拥抱新科学,拥抱无限可能的未来。

  原文地址:https://www.nmn.cn/news/ka04n