人類膝蓋和其他關(guān)節(jié)都包含關(guān)節(jié)軟骨，身體還利用軟骨干細(xì)胞修復(fù)骨折。圖為X射線下的膝蓋。

新的研究表明，重力和消耗體力的力量可能是骨折愈合的關(guān)鍵。

在長(zhǎng)時(shí)間的太空旅行中，例如繞月長(zhǎng)期飛行、火星飛行甚至更遠(yuǎn)星球的探索，科學(xué)家需要研究出維護(hù)和修復(fù)宇航員身體的方法，以防其身體機(jī)能退化或受傷。這項(xiàng)新研究的重點(diǎn)是軟骨在太空中的表現(xiàn)。軟骨就是在膝蓋、髖部和骨折愈合中起作用的組織。

密蘇里大學(xué)研究員、該項(xiàng)研究的合著者、密蘇里大學(xué)工程學(xué)系主任伊麗莎白·羅伯阿告訴Space.com:“軟骨工程是一個(gè)關(guān)鍵的關(guān)注領(lǐng)域。因?yàn)檐浌鞘且粋€(gè)無(wú)血的組織，沒(méi)有血液供應(yīng)，就沒(méi)有再生能力?；蛘哒f(shuō)，如果說(shuō)有人在太空骨折了……要想兩塊骨頭的末端重新連接，那么在骨骼愈合之前，中間會(huì)有一個(gè)新軟骨生成的過(guò)程?！?/p>

許多學(xué)科的科學(xué)家都在努力開(kāi)發(fā)新技術(shù)，以使漫長(zhǎng)的太空旅程成為可能。有些研究在微重力條件下種植食物，還有一些建造承載太空旅行的航天器。

密蘇里大學(xué)的羅伯阿、莉莉阿娜·梅勒和安德魯·斯圖爾特決定研究微重力條件下骨骼愈合過(guò)程中的軟骨是如何形成的。微重力是宇航員自由落體時(shí)在太空中體驗(yàn)的失重狀態(tài)，就像在國(guó)際空間站的體驗(yàn)一樣。人體要保持健康，就必須能夠積蓄力量，維持肌肉骨骼系統(tǒng)，并修復(fù)任何損傷。羅伯阿說(shuō)，軟骨細(xì)胞對(duì)關(guān)節(jié)維護(hù)來(lái)說(shuō)是必不可少的，身體產(chǎn)生的軟骨干細(xì)胞能夠重新連接斷裂的骨骼。然而，長(zhǎng)期執(zhí)行太空任務(wù)的宇航員卻受到了不利于軟骨健康的條件的影響，如微重力。

研究人員對(duì)在空間站呆了一年的宇航員斯科特·凱利進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)他的骨骼形成率比六個(gè)月之前更低。在失重狀態(tài)下，凱利和其他宇航員每天鍛煉2個(gè)小時(shí)，以避免肌肉萎縮和骨密度的降低。為了保持健康，他們的身體需要在地球表面重力的作用下模擬行走和日?；顒?dòng)。也就是機(jī)械負(fù)載。另一方面，長(zhǎng)時(shí)間暴露在微重力環(huán)境中會(huì)使身體暴露在不健康的機(jī)械卸載水平，類似于身體長(zhǎng)時(shí)間臥床休息。

未來(lái)的長(zhǎng)期太空任務(wù)或許會(huì)使宇航員在微重力下停留超過(guò)六個(gè)月的時(shí)間。通過(guò)對(duì)凱利的研究結(jié)果，航天局的官員高度重視在長(zhǎng)期任務(wù)中保持宇航員的身體健康。

宇航員遜妮·威廉姆斯在國(guó)際空間站（ISS）上安裝的第一臺(tái)跑步機(jī)上跑步。這臺(tái)跑步機(jī)模型啟發(fā)了國(guó)際空間站上目前使用的科拜爾跑步機(jī)的產(chǎn)生。跑步機(jī)幫助空間站中的宇航員保持骨骼、肌肉和心血管條件的健康。它以喜劇演員和脫口秀主持人史蒂芬·科拜爾的名字命名的。

為了開(kāi)始他們的實(shí)驗(yàn)，密蘇里大學(xué)研究小組將脂肪源性干細(xì)胞放置在三種不同環(huán)境中，以了解什么機(jī)制能夠最好地幫助細(xì)胞再生。脂肪源性干細(xì)胞來(lái)自脂肪組織并能夠幫助身體修復(fù)骨骼。一種環(huán)境復(fù)制了微重力，而另一種環(huán)境重新創(chuàng)建了機(jī)械負(fù)載。

羅伯阿說(shuō)：“我們要做的是展示新軟骨組織工程需要的適當(dāng)、不同的機(jī)械負(fù)載?！?/p>

該研究小組利用NASA約翰遜航天中心科學(xué)家設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)壁容器生物反應(yīng)器，將一組培養(yǎng)的干細(xì)胞暴露在微重力模擬環(huán)境中，并使用旋轉(zhuǎn)壓力容器，將培養(yǎng)的另一組干細(xì)胞暴露在模擬的機(jī)械負(fù)載環(huán)境中。他們還設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)境作為靜態(tài)控制，該環(huán)境有地球的正常引力。通過(guò)觀察干細(xì)胞的表現(xiàn)，研究小組發(fā)現(xiàn)，與微重力環(huán)境和控制環(huán)境相比，模擬重力的機(jī)械負(fù)載效應(yīng)使干細(xì)胞得到了增強(qiáng)。額外壓力對(duì)軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)至關(guān)重要，就像軟骨在身體運(yùn)動(dòng)時(shí)所經(jīng)歷的壓力。

研究人員測(cè)試軟骨細(xì)胞在不同情況下形成時(shí)，在每個(gè)細(xì)胞培養(yǎng)物環(huán)境中復(fù)制了哪些物理活動(dòng)場(chǎng)景。

研究人員表示：“由循環(huán)靜水壓產(chǎn)生的機(jī)械刺激模仿了…軟骨在地球上日常活動(dòng)中所經(jīng)歷的機(jī)械環(huán)境，與微重力生物反應(yīng)器中培養(yǎng)的細(xì)胞相比，增強(qiáng)了軟骨的形成?！?/p>

研究顯示，宇航員體驗(yàn)的活動(dòng)越接近地球上的身體活動(dòng)，他們骨骼和關(guān)節(jié)的維護(hù)和修復(fù)就會(huì)越健康。

這項(xiàng)研究詳細(xì)刊登于2017年4月的《航空航天醫(yī)學(xué)和人類表現(xiàn)》。