2023年（令和5年）4月21日
国立研究开发法人宇宙航空研究开发机构 国立大学法人筑波大学
宇宙航空研究开发机构( JAXA )和筑波大学的研究小组使用了JAXA开发的在从微重力到1G的人工重力环境下可以饲养鼠标的世界唯一的装置(可变人工重力研究系统: MARS注1 )，在国际宇宙空间站( ISS )“希望”日本实验楼，在3种重力环境下(微重力，月球表面重力=1/6G，地球上重力=1G )饲养老鼠约1个月，分析了保持姿势的肌肉(抗重力肌)即比目鱼肌的量和质量的变化。 结果，在微重力下产生的量的变化(萎缩)在月面重力下被抑制，而质的变化(肌纤维类型的快筋化)的程度在月面重力下虽然比微重力下低，但没有完全被抑制。 由此，我们发现，对于比目鱼肌肌肉量的维持和肌肉纤维类型的维持，存在不同的重力阈值。 本研究成果刊登在Nature Research提供的开放存取期刊《Communications Biology》杂志上，日期为2023年4月21日。
以美国为中心的载人月球探测“阿耳忒弥斯计划”正在推进等，人类再次以月球为目标的新时代即将拉开帷幕。 人类进入宇宙时必须克服的问题之一是宇宙空间和月球表面的重力负荷的降低对生物体的影响。 迄今为止的研究中，在骨骼肌(肌肉)中，比目鱼肌在宇宙的微重力环境下会发生萎缩和肌纤维类型的速肌化，但在微重力和1G之间的重力环境(部分g )下会发生什么样的变化还不清楚。 本研究是使用MARS的部分g的首次科学成果，也是世界首次表明由重力负荷控制的小鼠骨骼肌的稳态在质和量上分别由不同的重力阈值控制。 该成果将成为今后载人宇宙探索的基础数据，同时，可以期待阐明肌肉疾病和随着年龄的增长，骨骼肌的量和质发生变化的机制，为确立针对各种肌肉疾病的防治疗法做出贡献。
责任作者 宇宙航空研究开发机构( JAXA )希望利用中心 芝大技术领域主干 筑波大学医学医疗系/跨领域医学研究中心 工藤崇副教授 高桥智教授
研究背景 骨骼肌(肌肉)是根据各种因素使量和质发生变化的可塑性高的组织。 特别是骨骼肌的质量变化，虽然从外观上很难判断，但对维持恒常性很重要。 构成骨骼肌的肌纤维根据收缩特性和代谢特性可以分为迟肌和速肌。 迟肌擅长像马拉松一样持久的肌肉收缩。 另一方面，速肌具有收缩速度快，瞬间发出较大力量的特性。 迟肌含有很多被称为I型的肌纤维。 速肌在人类中含有很多2种(类型IIa，IIx )，在小鼠等啮齿类中含有很多3种(类型IIa，IIx，IIb )的肌纤维类型。 宇航员和动物的研究表明，在宇宙空间中会发生骨骼肌的急速肌萎缩(量的变化)和肌纤维类型的变化(质的变化)。 肌肉量的减少和迟肌化( I型增加、II型减少)是由地上卧床不起等引起的废用性综合征和年龄增长引起的。 肌肉量的增加和速肌化( I型减少、II型增加)是由高强度的肌肉力量训练等引起的。 另一方面，在宇宙空间中，除了微重力以外，还有宇宙放射线等的影响，因此详细的分子机制尚不清楚。 到目前为止，JAXA正在开发通过离心机，可以在宇宙空间产生从微重力到1G的重力的小鼠饲养系统( MARS )。 JAXA和筑波大学的研究小组利用该系统，在国际宇宙空间站( ISS )的微重力(微g )和人工重力( 1G )环境下饲养老鼠约1个月，分析对骨骼肌的影响时，宇宙空间产生的骨骼肌变化几乎被人工重力( 1G )环境完全抑制了。 也就是说，研究表明，宇宙空间中骨骼肌的肌萎缩和肌纤维类型的快肌化主要由重力变化引起(参考论文1、2 )。 受此结果影响，研究小组对控制骨骼肌可塑性的重力阈值在哪里产生了疑问。
因此，在本研究中，为了明确从微重力到1G之间是否存在控制骨骼肌可塑性的重力阈值，通过MARS产生月面重力(1/6G )，从组织学和全面的基因表达分析的角度验证了能否抑制骨骼肌的量和质的变化。
研究内容和成果本研究综合分析了在ISS的“希望”日本实验楼的3次饲养任务( mhu-1、4、5任务注2 )中得到的老鼠骨骼肌(比目鱼肌)的数据。 在MHU-1任务中，在与地球重力相同的人工重力( 1G )及微重力(微g )环境下，在MHU-4、5任务中，在月球表面重力(1/6G )环境下，均饲养老鼠约1个月，研究了在各个重力环境下发生的比目鱼肌注3 )的量的变化以及肌纤维类型注4 )的质的变化。 另外，作为人工重力( 1G )的对照实验，还进行了地面对照实验。微重力下，与地面对照和人工重力( 1G )相比，引起了肌肉重量和肌肉纤维截面积的减少。 另一方面，月球表面重力没有发现肌肉重量和肌肉纤维截面积的减少，与地面对照和人工重力( 1G )程度相同，肌肉萎缩得到了抑制。 另一方面，微重力下诱导的肌纤维类型的速肌化，在月球表面重力下其程度低于微重力下。 但是，并没有被完全抑制，与地面对照和人工重力( 1G )相比，明显发生了速筋化(图a )。这暗示着月球表面重力一方面是足以抑制宇宙空间肌肉萎缩的刺激，另一方面是不足以抑制肌肉的质的变化即速肌化。 实际上，比目鱼肌的RNA测序注5 )对数据进行了比较，发现在月球表面重力下和微重力下，有些基因表达模式有所不同(图b )。 本研究在世界上首次发现，由重力负荷控制的小鼠骨骼肌的稳态在质和量上分别由不同的重力阈值控制。
今后的发展 为了将来的月球探测和月球移居，弄清楚月球重力(1/6G )对骨骼肌的影响的详细机制是很重要的。 我们认为，像本研究这样的宇宙生物学方面的实验方法的发展，不仅有助于人类进入宇宙，也有助于构筑防止地面骨骼肌萎缩的方案。 另外，宇宙飞行引起的全身变化与年龄的变化类似。 其中，随着年龄的增长，骨骼肌功能下降，肌氨酸是现代社会需要解决的问题之一。 通过本研究成果，有望明确宇宙飞行对骨骼肌的影响机制，建立针对包括肌氨酸在内的各种肌肉疾病的防治方法。
参考图
图本研究的实验概要和结果(根据论文中刊登的数据由筑波大学改编)
( a )太空实验概述和比目鱼肌组织分析。 在地面上，作为1G对照，分别饲养了地面对照组，在国际宇宙空间站，分别饲养了人工重力组( 1G )、月球表面重力组(1/6G )、微重力组(微型g )。 微重力下肌纤维截面积减少，但月球表面重力下未观察到肌纤维截面积减少。 在基于免疫组织学分析的比目鱼肌纤维类型分析中，微重力下及月面重力下类型IIb的肌纤维增加，肌纤维类型快肌化。 ( b )比目鱼肌中基因表达的分层聚类和热图注6 )。 可视化地面对照、人工重力、微重力、月面重力小鼠比目鱼肌的RNA测序数据。 红色越浓，基因表达量越高，蓝色越浓，基因表达量越低。 微重力下和月面重力下受控制的基因部分相似，但观察到了仅在微重力下基因表达量发生变化的簇4。
参考论文
1)Shiba, D. et al. Development of new experimental platform 'MARS'-Multiple Artificial-gravity Research System-to elucidate the impacts of micro/partial gravity on mice. Sci Rep 7, 10837 (2017).外部リンク
2)Okada, R. et al. Transcriptome analysis of gravitational effects on mouse skeletal muscles under microgravity and artificial 1 g onboard environment. Sci Rep 11, 9168 (2021).外部リンク
用语解说
刊登论文 【标题】 lunar gravity prevents skeletal muscle atrophy but not myo fiber type shift in mice . (月重力可抑制肌萎缩，但不能抑制肌纤维类型的改变) 【作者姓名】 林卓杜1、藤田谅1、冈田理沙2、滨田理人1、铃木陆1、布施谷清香1、James Leckey1、金井真帆1、井上由理1、定木骏弥1、中村绫乃1、冈村结1、安部力3、森田启之4、相羽达弥2、专光寺旭洋2 1 .筑波大学医学医疗系，2. JAXA载人宇宙技术部门，3 .岐阜大学，4 .东海学院大学 【刊登杂志】 通信地理空间 【刊登日期】 日本时间2023年4月21日(星期五)下午6点(在线公开) 【DOI】 10.1038/s42003-023-04769-3 < SDGs中的措施> 微重力环境下生命医学科研(生命科学研究)
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