[科普中國(guó)]-微重力下胚胎干細(xì)胞生存有何不同

編者按：

剛剛成功發(fā)射的天舟一號(hào)，除了要與天宮二號(hào)交會(huì)對(duì)接、實(shí)施推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，還要開展一系列空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)的任務(wù)。

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心是載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)的總體單位，代表中國(guó)科學(xué)院抓總負(fù)責(zé)載人航天空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)的規(guī)劃、實(shí)施及成果產(chǎn)出與推廣，具體承擔(dān)工程研制的組織管理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、測(cè)試，可靠性保障，在軌技術(shù)支持，有效載荷運(yùn)控管理，數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)用成果的推廣服務(wù)等系統(tǒng)技術(shù)支持、支撐、保障、服務(wù)工作。

在此特別感謝中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的支持！

4月中下旬，我國(guó)首艘貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)將發(fā)射，并將與天宮二號(hào)對(duì)接。

已經(jīng)進(jìn)入良好運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的天宮二號(hào)，是我國(guó)打造的第一個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室。而天舟一號(hào)雖然是貨運(yùn)飛船，但仍然搭載了不少科學(xué)實(shí)驗(yàn)。其中一項(xiàng)就是中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物所段恩奎團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)的**“微重力環(huán)境下胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目**。

干細(xì)胞生物學(xué)是21世紀(jì)矚目的研究領(lǐng)域之一，是組織工程和再生醫(yī)學(xué)研究的上游學(xué)科。干細(xì)胞的重要功能是維持和控制細(xì)胞的再生能力,它具有自我更新復(fù)制能力和多分化潛能，它可分化為多種組織細(xì)胞類型。

空間微重力效應(yīng)是否影響干細(xì)胞增殖和分化？能否利用空間微重力獨(dú)特的條件開展干細(xì)胞大規(guī)模擴(kuò)增和組織工程構(gòu)建呢？這些問(wèn)題是目前空間生物學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)的問(wèn)題。

國(guó)際研究進(jìn)展

近幾年美國(guó)宇航局（NASA）將空間干細(xì)胞培養(yǎng)作為重點(diǎn)研究的課題。

2015年NASA研究人員就首次報(bào)道了在STS-131飛行任務(wù)中進(jìn)行的空間干細(xì)胞生長(zhǎng)和組織再生方面的成果。研究結(jié)果表明太空微重力環(huán)境影響了小鼠擬胚體（EB）在太空的分化能力，抑制了譜系分化基因的表達(dá)，但有意思的是這些未分化的EB在地面條件下培養(yǎng)能夠進(jìn)一步分化。

最近，美國(guó)斯坦福大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家Arum Sharma在世界干細(xì)胞峰會(huì)上匯報(bào)一項(xiàng)在國(guó)際空間站（ISS）上開展的干細(xì)胞向心肌分化的試驗(yàn)。研究人員將干細(xì)胞送上ISS停留了1個(gè)月，平行的對(duì)照試驗(yàn)則留在地球上培養(yǎng)。初步的結(jié)果顯示，分化的心肌細(xì)胞在太空飛行時(shí)呈現(xiàn)出略微不規(guī)律的節(jié)律，但返回地面后恢復(fù)了正常的跳動(dòng)節(jié)律。

此外，加州大學(xué)洛馬林達(dá)大學(xué)移植免疫學(xué)家Mary Kearns Jonker利用一個(gè)定位器裝置進(jìn)行微重力模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)將心臟祖細(xì)胞加載到該裝置通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)來(lái)使細(xì)胞減少重力。該研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，新生兒的心臟祖細(xì)胞似乎在這些微重力條件下能更好增殖且表現(xiàn)出分化跡象—回到更原始的非專門化狀態(tài)，而成年人的心臟祖細(xì)胞并沒有出現(xiàn)這些現(xiàn)象事實(shí)上，她發(fā)現(xiàn)微重力可以激活某些遺傳途徑，從而當(dāng)受損組織再生時(shí)開始運(yùn)作。

前期地基試驗(yàn)

我們前期地基試驗(yàn)進(jìn)行了1G和模擬微重力效應(yīng)下小鼠胚胎干細(xì)胞增殖、分化特性研究，發(fā)現(xiàn)在模擬微重力效應(yīng)條件（RCCS）下小鼠胚胎干細(xì)胞分化能力增強(qiáng)，并且更容易向內(nèi)胚層和中胚層分化，并且已發(fā)現(xiàn)引起這種變化的關(guān)鍵基因和分子信號(hào)通路**。**

**但模擬微重力效應(yīng)并不是真實(shí)的微重力條件，只有太空才能提供真實(shí)的微重力環(huán)境，**所以我們將利用天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船的空間實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，探討太空微重力環(huán)境下小鼠胚胎干細(xì)胞的增殖、分化特征，同時(shí)與1G和模擬微重力效應(yīng)條件下的同步實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，全面了解微重力對(duì)胚胎干細(xì)胞增殖、分化的影響，同時(shí)探討（微）重力在胚胎干細(xì)胞增殖、分化過(guò)程中的作用及其機(jī)制。

空間實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)利用天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船搭載Oct4-GFP小鼠胚胎干細(xì)胞、Oct4-GFP小鼠擬胚體、Brachyury-GFP小鼠擬胚體，通過(guò)普通光和熒光顯微成像技術(shù)觀察干細(xì)胞在太空中增殖和分化過(guò)程，并通過(guò)細(xì)胞綠色熒光信號(hào)強(qiáng)度變化以及明場(chǎng)下ES、EB細(xì)胞的形態(tài)變化特征，判斷小鼠胚胎干細(xì)胞在太空微重力下多潛能基因的維持(自我更新)和細(xì)胞的分化情況。

同時(shí)，地面將開展平行實(shí)驗(yàn),通過(guò)天地比對(duì)實(shí)驗(yàn),初步了解空間微重力環(huán)境影響干細(xì)胞增殖、分化的情況和作用機(jī)理。

首次采用活細(xì)胞熒光示蹤技術(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際上熱門的細(xì)胞研究材料胚胎干細(xì)胞開展太空實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)研究，首次采用目前地面先進(jìn)的活細(xì)胞熒光示蹤技術(shù)，即將特定基因啟動(dòng)子標(biāo)記熒光蛋白，通過(guò)連續(xù)地太空實(shí)時(shí)熒光顯微，觀察目的基因熒光的表達(dá)情況，來(lái)確定目的基因的表達(dá)狀態(tài)。最后，結(jié)合明場(chǎng)細(xì)胞的形態(tài)和克隆大小進(jìn)一步判斷細(xì)胞的生長(zhǎng)狀態(tài)，從而初步判斷太空環(huán)境對(duì)干細(xì)胞增殖、分化以及對(duì)特定基因表達(dá)影響的作用。

研究?jī)?nèi)容國(guó)際前沿 團(tuán)隊(duì)實(shí)力強(qiáng)

本實(shí)驗(yàn)研究為今后進(jìn)一步開展太空細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了新的技術(shù)方法和思路；此外本實(shí)驗(yàn)所用到的技術(shù)和方法體現(xiàn)目前干細(xì)胞生物學(xué)較先進(jìn)的水平，研究?jī)?nèi)容在國(guó)際空間生命科學(xué)領(lǐng)域也具有前沿性。

而且，本實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員均為具有十年以上的空間生命科學(xué)研究經(jīng)歷。研究團(tuán)隊(duì)先后利用了我國(guó)實(shí)踐八號(hào)、實(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功開展了空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

值得一提的是，近期中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物所段恩奎研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用我國(guó)實(shí)踐十號(hào)微重力科學(xué)衛(wèi)星開展了太空環(huán)境下哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育研究，獲得了太空中小鼠早期胚胎發(fā)育的實(shí)時(shí)顯微攝影圖片，首次觀察到哺乳動(dòng)物2-細(xì)胞胚胎在太空微重力條件下能夠分裂并且發(fā)育到囊胚階段，該研究已經(jīng)取得了階段性的成果，在世界范圍內(nèi)，首次完成太空環(huán)境下哺乳動(dòng)物植入前胚胎發(fā)育的研究。該研究在軌的部分成果也得到了國(guó)內(nèi)外主流媒體的廣泛報(bào)道。

實(shí)驗(yàn)預(yù)期成果

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，初步了解太空微重力對(duì)胚胎干細(xì)胞增殖、分化影響的作用情況，將為更好地實(shí)現(xiàn)胚胎干細(xì)胞的體外大量擴(kuò)增，更好地利用多能干細(xì)胞分化潛能提供一種新思路，為多能干細(xì)胞在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用探索一種新途徑，最終為未來(lái)利用多能干細(xì)胞服務(wù)于人類健康提供幫助。

預(yù)期將獲得太空中小鼠胚胎干細(xì)胞增殖及自我更新的實(shí)時(shí)攝影圖片；在太空中開展的小鼠擬胚體體外分化實(shí)驗(yàn)，預(yù)期將實(shí)時(shí)獲得在軌培養(yǎng)擬胚體分化情況。

最終，本研究將展示小鼠胚胎干細(xì)胞在太空環(huán)境下的增殖和分化情況，闡述太空環(huán)境條件下胚胎干細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化規(guī)律，為多能干細(xì)胞在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用探索一種新途徑，最終為未來(lái)利用多能干細(xì)胞服務(wù)于人類健康提供幫助。