張翠 李亮 王金福

空間醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，空間飛行可導(dǎo)致心血管功能障礙、骨密度丟失、肌肉萎縮、免疫功能下降、內(nèi)分泌功能紊亂、空間運(yùn)動(dòng)疾病等多種生理及病理變化。生物個(gè)體的表現(xiàn)是通過細(xì)胞水平表現(xiàn)出來的。因此，空間環(huán)境對離體細(xì)胞的影響越來越受到重視。干細(xì)胞作為一類具有增殖和分化潛能的特殊細(xì)胞，研究和應(yīng)用廣泛，在空間生物醫(yī)學(xué)中的研究也逐漸受到關(guān)注。

對人體有影響的空間環(huán)境主要是微重力和輻射，而微重力作為人們在太空活動(dòng)中不可避免的一個(gè)重要的環(huán)境因素，其對細(xì)胞形態(tài)、增殖、分化和信號傳導(dǎo)方面有廣泛的影響。本文就今年來空間微重力環(huán)境以及地基模擬微重力條件對各種干細(xì)胞影響的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、微重力對間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cell，MSC）的影響

MSC是干細(xì)胞家族的重要成員，來源于發(fā)育早期的中胚層和外胚層。在體內(nèi)或體外特定誘導(dǎo)條件下，MSC可分化為脂肪、骨、軟骨、神經(jīng)、肝、內(nèi)皮、心臟等多種組織細(xì)胞。

1.微重力影響MSC的形態(tài)和增殖：地面模擬微重力實(shí)驗(yàn)表明，相較于正常培養(yǎng)條件下的成纖維細(xì)胞狀態(tài)，在微重力環(huán)境中的MSC形態(tài)更加扁平，細(xì)胞匯合密度更低[1]；Gershovich等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在模擬微重力下，骨髓MSC的肌動(dòng)蛋白骨架被破壞，黏著斑蛋白的分布發(fā)生了改變，整合素-α2的表達(dá)增加。他們還發(fā)現(xiàn)表達(dá)VCAM-1的細(xì)胞數(shù)量明顯增加，并且細(xì)胞中ICAM-1的表達(dá)發(fā)生變化，提示微重力會(huì)導(dǎo)致人MSC的微絲發(fā)生可逆性變化，并引起細(xì)胞黏附性改變。Zhang等[3]利用臥式回旋生物反應(yīng)器模擬微重力培養(yǎng)犬MSC，并通過掃描電鏡進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器中培養(yǎng)的細(xì)胞生長速度、數(shù)量及形態(tài)比靜止?fàn)顟B(tài)培養(yǎng)的細(xì)胞要好。Yuge等[4]通過三維回旋器微重力培養(yǎng)人MSC也得出相似的結(jié)論。但是，Dai等[5]利用回旋器模擬微重力研究大鼠骨髓MSC，結(jié)果顯示鼠骨髓MSC增殖受到抑制，細(xì)胞周期阻斷在G0/G1期。KUBIK空間飛行任務(wù)ISS 12S中進(jìn)行的骨髓MSC空間試驗(yàn)結(jié)果顯示，在太空飛行中的細(xì)胞增殖受到抑制，細(xì)胞周期基因的表達(dá)下降[6]。分析上述兩種結(jié)果出現(xiàn)的原因有可能是進(jìn)行試驗(yàn)的方法不同導(dǎo)致細(xì)胞處于不同的生長條件下，從而對MSC的增殖產(chǎn)生不同的影響。

2.微重力影響MSC的分化：重力是影響MSC分化的一項(xiàng)重要因素：超重狀態(tài)誘導(dǎo)MSC向力學(xué)敏感性細(xì)胞如成骨細(xì)胞和心肌細(xì)胞分化，而失重狀態(tài)則促使MSC向脂肪細(xì)胞等力學(xué)不敏感性細(xì)胞分化[7]。地面模擬微重力實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在微重力環(huán)境下，MSC不能表達(dá)成骨向分化的標(biāo)志分子，如堿性磷酸酶、Ⅰ型膠原和骨連接蛋白，并且調(diào)節(jié)成骨分化的Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子-2（Runx2）的表達(dá)受到抑制；但對脂肪分化具有重要促進(jìn)作用的過氧化物酶體增值激活受體-2（PPARγ2）、降脂蛋白、瘦蛋白和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4的表達(dá)則顯著增加。這表明微重力抑制MSC的成骨分化，促進(jìn)其成脂分化。通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境中MSC的ERK磷酸化降低，P38磷酸化增加，而這些信號分子與Runx2和PPARγ2的活性調(diào)節(jié)有關(guān)[8]。Meyers等[9]研究發(fā)現(xiàn)在模擬微重力下，整聯(lián)蛋白/MAPK通路活性的降低對人MSC的成骨分化有顯著的影響。該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，微重力抑制微絲支架的形成及RhoA的活性來抑制人MSC的成骨分化和促成脂細(xì)胞的分化[10]。MSC的分化潛能還與端粒酶的活性有關(guān)[11]。Zheng等[12]進(jìn)一步采用能促進(jìn)Runx2表達(dá)的BMP、促進(jìn)ERK磷酸化的FGF2以及和抑制P38/MAPK的SB203580抑制劑等3種因子，通過調(diào)控人MSC中Runx2和PPARγ2的表達(dá)以及ERK和P38MAPK磷酸化來調(diào)節(jié)微重力下人MSC的成骨分化，表明微重力通過不同的信號抑制人骨髓MSC的成骨分化，促進(jìn)其成脂分化。王會(huì)長等[13]通過與靜態(tài)培養(yǎng)相比較發(fā)現(xiàn)，微重力條件下動(dòng)態(tài)三維培養(yǎng)的人骨髓MSC中II型膠原和蛋白聚糖顯著增加，提示微重力促進(jìn)人骨髓MSC的軟骨分化。Yu等[14]研究發(fā)現(xiàn)，微重力通過P38MAPK信號誘導(dǎo)ADSC的軟骨分化。Chen等[15]等在模擬微重力及神經(jīng)細(xì)胞分化培養(yǎng)基中培養(yǎng)人MSC，發(fā)現(xiàn)與正常培養(yǎng)比較，微重力中鼠間充質(zhì)細(xì)胞的MAP-2、TH和CHAT的表達(dá)增加，并且隨著時(shí)間的增長，鼠MSC分泌更多的NGF、BDNF和CNTF。上述結(jié)果表明微重力促使間充質(zhì)向神經(jīng)細(xì)胞分化?？臻g飛行試驗(yàn)的結(jié)果表明骨髓MSC中表達(dá)改變的基因大部分都與神經(jīng)發(fā)育，神經(jīng)形態(tài)，神經(jīng)沖動(dòng)和突觸的傳遞有關(guān)[6]。Luo等[16]還研究發(fā)現(xiàn)，微重力刺激MSC向髓核細(xì)胞樣表型的分化。TGF-β1在微重力下促進(jìn)刺激MSC向髓核細(xì)胞樣表型的分化[17]。在特定的誘導(dǎo)條件下，模擬微重力還能促進(jìn)MSC向內(nèi)皮細(xì)胞[18]和心肌細(xì)胞[19]分化。

二、微重力對造血干細(xì)胞（hematopoietic stem cell，HSC）的影響

HSC是骨髓中的干細(xì)胞，具有自我更新并分化為各種血細(xì)胞前體細(xì)胞的能力，最終可生成各種血細(xì)胞，包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板等。

1.微重力影響HSC的增殖和遷移：微重力通過改變骨髓CD34+細(xì)胞的骨架及細(xì)胞周期來改變其遷移能力。在模擬微重力環(huán)境中，骨髓CD34+細(xì)胞的SDF-1α定向遷移顯著減少，F(xiàn)-actin的表達(dá)降低，細(xì)胞周期動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變，細(xì)胞周期的S期延長，細(xì)胞周期素A的表達(dá)降低，說明微重力顯著抑制骨髓中CD34+細(xì)胞的遷移能力，抑制細(xì)胞周期的進(jìn)行。Plett等[20]認(rèn)為這也許就是宇宙飛行過程中血液系統(tǒng)異常的原因。CD34+細(xì)胞培養(yǎng)在正常重力下4～6 d增殖3倍，在微重力環(huán)境下的細(xì)胞則不增殖。一個(gè)可能的解釋是在微重力下的細(xì)胞退出G0/G1期比正常對照的要晚[21]。龍星星等[22]研究了人紅白血病細(xì)胞—K562細(xì)胞在RCCS系統(tǒng)中的生長狀況，發(fā)現(xiàn)模擬微重力環(huán)境抑制K562細(xì)胞的增殖，使細(xì)胞周期阻滯于G0/G1期，認(rèn)為這可能是由于在模擬微重力作用下ERK1/2的磷酸化水平下降所導(dǎo)致。研究發(fā)現(xiàn)乘坐Cosmos-2044生物實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星14 d宇宙飛行后的大鼠骨髓中紅細(xì)胞、粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及造血細(xì)胞祖細(xì)胞的數(shù)量與地面對照組相比明顯減少[23]。在航天飛行任務(wù)STS-63及STS-6922中[24]，與地面對照組相比，總細(xì)胞的擴(kuò)增數(shù)減少57﹪～84﹪（41.0～65.5倍/10.1～17.6倍）；骨髓祖細(xì)胞數(shù)量分別擴(kuò)增2.6～17.5倍與0.9～7.0倍；紅細(xì)胞祖細(xì)胞的擴(kuò)增倍數(shù)也降低83﹪以上。失重還使得大鼠骨髓中部分HSC及單核-巨噬細(xì)胞和紅細(xì)胞的前體細(xì)胞減少[25]。后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，骨髓CD34+細(xì)胞在旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器（rotating wall vessel bioreactor，RWVB）環(huán)境中培養(yǎng)4～6 d時(shí)，其增殖受到抑制[26]。這些結(jié)果顯示微重力會(huì)直接抑制造血原始細(xì)胞的增殖分化，尤其對紅系原始細(xì)胞的抑制作用更明顯。

2.微重力對HSC分化的影響：Plett等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在模擬微重力下培養(yǎng)14～18 d的骨髓CD34+細(xì)胞向骨髓細(xì)胞分化而不行紅細(xì)胞分化，表明微重力影響骨髓CD34+細(xì)胞的分化模式。對太空飛行的大鼠進(jìn)行血液學(xué)檢測發(fā)現(xiàn)，大鼠的細(xì)胞比容、紅細(xì)胞數(shù)量及血紅蛋白檢測顯著降低，中性粒細(xì)胞及白細(xì)胞有少許增加，骨髓和脾細(xì)胞分化以及促血紅細(xì)胞生成素沒有明顯的改變[27]。收集太空飛行大鼠的骨髓祖細(xì)胞并進(jìn)行恢復(fù)培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，飛行過的大鼠總白細(xì)胞數(shù)量減少，淋巴球以及單核細(xì)胞的絕對數(shù)量也減少，并且相較于地面對照組，實(shí)驗(yàn)組中擁有更少的CD4、CD8、CD2、CD3以及B細(xì)胞，但脾臟淋巴細(xì)胞沒有明顯的差異[28]。龍星星等[22]研究還發(fā)現(xiàn)模擬微重力抑制hemin誘導(dǎo)的K562細(xì)胞分化，紅細(xì)胞生成減少，從而證實(shí)在微重力環(huán)境下“航天貧血癥”的發(fā)生。他們還發(fā)現(xiàn)微重力未抑制GATA-1的表達(dá)，認(rèn)為K562分化受到微重力的抑制與GATA-1無關(guān)。

微重力在人臍靜脈血干細(xì)胞向血管內(nèi)皮誘導(dǎo)以及細(xì)胞增殖方面也有重要的作用[29]。從廢棄的人臍靜脈血樣本中分離CD34+單核細(xì)胞，將它在微重力下培養(yǎng)14 d。在培養(yǎng)過程中添加血管內(nèi)皮生長因子的前提下，微重力條件下出現(xiàn)了明顯的3D組織樣集落細(xì)胞增殖。在第4天，培養(yǎng)在微重力下的CD34+細(xì)胞生成了血管樣結(jié)構(gòu)，并表達(dá)內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)志。

三、重力對牙周膜干細(xì)胞（periodontal ligament stem cell，PDLSC）的影響

PDLSC是牙周組織再生最直接、最可靠的種子細(xì)胞，也是牙周缺損細(xì)胞治療和基因治療重要的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。在牙周病治療、種植體周圍軟硬組織缺損修復(fù)、正畸牙移動(dòng)過程中的修復(fù)與重建中均發(fā)揮重要作用。

1.微重力影響牙周膜干細(xì)胞的形態(tài)和增殖

模擬微重力能促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞的增殖和生存能力，改變其形態(tài)，并造成微絲結(jié)構(gòu)的解體[30]。這種微絲結(jié)構(gòu)的改變呈時(shí)間依賴性并使細(xì)胞遷移能力下降[31]。微重力環(huán)境下的牙周膜干細(xì)胞呈半球形，少數(shù)鋪展為不規(guī)則扁平或長梭型，生長速度明顯增加[32]。利用微重力環(huán)境，可以獲得大量的體外牙周膜干細(xì)胞，為構(gòu)建工程化的牙周組織奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.微重力影響牙周膜干細(xì)胞的分化機(jī)制

在成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基中，微重力增加牙周干細(xì)胞的礦化沉積，并且礦化相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)[30]。Li等[33]研究發(fā)現(xiàn)，Smad2、3和4的表達(dá)在微重力環(huán)境中以一種時(shí)間依賴性的方式顯著增加，p-Smad在30 min的時(shí)候高度表達(dá)，第2個(gè)小時(shí)表達(dá)水平達(dá)到峰值（91.32﹪），而SIS3（一種Smad3 磷酸化的特異性抑制劑）的添加導(dǎo)致Col2、ALP、OCN和p-Smad的表達(dá)下降。這表明，在微重力環(huán)境下，Smad信號促進(jìn)牙周干細(xì)胞的成骨分化。李石等[34]研究也得出了相似的結(jié)論。另外，他們還發(fā)現(xiàn)，TGF-β1通過Smad信號通路促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞的成骨/成牙骨質(zhì)向分化。該研究團(tuán)隊(duì)的進(jìn)一步研究表明，IGF-1在模擬微重力環(huán)境下對牙周膜干細(xì)胞表現(xiàn)出促增殖、促成骨向分化的作用，他們認(rèn)為IGF-1可能通過調(diào)節(jié)干細(xì)胞表達(dá)OPG/RANKL參與破骨細(xì)胞的生成和活化過程[35]。

四、微重力對胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell，ESC ）的影響

ESC簡稱ES或EK細(xì)胞是早期胚胎（原腸胚期之前）或原始性腺中分離出來的一類干細(xì)胞，具有體外培養(yǎng)無限增殖、自我更新和多向分化的特性。無論在體外還是體內(nèi)環(huán)境，ES細(xì)胞都能被誘導(dǎo)分化為機(jī)體幾乎所有的細(xì)胞類型。

微重力影響胚胎干細(xì)胞的數(shù)量。Wang等[36]發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境中胚胎干細(xì)胞的總數(shù)量相較于正常培養(yǎng)明顯減少，但實(shí)驗(yàn)組與對照組之間的細(xì)胞周期并沒有明顯的差異，這表明微重力造成胚胎干細(xì)胞的主要原因并不是損害其增殖而是破壞其貼壁性。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)單純的微重力對細(xì)胞DNA的損害并不嚴(yán)重，但是微重力會(huì)影響輻射造成的DNA損傷的修復(fù)。因此，微重力從細(xì)胞貼壁性下降，凋亡率增加和阻止受損DNA的修復(fù)等方面來影響胚胎干細(xì)胞。

微重力對胚胎干細(xì)胞的分化具有顯著的影響。研究發(fā)現(xiàn)，回旋器中培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞可以分化成具有成熟肝細(xì)胞典型特征的肝細(xì)胞樣細(xì)胞，這些細(xì)胞植入小鼠體內(nèi)可進(jìn)一步的增殖和分化[37]。劉衛(wèi)生等[38]研究了模擬微重力下小鼠胚胎干細(xì)胞擬胚體的形成和分化，結(jié)果表明胚胎干細(xì)胞在模擬微重力條件下可大量快速形成擬胚體，并伴隨有內(nèi)皮樣細(xì)胞、成纖維樣細(xì)胞、肝細(xì)胞樣細(xì)胞、血管樣細(xì)胞及可自發(fā)搏動(dòng)的心肌樣細(xì)胞等不同類型組織細(xì)胞的分化。

五、微重力對肝臟干細(xì)胞（liver stem cell）的影響

姚新宇等[39]發(fā)現(xiàn)在模擬微重力三維微載體培養(yǎng)中，肝干細(xì)胞呈三維立體結(jié)構(gòu)生長，微重力有利于細(xì)胞快速增殖并維持細(xì)胞的活性和表型。同時(shí)。WB-F344肝干細(xì)胞的模擬微重力培養(yǎng)也發(fā)現(xiàn)，WB-F344細(xì)胞增殖較靜止?fàn)顟B(tài)有明顯的增加[40]。但是，Talbot等[41]在STS-126飛行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，太空環(huán)境中PICM-19豬肝細(xì)胞的生長和分化未有明顯的影響，飛行中PICM-19細(xì)胞密達(dá)到79﹪，幾乎沒有凋亡和壞死。曲鑫建等[40]通過研究模擬微重力對WB-F334肝干細(xì)胞表征分子表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)在模擬微重力下肝干細(xì)胞特異性基因甲胎蛋白（AFP）的表達(dá)強(qiáng)度及AFP陽性細(xì)胞的數(shù)量均顯著高于靜止培養(yǎng)組，而白蛋白（ACB）mRNA的表達(dá)強(qiáng)度和ACB陽性細(xì)胞均低于對照組，說明模擬微重力能較好的維持肝干細(xì)胞的特性。

六、微重力對其他干細(xì)胞的影響

Chiang等[42]發(fā)現(xiàn)微重力能促進(jìn)人神經(jīng)干細(xì)胞的增殖。研究發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境誘導(dǎo)β-腎上腺受體，上調(diào)cAMP形成和激活PKA和CREB（cAMP效應(yīng)元件結(jié)合蛋白）通路。在微重力環(huán)境中細(xì)胞內(nèi)的線粒體中受CREB調(diào)節(jié)的基因，包括PGC1α（PPAR共激活劑1α）、NRF1/2和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A的表達(dá)量顯著增加，并且ATP和線粒體的量也是增加的。因此，Chiang等[42]認(rèn)為微重力誘導(dǎo)人神經(jīng)干細(xì)胞的增殖是通過增加線粒體的功能。

模擬微重力系統(tǒng)也可促進(jìn)表皮干細(xì)胞的增殖和分化。Lei等[43]利用回旋生物反應(yīng)器來模擬微重力條件，研究微重力環(huán)境下人表皮干細(xì)胞（hEpSC)的增殖和分化。從兒童包皮中分離的hEpSC在回旋生物反應(yīng)器中培養(yǎng)15 d。結(jié)果表明，在模擬微重力條件下人表皮干細(xì)胞表現(xiàn)出更強(qiáng)的增殖和生存能力。同時(shí)，免疫染色分析顯示Ki67+細(xì)胞所占的比例在模擬微重力下高于靜態(tài)培養(yǎng)。培養(yǎng)至第10天時(shí)，微重力下表皮干細(xì)胞表達(dá)的外皮蛋白較正常條件下的減少。組織學(xué)分析表明在微重力環(huán)境中表皮干細(xì)胞是聚集的，并且形成了三維的表皮結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究為多層表皮結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了新的思路。

七、結(jié)語

本文總結(jié)了以往空間及地基模擬環(huán)境中微重力對干細(xì)胞影響的研究進(jìn)展。盡管這種研究已在多種干細(xì)胞中展開，但是大部分的研究仍停留在細(xì)胞形態(tài)和數(shù)量等表型變化上，空間環(huán)境對干細(xì)胞影響的具體機(jī)制尚未清楚，有待更深入的研究。此外，空間生命科學(xué)的研究大部分都是通過地面模擬實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行的，與空間環(huán)境的復(fù)雜性和真實(shí)性的差異導(dǎo)致人們無法得到正確的，有說服力的結(jié)論。因此，為了使空間生命科學(xué)的研究更加順利和準(zhǔn)確，無論是地面還是飛行實(shí)驗(yàn)，都必須有相應(yīng)的硬件設(shè)備，需要基于地面先進(jìn)培養(yǎng)技術(shù)和空間飛行環(huán)境的考慮，發(fā)展高度智能化的專用空間儀器、設(shè)備和合理的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)。

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