微重力對人類細(xì)胞影響的研究進(jìn)展

隨著載人航天事業(yè)的發(fā)展，空間站的建立，月球計劃、火星計劃等逐步推進(jìn)，航天員在空間環(huán)境中的時間日益延長, 但是否能順利適應(yīng)太空環(huán)境仍是目前面臨的一個重要問題，因此解決外太空微重力環(huán)境、空間輻射及密閉空間等導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生的一系列問題顯得尤為重要。

研究空間環(huán)境尤其是微重力對生物穩(wěn)態(tài)的維持、發(fā)育、修復(fù)、免疫和骨骼等的影響，防止由于失重引起機(jī)體免疫功能改變、感染、骨質(zhì)丟失、、感覺-運動適應(yīng)及心血管病變等，對尋求載人航天“人系統(tǒng)風(fēng)險"的對抗措施具有重要意義。作為構(gòu)建機(jī)體的基本單位，研究空間環(huán)境對細(xì)胞的影響有助于深入理解空間環(huán)境影響機(jī)體的機(jī)制，故空間細(xì)胞生物學(xué)成為空間生命科學(xué)學(xué)科之一。

目前，微重力領(lǐng)域的研究多集中于細(xì)胞、組織等對微重力的感知變化，微重力下細(xì)胞適應(yīng)性改變的原理，以及引起改變的分子機(jī)制和信號網(wǎng)絡(luò)。同時，利用微重力對細(xì)胞進(jìn)行三維培養(yǎng)和組織構(gòu)建已被廣泛應(yīng)用于組織工程。現(xiàn)就微重力條件下細(xì)胞發(fā)生的改變予以綜述，為預(yù)防和治療在微重力條件下產(chǎn)生的相關(guān)病理變化提供依據(jù)，也為更好地利用微重力環(huán)境提供理論參考。

01

微重力環(huán)境

微重力環(huán)境是指機(jī)體能感受到的表觀重量遠(yuǎn)小于實際重量的環(huán)境。在這種環(huán)境下，宇航員的四肢感受不到重量，所以能脫離地心引力做出許多在地球上難以完成的動作。然而，重力的改變會導(dǎo)致宇航員機(jī)體各系統(tǒng)生理功能的調(diào)節(jié)發(fā)生紊亂，從而引起生理及病理方面的適應(yīng)性改變，較為明顯的癥狀是有的宇航員飛行結(jié)束后的一段時間內(nèi)血壓會大幅度改變，骨組織嚴(yán)重鈣流失，機(jī)體肌肉含量減少，易被病毒、細(xì)菌等感染。

研究微重力的作用需要拋物線飛行飛機(jī)、探空火箭以及空間站等實驗平臺，但空間飛行資源的稀缺制約了研究的開展，故研究者們不得不大量采用地基模擬方法，根據(jù)不同的物理學(xué)原理開發(fā)多種模擬微重力的實驗裝置。

模擬微重力的原理是通過支持物的回轉(zhuǎn)使位于其上的細(xì)胞感受隨機(jī)的重力矢量（即平均單位時間的重力矢量之和），而重力矢量方向的不停改變，使細(xì)胞每時每刻均感受著方向不斷變化的力量。因此可以認(rèn)為，細(xì)胞受到的力量的矢量之和為０，與失重效應(yīng)相似。目前，模擬微重力常用的儀器有3D-回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)壁式回旋系統(tǒng)。

02

微重力對內(nèi)皮細(xì)胞的影響

宇航員的心血管系統(tǒng)在微重力環(huán)境下會引發(fā)功能障礙，產(chǎn)生機(jī)體立位耐力不良，即飛行結(jié)束后的一段時間內(nèi)，宇航員直立身體就會出現(xiàn)血壓下降、心跳過速等癥狀。

內(nèi)皮細(xì)胞是心血管系統(tǒng)重要的重力與壓力感受器，它對重力及壓力具有感知功能，能根據(jù)環(huán)境的變化改變自身的分泌、代謝能力，而這些變化是導(dǎo)致心血管系統(tǒng)發(fā)生紊亂的重要原因。

微重力條件培育人臍靜脈融合細(xì)胞和人微血管內(nèi)皮細(xì)胞，兩種細(xì)胞均由二維變成了三維生長，且實驗進(jìn)行檢測的蛋白酶體中有26種表達(dá)下調(diào)，只有一種蛋白酶體的表達(dá)發(fā)生瞬時性上調(diào)。另外，將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞置于模擬的微重力中進(jìn)行培養(yǎng)，24ｈ后與普通環(huán)境下培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)微重力組的血管生成能力、遷移能力均增強。

03

微重力對骨細(xì)胞的影響

微重力條件下，成骨細(xì)胞的壽命縮短，而破骨細(xì)胞的活性增強，兩者的協(xié)同作用導(dǎo)致大量骨質(zhì)流失，以致宇航員在執(zhí)行飛行任務(wù)時極易引起骨質(zhì)疏松。

研究證實，微重力會使成骨細(xì)胞的增殖受到抑制。在微重力條件下，miR-103通過調(diào)節(jié)Ｌ型電壓敏感通道中的鈣通道來抑制成骨細(xì)胞的增殖。同時，微重力還能阻斷G2/M期，從而抑制細(xì)胞增殖。成骨細(xì)胞不僅增殖會受到抑制，而且其分化也會受影響。Hu等證實，微重力能通過誘導(dǎo)信使RNA-132-3P的上調(diào)來抑制成骨細(xì)胞的分化。

另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境下，細(xì)胞骨架、細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞因子及其受體和絲裂原活化蛋白激酶均會發(fā)生改變，它們相互協(xié)作共同抑制了成骨細(xì)胞的分化。

這些變化的機(jī)制目前尚不清楚，可能與細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子有關(guān)。核心結(jié)合因子a1 (core binding factor al, Cbfa1)是成骨細(xì)胞的特異性轉(zhuǎn)錄因子，它在間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的過程中扮演重要角色。人間充質(zhì)干細(xì)胞對應(yīng)力敏感，在失重的環(huán)境下易發(fā)生形態(tài)、增殖、基因表達(dá)和功能方面的改變。

在微重力條件下培養(yǎng)人間充質(zhì)干細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Cbfa1的表達(dá)水平有所下降，而骨形成拮抗因子同源盒蛋白 (homeobox protein, HOX) A2能被Cbfa1抑制，即Cbfa1的表達(dá)水平下降，HOX-A2的表達(dá)水平上升，故人間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化能力降低，這與文獻(xiàn)報道結(jié)果一致。

此外，微重力條件下成骨細(xì)胞中胰島素樣生長因子１的信使RNA表達(dá)會減弱。而胰島素樣生長因子１能刺激骨膠原和骨基質(zhì)的生成，因此成骨細(xì)胞骨形成和骨礦化的能力也受到影響。

早期微重力環(huán)境下宇航員發(fā)生骨質(zhì)疏松這一癥狀的研究者，大多將目光集中于微重力對成骨細(xì)胞的影響，而忽略了破骨細(xì)胞在其中的作用，甚至有研究者稱破骨細(xì)胞幾乎不受微重力的影響。但隨著研究的逐漸深入，很多研究者均在微重力環(huán)境下觀察到由破骨細(xì)胞活性增強而引起的骨吸收窩陷，證實破骨細(xì)胞在宇航員發(fā)生骨質(zhì)疏松這一病理癥狀中也發(fā)揮重要作用。

另有研究證實，在微重力條件下小鼠骨髓細(xì)胞中前破骨細(xì)胞及成熟破骨細(xì)胞的數(shù)量均增多，且骨髓細(xì)胞中自噬蛋白５的含量是正常重力條件下培養(yǎng)的８倍以上。故推測，自噬蛋白的增加可能是導(dǎo)致骨髓細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化的重要原因。

04

微重力對軟骨細(xì)胞的影響

在微重力條件下培養(yǎng)人類軟骨細(xì)胞，30min即可發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)β肌動蛋白、轉(zhuǎn)化生長因子β1骨橋蛋白、β微管蛋白、波形蛋白的表達(dá)增加，它們影響著細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、增殖、分化和凋亡，以及細(xì)胞骨架的形成。

實驗證實，軟骨細(xì)胞在微重力條件下首先進(jìn)行了細(xì)胞骨架的重排，隨后才逐步適應(yīng)微重力條件，從而形成三維聚集體。此外，微重力對軟骨細(xì)胞的形成過程也有影響。

在微重力與普通重力條件下，分別使用相同的誘導(dǎo)因子對間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微重力組的Ⅱ型膠原蛋白及聚集蛋白聚糖的信使RNA和蛋白質(zhì)均明顯高于普通重力組誘導(dǎo)的間充質(zhì)干細(xì)胞，而Ⅱ型膠原蛋白及聚集蛋白聚糖是軟骨細(xì)胞的標(biāo)志蛋白，這表明在微重力環(huán)境下，間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化的能力更強。

05

微重力對肌肉細(xì)胞的影響

當(dāng)宇航員在微環(huán)境中暴露超過１周時，其肌肉的體積縮小，脂肪酸的利用率明顯降低。肌肉產(chǎn)生這些變化是因為肌肉細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分解增加，而合成降低。

實驗發(fā)現(xiàn)，在微重力條件下肌肉形成的早期階段，小鼠成肌細(xì)胞的增殖明顯受到抑制；成肌細(xì)胞在微重力下進(jìn)行分裂時不僅G2期明顯縮短，且瞬時受體電位通道１和胰島素樣生長因子１異構(gòu)體的表達(dá)也減少，其中瞬時受體電位通道１的減少會引起轉(zhuǎn)錄下游鈣水平降低，鈣水平的下降使鈣調(diào)蛋白的活性降低，鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ表達(dá)減少，而鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ是激活細(xì)胞從G2期轉(zhuǎn)變成Ｍ期的必要激酶。

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微重力對免疫系統(tǒng)的影響

自阿波羅號第一次航天飛行以來，目前已有數(shù)百名宇航員進(jìn)行了太空飛行，其中有一半以上的宇航員發(fā)生了細(xì)菌或病毒感染。雖然在微重力條件下，病原微生物由于失去向重力性會引起形態(tài)、代謝及活性等各方面的變化以致毒力增強。但是，宇航員免疫系統(tǒng)功能下降也是引起感染的一個重要因素。

Tauber等分別在正常條件和微重力條件下激活Ｔ淋巴細(xì)胞，并對比不同環(huán)境激活的Ｔ淋巴細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)之間的差異，結(jié)果顯示在進(jìn)入微重力狀態(tài)20s后，跨膜銜接蛋白連接子的磷酸化減少，Ｔ淋巴細(xì)胞亞群CD3和白細(xì)胞介素2受體的表達(dá)也快速減少，表明在微重力條件下，淋巴細(xì)胞因為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的減少，導(dǎo)致其功能下降。

同時，T淋巴細(xì)胞不僅功能發(fā)生了變化，它的壽命也受到了影響。5-脂氧合酶在失重環(huán)境中會被激活，它在Ｔ淋巴細(xì)胞的凋亡中起重要作用。一項研究表明，微重力條件下人急性Ｔ淋巴細(xì)胞內(nèi)的DNA片段和細(xì)胞色素Ｃ的水平均升高，鈣蛋白酶的活性增強，細(xì)胞凋亡的速率加快。

細(xì)胞間黏附分子 (intercellular cell adhesion mol-ecule, ICAM) 是存在于免疫細(xì)胞的跨膜蛋白。中性粒細(xì)胞募集時，其表達(dá)迅速增加，并介導(dǎo)中性粒細(xì)胞快速黏附于毛細(xì)血管壁上。但在微重力條件下，單核細(xì)胞與巨噬細(xì)胞中ICAM-1的表達(dá)均下調(diào)，這對細(xì)胞的遷移會產(chǎn)生巨大影響。在普通重力環(huán)境與微重力環(huán)境下分別培養(yǎng)由巨噬細(xì)胞分化而來的u937細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種不同環(huán)境中u937細(xì)胞的ICAM-1水平差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

此外，與普通重力環(huán)境下培養(yǎng)的小鼠巨噬細(xì)胞相比，在微重力條件下培養(yǎng)的小鼠巨噬細(xì)胞中精氨酸酶mRNA的表達(dá)上調(diào)。精氨酸酶的上調(diào)會抑制白細(xì)胞介素12B的表達(dá)，巨噬細(xì)胞的免疫功能因此而降低。

在微重力條件下培養(yǎng)人臍血細(xì)胞，并對其進(jìn)行分化誘導(dǎo)，9d后對其進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，實驗組中CD+16b的中性粒細(xì)胞比例、活性氧類的水平及細(xì)胞的趨化運動能力均高于普通環(huán)境對照組，證實微重力可以誘導(dǎo)并促進(jìn)造血干細(xì)胞分化為成熟的中性粒細(xì)胞。然而在微重力條件下，人免疫細(xì)胞的分布和功能的改變與其他動物免疫細(xì)胞的變化并不相同。

在微重力條件下，人外周血液中的CD+3T細(xì)胞及小鼠脾臟、大鼠外周血中的CD+3T細(xì)胞無論是比例還是數(shù)量均明顯降低，且隨著飛行時間的增加，其降低越明顯。但大鼠外周血及小鼠脾臟中Ｂ淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞的比例大幅度降低這一現(xiàn)象在宇航員體內(nèi)不明顯，甚至?xí)?。研究者對此現(xiàn)象的解釋大多偏向于兩者所受的輻射、自身營養(yǎng)及飛行時間和心理應(yīng)激等不同。

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微重力對間充質(zhì)干細(xì)胞的影響

間充質(zhì)干細(xì)胞具有自我更新和多向分化的能力，這種干性特征是組織工程學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)。很多研究者均曾設(shè)想，微重力能否延緩間充質(zhì)干細(xì)胞的分化速度，從而獲得更多的間充質(zhì)干細(xì)胞。

在模擬微重力反應(yīng)發(fā)生器中培養(yǎng)脂肪源性干細(xì)胞(adipose-derived stem cells, ADSCS) ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ADSCS可以聚集成<200μｍ的細(xì)胞球體，且活性較好；同時，ADSCS的多能性基因 (Oct4、Sox-2和Rex-1) 的表達(dá)均上調(diào)。

在聚乳酸羥基乙酸共聚物支架上接種人牙髓干細(xì)胞，模擬微重力條件培養(yǎng)72ｈ后，可檢測到整合素α6、磷酸化黏著斑激酶蛋白水平上調(diào)；與普通環(huán)境相比，人牙髓干細(xì)胞的黏附能力增強，其可能是整合素α6及其下游信號分子黏著斑激酶的表達(dá)上調(diào)所致。

將人牙髓干細(xì)胞接種于聚乳酸羥基乙酸共聚物支架上，放入礦化誘導(dǎo)液中進(jìn)行誘導(dǎo)，72h后，微重力環(huán)境下誘導(dǎo)的人牙髓干細(xì)胞中的Ｒａｓ同源基因家族成員A (Ras homolog gene family,member A, RhoA) 蛋白的表達(dá)較正常重力下誘導(dǎo)的人牙髓干細(xì)胞中RhoA的表達(dá)明顯降低，而RhoA蛋白水平的降低會影響細(xì)胞的礦化能力。

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微重力對成纖維細(xì)胞的影響

成纖維細(xì)胞在細(xì)胞的變性、壞死和組織的缺損以及骨創(chuàng)傷的修復(fù)中扮演重要角色。在微重力條件下培養(yǎng)小鼠的成纖維細(xì)胞，7ｄ后提取樣本的總RNA，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與普通微重力下培養(yǎng)的小鼠成纖維細(xì)胞相比，其成纖維細(xì)胞有238條長鏈非編碼RNA出現(xiàn)了差異，其中134條表達(dá)上調(diào)，104條表達(dá)下調(diào)，這些影響著巨噬細(xì)胞的分化、切口愈合的時間延長。

pao等在旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)系統(tǒng)中模擬微重力培養(yǎng)角膜緣成纖維細(xì)胞，角膜緣成纖維細(xì)胞具有干性特性，它可以向脂肪細(xì)胞、骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞分化。在微重力作用下，細(xì)胞的增殖速度明顯降低，而具有干性特征的基因 (CD14、CD45、CD90、CD105和階段特異性胚胎抗原4）表達(dá)卻上調(diào)，證實角膜緣成纖維細(xì)胞在微重力下能表現(xiàn)出更強的多向分化能力。

然而，微重力下培養(yǎng)的人二倍體成纖維細(xì)胞的增殖卻不像其他細(xì)胞一樣會被抑制。使用3D回旋儀來模擬微重力條件培養(yǎng)人二倍體成纖維細(xì)胞，觀察細(xì)胞3d未發(fā)現(xiàn)其增殖受到影響。

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微重力通過改變細(xì)胞內(nèi)基因及蛋白的表達(dá)情況來影響細(xì)胞的增殖、發(fā)育及分化。目前的研究有很多局限性，主要因為軌道環(huán)境及外太空環(huán)境難以實現(xiàn)及高額的實驗成本，所以絕大部分微重力環(huán)境相關(guān)的細(xì)胞生物學(xué)研究多在地面模擬微重力條件下進(jìn)行，這也使得實驗結(jié)果與現(xiàn)實結(jié)果存在一定的偏差。面對迅猛發(fā)展的太空航天技術(shù)，解決微重力環(huán)境下人體內(nèi)環(huán)境失衡、心血管系統(tǒng)紊亂、骨質(zhì)疏松、鈣質(zhì)流失、免疫系統(tǒng)功能下降等問題，對進(jìn)一步探索外太空，及更好地利用空間資源來造福人類具有重要意義。