微重力對人類細胞影響的研究進展

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，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致機體發(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)風險”的對抗措施具有重要意義。作為構(gòu)建機體的基本單位，研究空間環(huán)境對細胞的影響有助于深入理解空間環(huán)境影響機體的機制，故空間細胞生物學成為空間生命科學學科之一。

目前，微重力領(lǐng)域的研究多集中于細胞、組織等對微重力的感知變化，微重力下細胞適應(yīng)性改變的原理，以及引起改變的分子機制和信號網(wǎng)絡(luò)。同時，利用微重力對細胞進行三維培養(yǎng)和組織構(gòu)建已被廣泛應(yīng)用于組織工程?，F(xiàn)就微重力條件下細胞發(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)境是指機體能感受到的表觀重量遠小于實際重量的環(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，重力的改變會導致宇航員機體各系統(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，骨組織嚴重鈣流失，機體肌肉含量減少，易被病毒、細菌等感染。

研究微重力的作用需要拋物線飛行飛機、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)使位于其上的細胞感受隨機的重力矢量（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，使細胞每時每刻均感受著方向不斷變化的力量。因此可以認為，細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胞和人微血管內(nèi)皮細胞，兩種細胞均由二維變成了三維生長，且實驗進行檢測的蛋白酶體中有26種表達下調(diào)，只有一種蛋白酶體的表達發(fā)生瞬時性上調(diào)。另外，將人臍靜脈內(nèi)皮細胞置于模擬的微重力中進行培養(yǎng)，24ｈ后與普通環(huán)境下培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細胞進行對比，發(fā)現(xiàn)微重力組的血管生成能力、遷移能力均增強。

03

微重力對骨細胞的影響

微重力條件下，成骨細胞的壽命縮短，而破骨細胞的活性增強，兩者的協(xié)同作用導致大量骨質(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胞的增殖。同時，微重力還能阻斷G2/M期，從而抑制細胞增殖。成骨細胞不僅增殖會受到抑制，而且其分化也會受影響。Hu等證實，微重力能通過誘導信使RNA-132-3P的上調(diào)來抑制成骨細胞的分化。

另有學者發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境下，細胞骨架、細胞外基質(zhì)、細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胞的分化。

這些變化的機制目前尚不清楚，可能與細胞的轉(zhuǎn)錄因子有關(guān)。核心結(jié)合因子a1 (core binding factor al, Cbfa1)是成骨細胞的特異性轉(zhuǎn)錄因子，它在間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化的過程中扮演重要角色。人間充質(zhì)干細胞對應(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)干細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子Cbfa1的表達水平有所下降，而骨形成拮抗因子同源盒蛋白 (homeobox protein, HOX) A2能被Cbfa1抑制，即Cbfa1的表達水平下降，HOX-A2的表達水平上升，故人間充質(zhì)干細胞向成骨細胞的分化能力降低，這與文獻報道結(jié)果一致。

此外，微重力條件下成骨細胞中胰島素樣生長因子１的信使RNA表達會減弱。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胞的影響，而忽略了破骨細胞在其中的作用，甚至有研究者稱破骨細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胞活性增強而引起的骨吸收窩陷，證實破骨細胞在宇航員發(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胞中前破骨細胞及成熟破骨細胞的數(shù)量均增多，且骨髓細胞中自噬蛋白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致骨髓細胞向破骨細胞分化的重要原因。

04

微重力對軟骨細胞的影響

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

實驗證實，軟骨細胞在微重力條件下首先進行了細胞骨架的重排，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因子對間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞進行誘導，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的間充質(zhì)干細胞，而Ⅱ型膠原蛋白及聚集蛋白聚糖是軟骨細胞的標志蛋白，這表明在微重力環(huán)境下，間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞分化的能力更強。

05

微重力對肌肉細胞的影響

當宇航員在微環(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，小鼠成肌細胞的增殖明顯受到抑制；成肌細胞在微重力下進行分裂時不僅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表達減少，而鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ是激活細胞從G2期轉(zhuǎn)變成Ｍ期的必要激酶。

06

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)百名宇航員進行了太空飛行，其中有一半以上的宇航員發(fā)生了細菌或病毒感染。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淋巴細胞，并對比不同環(huán)境激活的Ｔ淋巴細胞信號轉(zhuǎn)導之間的差異，結(jié)果顯示在進入微重力狀態(tài)20s后，跨膜銜接蛋白連接子的磷酸化減少，Ｔ淋巴細胞亞群CD3和白細胞介素2受體的表達也快速減少，表明在微重力條件下，淋巴細胞因為信號轉(zhuǎn)導的減少，導致其功能下降。

同時，T淋巴細胞不僅功能發(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淋巴細胞內(nèi)的DNA片段和細胞色素Ｃ的水平均升高，鈣蛋白酶的活性增強，細胞凋亡的速率加快。

細胞間黏附分子 (intercellular cell adhesion mol-ecule, ICAM) 是存在于免疫細胞的跨膜蛋白。中性粒細胞募集時，其表達迅速增加，并介導中性粒細胞快速黏附于毛細血管壁上。但在微重力條件下，單核細胞與巨噬細胞中ICAM-1的表達均下調(diào)，這對細胞的遷移會產(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)由巨噬細胞分化而來的u937細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種不同環(huán)境中u937細胞的ICAM-1水平差異有統(tǒng)計學意義。

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

在微重力條件下培養(yǎng)人臍血細胞，并對其進行分化誘導，9d后對其進行檢測發(fā)現(xiàn)，實驗組中CD+16b的中性粒細胞比例、活性氧類的水平及細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并促進造血干細胞分化為成熟的中性粒細胞。然而在微重力條件下，人免疫細胞的分布和功能的改變與其他動物免疫細胞的變化并不相同。

在微重力條件下，人外周血液中的CD+3T細胞及小鼠脾臟、大鼠外周血中的CD+3T細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淋巴細胞、單核細胞的比例大幅度降低這一現(xiàn)象在宇航員體內(nèi)不明顯，甚至會升高。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。

07

微重力對間充質(zhì)干細胞的影響

間充質(zhì)干細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和再生醫(yī)學的重要基礎(chǔ)。很多研究者均曾設(shè)想，微重力能否延緩間充質(zhì)干細胞的分化速度，從而獲得更多的間充質(zhì)干細胞。

在模擬微重力反應(yīng)發(fā)生器中培養(yǎng)脂肪源性干細胞(adipose-derived stem cells, ADSCS) ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ADSCS可以聚集成<200μｍ的細胞球體，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上調(diào)所致。

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

08

微重力對成纖維細胞的影響

成纖維細胞在細胞的變性、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)的小鼠成纖維細胞相比，其成纖維細胞有238條長鏈非編碼RNA出現(xiàn)了差異，其中134條表達上調(diào)，104條表達下調(diào)，這些影響著巨噬細胞的分化、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)角膜緣成纖維細胞，角膜緣成纖維細胞具有干性特性，它可以向脂肪細胞、骨細胞和軟骨細胞分化。在微重力作用下，細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）表達卻上調(diào)，證實角膜緣成纖維細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胞的增殖卻不像其他細胞一樣會被抑制。使用3D回旋儀來模擬微重力條件培養(yǎng)人二倍體成纖維細胞，觀察細胞3d未發(fā)現(xiàn)其增殖受到影響。

09

微重力通過改變細胞內(nèi)基因及蛋白的表達情況來影響細胞的增殖、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)的細胞生物學研究多在地面模擬微重力條件下進行，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。