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微重力对人类细胞影响的研究进展

更新时间：2025-04-27点击次数：23

随着载人航天事业的发展，空间站的建立，月球计划、火星计划等逐步推进，航天员在空间环境中的时间日益延长, 但是否能顺利适应太空环境仍是目前面临的一个重要问题，因此解决外太空微重力环境、空间辐射及密闭空间等导致机体发生的一系列问题显得尤为重要。

研究空间环境尤其是微重力对生物稳态的维持、发育、修复、免疫和骨骼等的影响，防止由于失重引起机体免疫功能改变、感染、骨质丢失、感觉-运动适应及心血管病变等，对寻求载人航天“人系统风险"的对抗措施具有重要意义。作为构建机体的基本单位，研究空间环境对细胞的影响有助于深入理解空间环境影响机体的机制，故空间细胞生物学成为空间生命科学前沿的学科之一。
目前，微重力领域的研究多集中于细胞、组织等对微重力的感知变化，微重力下细胞适应性改变的原理，以及引起改变的分子机制和信号网络。同时，利用微重力对细胞进行三维培养和组织构建已被广泛应用于组织工程。现就微重力条件下细胞发生的改变予以综述，为预防和治疗在微重力条件下产生的相关病理变化提供依据，也为更好地利用微重力环境提供理论参考。


01 微重力环境

微重力环境是指机体能感受到的表观重量远小于实际重量的环境。在这种环境下，宇航员的四肢感受不到重量，所以能脱离地心引力做出许多在地球上难以完成的动作。然而，重力的改变会导致宇航员机体各系统生理功能的调节发生紊乱，从而引起生理及病理方面的适应性改变，较为明显的症状是有的宇航员飞行结束后的一段时间内血压会大幅度改变，骨组织严重钙流失，机体肌肉含量减少，易被病毒、细菌等感染。
研究微重力的作用需要抛物线飞行飞机、探空火箭以及空间站等实验平台，但空间飞行资源的稀缺制约了研究的开展，故研究者们不得不大量采用地基模拟方法，根据不同的物理学原理开发多种模拟微重力的实验装置。
模拟微重力的原理是通过支持物的回转使位于其上的细胞感受随机的重力矢量（即平均单位时间的重力矢量之和），而重力矢量方向的不停改变，使细胞每时每刻均感受着方向不断变化的力量。因此可以认为，细胞受到的力量的矢量之和为０，与失重效应相似。目前，模拟微重力常用的仪器有3D-回转系统和旋转壁式回旋系统。


02 微重力对内皮细胞的影响

宇航员的心血管系统在微重力环境下会引发功能障碍，产生机体立位耐力不良，即飞行结束后的一段时间内，宇航员直立身体就会出现血压下降、心跳过速等症状。
1961年５月至1963年５月，美国共发射了６艘“水星号"飞船。其中，飞行时间最长的达34.33ｈ。此后不久，就有文献对航天飞行后宇航员发生的立位耐力不良进行了报道。有研究证实，宇航员在航空飞行后发生立位耐力不良的概率可高达64％。
内皮细胞是心血管系统重要的重力与压力感受器，它对重力及压力具有较强的感知功能，能根据环境的变化改变自身的分泌、代谢能力，而这些变化是导致心血管系统发生紊乱的重要原因。
Infanger等利用回旋发生装置模拟微重力条件，培养离体内皮细胞，约4ｈ后观察到细胞出现凋亡样形态，且重力的改变导致细胞外基质蛋白与胎肝激酶１(fetal liver kinase-1, FLK-1) 的表达增加。随后的研究发现在微重力环境中，内皮细胞分泌的蛋白至少有６种的分泌量产生大变化，其中包括在细胞骨架重排中扮演重要角色的凝溶胶蛋白和α微管蛋白。
微重力条件培育人脐静脉融合细胞和人微血管内皮细胞，两种细胞均由二维变成了三维生长，且实验进行检测的蛋白酶体中有26种表达下调，只有一种蛋白酶体的表达发生瞬时性上调。另外，将人脐静脉内皮细胞置于模拟的微重力中进行培养，24ｈ后与普通环境下培养的人脐静脉内皮细胞进行对比，发现微重力组的血管生成能力、迁移能力均增强。


03 微重力对骨细胞的影响

微重力条件下，成骨细胞的寿命缩短，而破骨细胞的活性增强，两者的协同作用导致大量骨质流失，以致宇航员在执行飞行任务时极易引起骨质疏松。研究证实，微重力会使成骨细胞的增殖受到抑制。在微重力条件下，miR-103通过调节Ｌ型电压敏感通道中的钙通道来抑制成骨细胞的增殖。同时，微重力还能阻断G2/M期，从而抑制细胞增殖。成骨细胞不仅增殖会受到抑制，而且其分化也会受影响。Hu等证实，微重力能通过诱导信使RNA-132-3P的上调来抑制成骨细胞的分化。
另有学者发现，在微重力环境下，细胞骨架、细胞外基质、细胞因子及其受体和丝裂原活化蛋白激酶均会发生改变，它们相互协作共同抑制了成骨细胞的分化。
这些变化的机制目前尚不清楚，可能与细胞的转录因子有关。核心结合因子a1 (core binding factor al, Cbfa1)是成骨细胞的特异性转录因子，它在间充质干细胞向成骨细胞分化的过程中扮演重要角色。人间充质干细胞对应力敏感，在失重的环境下易发生形态、增殖、基因表达和功能方面的改变。
在微重力条件下培养人间充质干细胞，结果发现转录因子Cbfa1的表达水平有所下降，而骨形成拮抗因子同源盒蛋白 (homeobox protein, HOX) A2能被Cbfa1抑制，即Cbfa1的表达水平下降，HOX-A2的表达水平上升，故人间充质干细胞向成骨细胞的分化能力降低，这与文献报道结果一致。
此外，微重力条件下成骨细胞中胰岛素样生长因子１的信使RNA表达会减弱。而胰岛素样生长因子１能刺激骨胶原和骨基质的生成，因此成骨细胞骨形成和骨矿化的能力也受到影响。
早期微重力环境下宇航员发生骨质疏松这一症状的研究者，大多将目光集中于微重力对成骨细胞的影响，而忽略了破骨细胞在其中的作用，甚至有研究者称破骨细胞几乎不受微重力的影响。但随着研究的逐渐深入，很多研究者均在微重力环境下观察到由破骨细胞活性增强而引起的骨吸收窝陷，证实破骨细胞在宇航员发生骨质疏松这一病理症状中也发挥重要作用。
另有研究证实，在微重力条件下小鼠骨髓细胞中前破骨细胞及成熟破骨细胞的数量均增多，且骨髓细胞中自噬蛋白５的含量是正常重力条件下培养的８倍以上。故推测，自噬蛋白的增加可能是导致骨髓细胞向破骨细胞分化的重要原因。


04 微重力对软骨细胞的影响

在微重力条件下培养人类软骨细胞，30min即可发现细胞内β肌动蛋白、转化生长因子β1骨桥蛋白、β微管蛋白、波形蛋白的表达增加，它们影响着细胞的结构、增殖、分化和凋亡，以及细胞骨架的形成。
实验证实，软骨细胞在微重力条件下首先进行了细胞骨架的重排，随后才逐步适应微重力条件，从而形成三维聚集体。此外，微重力对软骨细胞的形成过程也有影响。
在微重力与普通重力条件下，分别使用相同的诱导因子对间充质干细胞向软骨细胞进行诱导，结果发现微重力组的Ⅱ型胶原蛋白及聚集蛋白聚糖的信使RNA和蛋白质均明显高于普通重力组诱导的间充质干细胞，而Ⅱ型胶原蛋白及聚集蛋白聚糖是软骨细胞的标志蛋白，这表明在微重力环境下，间充质干细胞向软骨细胞分化的能力更强。
刘鹏程等利用旋转微重力培养系统培养兔的骨髓间充质干细胞，结果发现微重力能诱导印度刺猬蛋白 (Indian hedgehog, IHH) 基因的高表达，它能有效促进软骨细胞的生成，同时还能抑制软骨细胞的老化和延缓软骨细胞向成骨细胞发展的速度。


05 微重力对肌肉细胞的影响

当宇航员在微环境中暴露超过１周时，其肌肉的体积缩小，脂肪酸的利用率明显降低。肌肉产生这些变化是因为肌肉细胞中的蛋白质分解增加，而合成降低。
实验发现，在微重力条件下肌肉形成的早期阶段，小鼠成肌细胞的增殖明显受到抑制；成肌细胞在微重力下进行分裂时不仅G2期明显缩短，且瞬时受体电位通道１和胰岛素样生长因子１异构体的表达也减少，其中瞬时受体电位通道１的减少会引起转录下游钙水平降低，钙水平的下降使钙调蛋白的活性降低，钙调蛋白激酶Ⅱ表达减少，而钙调蛋白激酶Ⅱ是激活细胞从G2期转变成Ｍ期的必要激酶。


06 微重力对免疫系统的影响

自阿波罗号第一次航天飞行以来，目前已有数百名宇航员进行了太空飞行，其中有一半以上的宇航员发生了细菌或病毒感染。虽然在微重力条件下，病原微生物由于失去向重力性会引起形态、代谢及活性等各方面的变化以致毒力增强。但是，宇航员免疫系统功能下降也是引起感染的一个重要因素。
Tauber等分别在正常条件和微重力条件下激活Ｔ淋巴细胞，并对比不同环境激活的Ｔ淋巴细胞信号转导之间的差异，结果显示在进入微重力状态20s后，跨膜衔接蛋白连接子的磷酸化减少，Ｔ淋巴细胞亚群CD3和白细胞介素2受体的表达也快速减少，表明在微重力条件下，淋巴细胞因为信号转导的减少，导致其功能下降。
同时，T淋巴细胞不仅功能发生了变化，它的寿命也受到了影响。5-脂氧合酶在失重环境中会被激活，它在Ｔ淋巴细胞的凋亡中起重要作用。一项研究表明，微重力条件下人急性Ｔ淋巴细胞内的DNA片段和细胞色素Ｃ的水平均升高，钙蛋白酶的活性增强，细胞凋亡的速率加快。
细胞间黏附分子 (intercellular cell adhesion mol-ecule, ICAM) 是存在于免疫细胞的跨膜蛋白。中性粒细胞募集时，其表达迅速增加，并介导中性粒细胞快速黏附于毛细血管壁上。但在微重力条件下，单核细胞与巨噬细胞中ICAM-1的表达均下调，这对细胞的迁移会产生巨大影响。在普通重力环境与微重力环境下分别培养由巨噬细胞分化而来的u937细胞，结果发现两种不同环境中u937细胞的ICAM-1水平差异有统计学意义。
此外，与普通重力环境下培养的小鼠巨噬细胞相比，在微重力条件下培养的小鼠巨噬细胞中精氨酸酶mRNA的表达上调。精氨酸酶的上调会抑制白细胞介素12B的表达，巨噬细胞的免疫功能因此而降低。
在微重力条件下培养人脐血细胞，并对其进行分化诱导，9d后对其进行检测发现，实验组中CD+16b的中性粒细胞比例、活性氧类的水平及细胞的趋化运动能力均高于普通环境对照组，证实微重力可以诱导并促进造血干细胞分化为成熟的中性粒细胞。然而在微重力条件下，人免疫细胞的分布和功能的改变与其他动物免疫细胞的变化并不相同。
在微重力条件下，人外周血液中的CD+3T细胞及小鼠脾脏、大鼠外周血中的CD+3T细胞无论是比例还是数量均明显降低，且随着飞行时间的增加，其降低越明显。但大鼠外周血及小鼠脾脏中Ｂ淋巴细胞、单核细胞的比例大幅度降低这一现象在宇航员体内不明显，甚至会升高。研究者对此现象的解释大多偏向于两者所受的辐射、自身营养及飞行时间和心理应激等不同。


07 微重力对间充质干细胞的影响

间充质干细胞具有自我更新和多向分化的能力，这种干性特征是组织工程学和再生医学的重要基础。很多研究者均曾设想，微重力能否延缓间充质干细胞的分化速度，从而获得更多的间充质干细胞。
在模拟微重力反应发生器中培养脂肪源性干细胞(adipose-derived stem cells, ADSCS) ，结果发现ADSCS       可以聚集成<200μｍ的细胞球体，且活性较好；同时，ADSCS的多能性基因 (Oct4、Sox-2和Rex-1) 的表达均上调。
在聚乳酸羟基乙酸共聚物支架上接种人牙髓干细胞，模拟微重力条件培养72ｈ后，可检测到整合素α6、磷酸化黏着斑激酶蛋白水平上调；与普通环境相比，人牙髓干细胞的黏附能力增强，其可能是整合素α6及其下游信号分子黏着斑激酶的表达上调所致。
将人牙髓干细胞接种于聚乳酸羟基乙酸共聚物支架上，放入矿化诱导液中进行诱导，72h后，微重力环境下诱导的人牙髓干细胞中的Ｒａｓ同源基因家族成员A (Ras homolog gene family,member A, RhoA) 蛋白的表达较正常重力下诱导的人牙髓干细胞中RhoA的表达明显降低，而RhoA蛋白水平的降低会影响细胞的矿化能力。


08 微重力对成纤维细胞的影响

成纤维细胞在细胞的变性、坏死和组织的缺损以及骨创伤的修复中扮演重要角色。在微重力条件下培养小鼠的成纤维细胞，7ｄ后提取样本的总RNA，结果发现与普通微重力下培养的小鼠成纤维细胞相比，其成纤维细胞有238条长链非编码RNA出现了差异，其中134条表达上调，104条表达下调，这些影响着巨噬细胞的分化、切口愈合的时间延长。
pao等在旋转培养系统中模拟微重力培养角膜缘成纤维细胞，角膜缘成纤维细胞具有干性特性，它可以向脂肪细胞、骨细胞和软骨细胞分化。在微重力作用下，细胞的增殖速度明显降低，而具有干性特征的基因 (CD14、CD45、CD90、CD105和阶段特异性胚胎抗原4）表达却上调，证实角膜缘成纤维细胞在微重力下能表现出更强的多向分化能力。
然而，微重力下培养的人二倍体成纤维细胞的增殖却不像其他细胞一样会被抑制。使用3D回旋仪来模拟微重力条件培养人二倍体成纤维细胞，观察细胞3d未发现其增殖受到影响。


09 小结

微重力通过改变细胞内基因及蛋白的表达情况来影响细胞的增殖、发育及分化。目前的研究有很多局限性，主要因为轨道环境及外太空环境难以实现及高额的实验成本，所以绝大部分微重力环境相关的细胞生物学研究多在地面模拟微重力条件下进行，这也使得实验结果与现实结果存在一定的偏差。面对迅猛发展的太空航天技术，解决微重力环境下人体内环境失衡、心血管系统紊乱、骨质疏松、钙质流失、免疫系统功能下降等问题，对进一步探索外太空，及更好地利用空间资源来造福人类具有重要意义。


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