模拟微重力的细胞生物学效应

1、模拟微重力的细胞生物学效应摘 要：近年来，人类向空间领域的开发竞争日益激烈，随着国际空间站的建成和载人航天技术的进步，空间科学成为研究的热点。已知的空间环境中，微重力，辐射以及强磁场环境对人类的影响最大，而在这些因素当中，微重力的影响尤为明显。已有的研究表明，微重力环境能够对免疫系统、神经系统、内分泌系统、心血管系统和运动系统中的细胞产生明显的生理学效应。因此，研究微重力对生物体的生物学效应，特别是作用于生物体的具体的作用机制显得尤为重要，这不仅有利于为人类太空探索提供保障，也为人类的医学研究提供了必要的理论基础。本文主要就目前关于动物细胞微重力生物学效应的研究进行简要综述。关键词：模拟微重力

2、 细胞增殖 细胞形态 细胞凋亡 细胞周期1. 前 言近年来，人类向空间领域的开发竞争日益激烈，随着国际空间站的建成和载人航天技术的进步，空间生命科学和空间生物技术领域的研究呈现出了前所未有的发展形势。美俄等航天强国都已进行了几十年的空间生命科学研究，虽然已经取得了丰硕成果，但空间生命科学和生物技术的研究还处于初级阶段。对空间生命科学的研究不仅可以保证人类航天飞行的安全，另一方面其特殊的特征和优势也能为生命科学提供一个崭新的发展方向。到目前为止，已有研究结果表明空间环境，特别是失重、辐射、微磁环境、重金属离子等对哺乳动物包括人类细胞的生长和发育都有一定影响。其中失重能引起人体一系列生理变化，如对

3、人体免疫功能和内分泌系统产生影响，引起肌肉萎缩，骨质丧失等，但是引起这些现象的机制尚未清楚。2. 微重力的概念及地面模拟所谓微重力，最早是指空间飞行器在轨飞行的时候，离心力与地球引力相平衡，飞行器舱内物体处于接近零重力的状态，即微重力状态。在微重力环境下，由重力引起的自然对流基本消除，液体中浮力和液体不同密度引起的组份分离和沉浮现象消失，液体仅由表面张力约束，液滴悬浮无沉降,流体静压力消失。微重力环境与人类生存的地球环境截然不同，微重力环境对已适应地球重力影响的哺乳动物生物机能的影响，已成为空间生命科学与空间细胞生物学研究的热点。对于微重力方面的生物学研究可以采用空间搭载和地面模拟两种方式进行

4、，由于空间搭载机会难得，成本较高，故现在国内外广大学者多采用地面模拟微重力来进行微重力条件下的生物学效应的研究。地面模拟微重力所采用的设备通常为回转器，其原理是当生物体在回转器上时,虽然生物体处于重力场中,受到恒定的重力矢量作用,但是,由于回转器的转动,作用于物体上的重力,方向连续不断改变,转动一周(360)可以认为,由于重力矢量方向改变,使生物体来不及感受重力的作用(每一种生物都有一个最小感受时间或称响应时间阈值) ,其结果就像没有受到重力的作用一样,产生出类似于微重力环境下的现。因此,回转器可以用作微重力效应的模拟设备。目前常见的回转器主要是由美国宇航局（NASA）发明的RCCS生物反应器

5、（Rotary Cell Culture System)。国内也有由中国科学院研制的三维模拟微重力回旋器。3. 模拟微重力对细胞形态的影响对于细胞形态的影响，主要集中在研究决定细胞形态的细胞骨架上。已有的研究表明，由微管，微丝，中间纤维以及一些相关蛋白构成的细胞骨架决定了细胞的主要结构，细胞需要依靠微管来维持细胞形态，细胞分裂以及细胞器的运输。空间飞行中微重力的环境可能会引起细胞骨架的明显变化，主要表现为微管和微丝的解聚，微管、中间纤维的形态异常，有序性降低，微管变短，细胞核周边的网状结构消失等现象。当处于微重力状态下时，许多细胞的细胞骨架都会发生变化。一些类型的细胞的细胞骨架会在微重力作用3

6、天后得到恢复，但是其细胞形态和细胞核会显示出明显的变化。当细胞第一次受到微重力的作用时，通常还会影响F-actin的表达。国内外已经有很多学者研究了关于微重力对细胞形态的影响，特别是微重力环境对细胞骨架的影响。Tabony, J等研究了空间搭载和地面模拟两种情况下微重力对细胞微管自组装的影响，结果显示，微重力作用开始时的短暂的时间明显的抑制了胶体微粒的运输，从而影响了细胞微管的自组装和细胞的形态。Vassy等通过实验发现在空间飞行返地的乳腺癌细胞MCF-7的细胞核周的细胞角蛋白的网状结构和染色质结构非常松弛，多数细胞处在细胞周期中的有丝分裂中，有丝分裂延长，多数细胞微管的结构发生了变化。Inf

7、anger等利用地面微重力模拟仪器对甲状腺乳头状癌细胞进行了研究。结果显示，模拟微重力条件作用于细胞30分钟后，细胞骨架出现紊乱，细胞核也显示出凋亡形态特征。而模拟微重力条件处理48小时后，细胞骨架基本恢复正常。Meyers等利用成骨干细胞研究了微重力对其的影响，他们发现，F-actin构成的纤维在微重力作用3小时候出现紊乱，在微重力作用七天以后完全消失，但与此同时，G-actin构成的纤维增多，导致成骨干细胞较多的往脂肪细胞发育。国内也有很多学者对微重力条件下细胞形态的变化做了研究。唐劲天等对搭载在鈥溕裰鬯暮赔澤系男蠛谏亓鯞16的研究发现，此细胞的细胞核变化显著，与地面对照组比较太空肿瘤细胞

8、核更趋于圆形，染色质粗并聚成条索状，核仁不明显。张华等利用回转器研究了模拟微重力对人脐血管内皮细胞细胞骨架的变化，结果显示回转72小时后，回转组的细胞相对于正常重力组贴壁不好且微丝排列紊乱、微丝变短,微丝松散、稀少而且不成束排列。显示微重力条件对细胞骨架会有明显的作用。4. 模拟微重力对细胞增殖分化的影响微重力条件下细胞的增值分化能力决定着生物体在空间环境中的生长发育，组织修复等过程，因此研究微重力对细胞增殖分化的影响具有重要意义。现在许多研究都表明，微重力环境对细胞的增殖和分化有明显的影响。P.Artur Plett等利用微重力培养BM CD细胞时发现，在利用微重力培养4-6d后，微重力作用

9、组没有明显的增值现象，而正常对照组细胞增殖较旺盛，但是在微重力作用下的细胞相对于正常重力作用下的表现出更多的具有造血潜能的细胞。Z.Q.Dai等对鼠的骨髓间充质干细胞（BMSCs）在微重力下的增殖能力进行了研究，研究发现，微重力可明显抑制BMSCs的增殖，且一些细胞因子如IGF-1,EGF等对微重力作用过的细胞的保护支持作用要明显小于正常重力作用组。曲丽娜，模拟微重力条件下，PC-12 细胞iNOS、nNOS 的表达均有所增加，NO水平升高，蛋白质氧化损伤程度增加。此外，他们还发现水平回转3天后，PC12细胞并不发生明显的形态改变，相反细胞生长更加旺盛。他们推测模拟微重力条件下，细胞内NO 水

10、平升高是突触过快生长以及细胞分裂速度加快的主要原因。戢玉环等研究了模拟微重力条件下神经细胞的增值分化情况，发现模拟微重力条件下培养5 d的神经细胞的轴突长度大于正常重力条件下培养的神经细胞，且核周间隙明显,胞浆其内有丰富的细胞器结构,散在有很多糖原颗粒。党磊等研究发现，模拟微重力环境可能引起细胞骨架的变化，从而阻碍合成后的膜蛋白（如EpoR）运输到细胞膜表面，导致细胞膜表面EpoR 数量减少，使细胞对Epo 刺激变得不敏感，造成Epo 诱导的K562 细胞的增殖和分化的能力减弱。5. 模拟微重力对细胞周期的影响细胞周期是指一个细胞经生长、分裂而增殖成两个所经历的全过程，通常可分为若干阶段，即G

11、1期、S期、G2期和M期。细胞通过细胞周期依赖性蛋白激酶（CDK）和周期蛋白（cyclin）等细胞因子来实现对细胞周期的精确调控，对生物的生存、繁殖、发育和遗传均是十分重要的。当细胞遭遇环境的改变时，可通过调控细胞周期来适应环境，以便根据环境状况调节繁殖速度，以保证物种的繁衍。当细胞处于微重力环境时，细胞为了能够继续生存，也可能会通过对细胞周期进行调控来使其适应微重力的环境。目前国内外也有很对学者对微重力条件下细胞周期的变化进行了研究。Yu, F等早在1994年就利用IML 2 进行了空间搭载的实验，他们研究的针对空间失重对小扁豆根部细胞细胞周期的影响，结果发现，在微重力环境中，处于合成DNA

12、时期的细胞减少，而处于G1期的细胞增多，同时他们指出，短时间的的微重力作用也有可能影响细胞周期。M. Hughes-Fulford 利用Ros 17/2.8, MC3T3-E1, MG-63, hFOB 等哺乳动物细胞在微重力下的生理状态。他们发现由于微重力会使细胞的F-actin 解聚，从而将细胞抑制在G1期，由于微管的聚合也受到了微重力的影响，因此细胞也有可能被抑制在G2/M期。Liu Ming等在微重力作用下培养了HUVEC-C细胞。他们将细胞分别在微重力下培养0, 12, 24, 48和72小时，利用流式细胞仪检测了细胞周期的变化，结果发现，当微重力作用12小时候，可以明显观察到G2/

13、M期的阻滞现象相当明显，G2/M期的细胞比例为24%，大大高于正常重力作用组。0 Ullrich等人在研究不同重力对人类T淋巴细胞的影响时发现，当细胞经过20s的抛物线模拟失重以后，细胞周期调控基因p21的表达会上调，这也暗示p21表达量的增多会使得微重力环境下的细胞发生G1期阻滞的现象。6. 模拟微重力对细胞凋亡的影响细胞凋亡是有核细胞在一定条件下通过激活自身内部机制开启或关闭某些基因以及内源性DNA内切酶的活化,导致细胞自然性的死亡过程,在胚胎发育和组织创伤修复中具有重要的生理作用。已有的研究表明，微重力环境对细胞的生长状态有很大的影响，其中也包括对细胞凋亡的影响，这对研究生物体在空间环境

14、中的生长发育状态具有很重要的意义。Uva 等对模拟微重力条件下培养胶质细胞进行了研究,模拟失重30 min 以后,神经胶质细胞出现细胞皱缩、核断裂碎片和染色质凝聚等典型凋亡形态学特征,免疫组织化学证实,大部分细胞的胞浆中有caspase-7 酶的存在, TUNEL 方法表明DNA 断片的存在,DNA 电泳呈梯状条纹,32 h 后细胞密度明显较对照减少,说明微重力可能影响胶质细胞生理性凋亡。Lewis 等对失重状态下人类淋巴细胞(Jurkat) 研究发现,失重4h 后,30 %的细胞显示出典型凋亡特征的DNA ,而地面对照仅17 %的细胞出现特征性凋亡DNA 断片,凋亡相关蛋白Fas/APO-1

15、 的增加具有时间依存性,提示空间飞行引发的凋亡降低了淋巴细胞的增殖应答。Kossmehl 等发现,模拟微重力通过不同路径诱导滤泡甲状腺癌细胞系ML-1 细胞程序性死亡,凋亡相关蛋白P53 和Bax表达量提高, Bcl-2表达量降低,电子显微镜观察可见显著细胞凋亡形态学特征, Caspase-3 明显上调,提示微重力条件下可以通过不同路径诱导细胞凋亡。正常甲状腺细胞系HTU-5和甲状腺癌细胞系ONCO-DG1的模拟微重力实验显示,24h 后,10 %的癌细胞进入Fas 依赖凋亡路径,但也检测到线粒体的破坏和重新分配,微管中断,caspase-3 激活,证实外源与内源路径同时被激活。在旋转培养器中

16、生长的ONCO-DG1 细胞Bax 量升高,而Bcl-2 数量减少。HTU-5 细胞的凋亡现象也被实验证实,电子显微镜的凋亡形态学特征、caspase-3 的激活、Fas和Bax 的增加以及85 kDa 凋亡相关断片的升高,提示重力因素作用于线粒体导致失重时引发甲状腺细胞凋亡。7. 前景与展望20世纪90年代以后，随着空间搭载机会的逐步增加，空间实验系统不断建立，地面模拟实验模型的不断丰富完善和现代细胞分子生物学研究技术的突破创新，空间细胞生物学研究进入高速发展时期。美国国家航空航天局（NASA）在其21世纪航天发展战略中将空间细胞生物学列为首要重点发展目标。另外，国际空间站中空间细胞实验平台的实施运行，都为开展空间细胞生物学研究提供了先进的实验平台和坚实的技术基础。伴随着神舟系列飞船发射的一次次成功，我国的载人航天事业也在蓬勃发展中。越来越多的中国学者开始关注空间生物学的发展，而微重力环境对动物细胞的特殊生理效应的研究更是受到了广泛的重视。空间飞行的特殊微重力环境为人们开辟了一条认识和研究生命的新途径，也为解决地面重力因素相关问题提供了新的视角。近十几年对于微重力环境下细胞的研究运用细胞生物学和分子生物学研究技