模擬微重力的細胞生物學效應(yīng)

1、模擬微重力的細胞生物學效應(yīng)摘 要：近年來，人類向空間領(lǐng)域的開發(fā)競爭日益激烈，隨著國際空間站的建成和載人航天技術(shù)的進步，空間科學成為研究的熱點。已知的空間環(huán)境中，微重力，輻射以及強磁場環(huán)境對人類的影響最大，而在這些因素當中，微重力的影響尤為明顯。已有的研究表明，微重力環(huán)境能夠?qū)γ庖呦到y(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和運動系統(tǒng)中的細胞產(chǎn)生明顯的生理學效應(yīng)。因此，研究微重力對生物體的生物學效應(yīng)，特別是作用于生物體的具體的作用機制顯得尤為重要，這不僅有利于為人類太空探索提供保障，也為人類的醫(yī)學研究提供了必要的理論基礎(chǔ)。本文主要就目前關(guān)于動物細胞微重力生物學效應(yīng)的研究進行簡要綜述。關(guān)鍵詞：模擬微重力

2、 細胞增殖 細胞形態(tài) 細胞凋亡 細胞周期1. 前 言近年來，人類向空間領(lǐng)域的開發(fā)競爭日益激烈，隨著國際空間站的建成和載人航天技術(shù)的進步，空間生命科學和空間生物技術(shù)領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出了前所未有的發(fā)展形勢。美俄等航天強國都已進行了幾十年的空間生命科學研究，雖然已經(jīng)取得了豐碩成果，但空間生命科學和生物技術(shù)的研究還處于初級階段。對空間生命科學的研究不僅可以保證人類航天飛行的安全，另一方面其特殊的特征和優(yōu)勢也能為生命科學提供一個嶄新的發(fā)展方向。到目前為止，已有研究結(jié)果表明空間環(huán)境，特別是失重、輻射、微磁環(huán)境、重金屬離子等對哺乳動物包括人類細胞的生長和發(fā)育都有一定影響。其中失重能引起人體一系列生理變化，如對

3、人體免疫功能和內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生影響，引起肌肉萎縮，骨質(zhì)喪失等，但是引起這些現(xiàn)象的機制尚未清楚。2. 微重力的概念及地面模擬所謂微重力，最早是指空間飛行器在軌飛行的時候，離心力與地球引力相平衡，飛行器艙內(nèi)物體處于接近零重力的狀態(tài)，即微重力狀態(tài)。在微重力環(huán)境下，由重力引起的自然對流基本消除，液體中浮力和液體不同密度引起的組份分離和沉浮現(xiàn)象消失，液體僅由表面張力約束，液滴懸浮無沉降,流體靜壓力消失。微重力環(huán)境與人類生存的地球環(huán)境截然不同，微重力環(huán)境對已適應(yīng)地球重力影響的哺乳動物生物機能的影響，已成為空間生命科學與空間細胞生物學研究的熱點。對于微重力方面的生物學研究可以采用空間搭載和地面模擬兩種方式進行

4、，由于空間搭載機會難得，成本較高，故現(xiàn)在國內(nèi)外廣大學者多采用地面模擬微重力來進行微重力條件下的生物學效應(yīng)的研究。地面模擬微重力所采用的設(shè)備通常為回轉(zhuǎn)器，其原理是當生物體在回轉(zhuǎn)器上時,雖然生物體處于重力場中,受到恒定的重力矢量作用,但是,由于回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)動,作用于物體上的重力,方向連續(xù)不斷改變,轉(zhuǎn)動一周(360)可以認為,由于重力矢量方向改變,使生物體來不及感受重力的作用(每一種生物都有一個最小感受時間或稱響應(yīng)時間閾值) ,其結(jié)果就像沒有受到重力的作用一樣,產(chǎn)生出類似于微重力環(huán)境下的現(xiàn)。因此,回轉(zhuǎn)器可以用作微重力效應(yīng)的模擬設(shè)備。目前常見的回轉(zhuǎn)器主要是由美國宇航局（NASA）發(fā)明的RCCS生物反應(yīng)器

5、（Rotary Cell Culture System)。國內(nèi)也有由中國科學院研制的三維模擬微重力回旋器。3. 模擬微重力對細胞形態(tài)的影響對于細胞形態(tài)的影響，主要集中在研究決定細胞形態(tài)的細胞骨架上。已有的研究表明，由微管，微絲，中間纖維以及一些相關(guān)蛋白構(gòu)成的細胞骨架決定了細胞的主要結(jié)構(gòu)，細胞需要依靠微管來維持細胞形態(tài)，細胞分裂以及細胞器的運輸?？臻g飛行中微重力的環(huán)境可能會引起細胞骨架的明顯變化，主要表現(xiàn)為微管和微絲的解聚，微管、中間纖維的形態(tài)異常，有序性降低，微管變短，細胞核周邊的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消失等現(xiàn)象。當處于微重力狀態(tài)下時，許多細胞的細胞骨架都會發(fā)生變化。一些類型的細胞的細胞骨架會在微重力作用3

6、天后得到恢復，但是其細胞形態(tài)和細胞核會顯示出明顯的變化。當細胞第一次受到微重力的作用時，通常還會影響F-actin的表達。國內(nèi)外已經(jīng)有很多學者研究了關(guān)于微重力對細胞形態(tài)的影響，特別是微重力環(huán)境對細胞骨架的影響。Tabony, J等研究了空間搭載和地面模擬兩種情況下微重力對細胞微管自組裝的影響，結(jié)果顯示，微重力作用開始時的短暫的時間明顯的抑制了膠體微粒的運輸，從而影響了細胞微管的自組裝和細胞的形態(tài)。Vassy等通過實驗發(fā)現(xiàn)在空間飛行返地的乳腺癌細胞MCF-7的細胞核周的細胞角蛋白的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)非常松弛，多數(shù)細胞處在細胞周期中的有絲分裂中，有絲分裂延長，多數(shù)細胞微管的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。Inf

7、anger等利用地面微重力模擬儀器對甲狀腺乳頭狀癌細胞進行了研究。結(jié)果顯示，模擬微重力條件作用于細胞30分鐘后，細胞骨架出現(xiàn)紊亂，細胞核也顯示出凋亡形態(tài)特征。而模擬微重力條件處理48小時后，細胞骨架基本恢復正常。Meyers等利用成骨干細胞研究了微重力對其的影響，他們發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-actin構(gòu)成的纖維在微重力作用3小時候出現(xiàn)紊亂，在微重力作用七天以后完全消失，但與此同時，G-actin構(gòu)成的纖維增多，導致成骨干細胞較多的往脂肪細胞發(fā)育。國內(nèi)也有很多學者對微重力條件下細胞形態(tài)的變化做了研究。唐勁天等對搭載在鈥溕裰鬯暮賠澤系男蠛諫亓鯞16的研究發(fā)現(xiàn)，此細胞的細胞核變化顯著，與地面對照組比較太空腫瘤細胞

8、核更趨于圓形，染色質(zhì)粗并聚成條索狀，核仁不明顯。張華等利用回轉(zhuǎn)器研究了模擬微重力對人臍血管內(nèi)皮細胞細胞骨架的變化，結(jié)果顯示回轉(zhuǎn)72小時后，回轉(zhuǎn)組的細胞相對于正常重力組貼壁不好且微絲排列紊亂、微絲變短,微絲松散、稀少而且不成束排列。顯示微重力條件對細胞骨架會有明顯的作用。4. 模擬微重力對細胞增殖分化的影響微重力條件下細胞的增值分化能力決定著生物體在空間環(huán)境中的生長發(fā)育，組織修復等過程，因此研究微重力對細胞增殖分化的影響具有重要意義?，F(xiàn)在許多研究都表明，微重力環(huán)境對細胞的增殖和分化有明顯的影響。P.Artur Plett等利用微重力培養(yǎng)BM CD細胞時發(fā)現(xiàn)，在利用微重力培養(yǎng)4-6d后，微重力作用

9、組沒有明顯的增值現(xiàn)象，而正常對照組細胞增殖較旺盛，但是在微重力作用下的細胞相對于正常重力作用下的表現(xiàn)出更多的具有造血潛能的細胞。Z.Q.Dai等對鼠的骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）在微重力下的增殖能力進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，微重力可明顯抑制BMSCs的增殖，且一些細胞因子如IGF-1,EGF等對微重力作用過的細胞的保護支持作用要明顯小于正常重力作用組。曲麗娜，模擬微重力條件下，PC-12 細胞iNOS、nNOS 的表達均有所增加，NO水平升高，蛋白質(zhì)氧化損傷程度增加。此外，他們還發(fā)現(xiàn)水平回轉(zhuǎn)3天后，PC12細胞并不發(fā)生明顯的形態(tài)改變，相反細胞生長更加旺盛。他們推測模擬微重力條件下，細胞內(nèi)NO 水

10、平升高是突觸過快生長以及細胞分裂速度加快的主要原因。戢玉環(huán)等研究了模擬微重力條件下神經(jīng)細胞的增值分化情況，發(fā)現(xiàn)模擬微重力條件下培養(yǎng)5 d的神經(jīng)細胞的軸突長度大于正常重力條件下培養(yǎng)的神經(jīng)細胞，且核周間隙明顯,胞漿其內(nèi)有豐富的細胞器結(jié)構(gòu),散在有很多糖原顆粒。黨磊等研究發(fā)現(xiàn)，模擬微重力環(huán)境可能引起細胞骨架的變化，從而阻礙合成后的膜蛋白（如EpoR）運輸?shù)郊毎け砻?，導致細胞膜表面EpoR 數(shù)量減少，使細胞對Epo 刺激變得不敏感，造成Epo 誘導的K562 細胞的增殖和分化的能力減弱。5. 模擬微重力對細胞周期的影響細胞周期是指一個細胞經(jīng)生長、分裂而增殖成兩個所經(jīng)歷的全過程，通?？煞譃槿舾呻A段，即G

11、1期、S期、G2期和M期。細胞通過細胞周期依賴性蛋白激酶（CDK）和周期蛋白（cyclin）等細胞因子來實現(xiàn)對細胞周期的精確調(diào)控，對生物的生存、繁殖、發(fā)育和遺傳均是十分重要的。當細胞遭遇環(huán)境的改變時，可通過調(diào)控細胞周期來適應(yīng)環(huán)境，以便根據(jù)環(huán)境狀況調(diào)節(jié)繁殖速度，以保證物種的繁衍。當細胞處于微重力環(huán)境時，細胞為了能夠繼續(xù)生存，也可能會通過對細胞周期進行調(diào)控來使其適應(yīng)微重力的環(huán)境。目前國內(nèi)外也有很對學者對微重力條件下細胞周期的變化進行了研究。Yu, F等早在1994年就利用IML 2 進行了空間搭載的實驗，他們研究的針對空間失重對小扁豆根部細胞細胞周期的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境中，處于合成DNA

12、時期的細胞減少，而處于G1期的細胞增多，同時他們指出，短時間的的微重力作用也有可能影響細胞周期。M. Hughes-Fulford 利用Ros 17/2.8, MC3T3-E1, MG-63, hFOB 等哺乳動物細胞在微重力下的生理狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)由于微重力會使細胞的F-actin 解聚，從而將細胞抑制在G1期，由于微管的聚合也受到了微重力的影響，因此細胞也有可能被抑制在G2/M期。Liu Ming等在微重力作用下培養(yǎng)了HUVEC-C細胞。他們將細胞分別在微重力下培養(yǎng)0, 12, 24, 48和72小時，利用流式細胞儀檢測了細胞周期的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當微重力作用12小時候，可以明顯觀察到G2/

13、M期的阻滯現(xiàn)象相當明顯，G2/M期的細胞比例為24%，大大高于正常重力作用組。0 Ullrich等人在研究不同重力對人類T淋巴細胞的影響時發(fā)現(xiàn)，當細胞經(jīng)過20s的拋物線模擬失重以后，細胞周期調(diào)控基因p21的表達會上調(diào)，這也暗示p21表達量的增多會使得微重力環(huán)境下的細胞發(fā)生G1期阻滯的現(xiàn)象。6. 模擬微重力對細胞凋亡的影響細胞凋亡是有核細胞在一定條件下通過激活自身內(nèi)部機制開啟或關(guān)閉某些基因以及內(nèi)源性DNA內(nèi)切酶的活化,導致細胞自然性的死亡過程,在胚胎發(fā)育和組織創(chuàng)傷修復中具有重要的生理作用。已有的研究表明，微重力環(huán)境對細胞的生長狀態(tài)有很大的影響，其中也包括對細胞凋亡的影響，這對研究生物體在空間環(huán)境

14、中的生長發(fā)育狀態(tài)具有很重要的意義。Uva 等對模擬微重力條件下培養(yǎng)膠質(zhì)細胞進行了研究,模擬失重30 min 以后,神經(jīng)膠質(zhì)細胞出現(xiàn)細胞皺縮、核斷裂碎片和染色質(zhì)凝聚等典型凋亡形態(tài)學特征,免疫組織化學證實,大部分細胞的胞漿中有caspase-7 酶的存在, TUNEL 方法表明DNA 斷片的存在,DNA 電泳呈梯狀條紋,32 h 后細胞密度明顯較對照減少,說明微重力可能影響膠質(zhì)細胞生理性凋亡。Lewis 等對失重狀態(tài)下人類淋巴細胞(Jurkat) 研究發(fā)現(xiàn),失重4h 后,30 %的細胞顯示出典型凋亡特征的DNA ,而地面對照僅17 %的細胞出現(xiàn)特征性凋亡DNA 斷片,凋亡相關(guān)蛋白Fas/APO-1

15、 的增加具有時間依存性,提示空間飛行引發(fā)的凋亡降低了淋巴細胞的增殖應(yīng)答。Kossmehl 等發(fā)現(xiàn),模擬微重力通過不同路徑誘導濾泡甲狀腺癌細胞系ML-1 細胞程序性死亡,凋亡相關(guān)蛋白P53 和Bax表達量提高, Bcl-2表達量降低,電子顯微鏡觀察可見顯著細胞凋亡形態(tài)學特征, Caspase-3 明顯上調(diào),提示微重力條件下可以通過不同路徑誘導細胞凋亡。正常甲狀腺細胞系HTU-5和甲狀腺癌細胞系ONCO-DG1的模擬微重力實驗顯示,24h 后,10 %的癌細胞進入Fas 依賴凋亡路徑,但也檢測到線粒體的破壞和重新分配,微管中斷,caspase-3 激活,證實外源與內(nèi)源路徑同時被激活。在旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)器中

16、生長的ONCO-DG1 細胞Bax 量升高,而Bcl-2 數(shù)量減少。HTU-5 細胞的凋亡現(xiàn)象也被實驗證實,電子顯微鏡的凋亡形態(tài)學特征、caspase-3 的激活、Fas和Bax 的增加以及85 kDa 凋亡相關(guān)斷片的升高,提示重力因素作用于線粒體導致失重時引發(fā)甲狀腺細胞凋亡。7. 前景與展望20世紀90年代以后，隨著空間搭載機會的逐步增加，空間實驗系統(tǒng)不斷建立，地面模擬實驗?zāi)Ｐ偷牟粩嘭S富完善和現(xiàn)代細胞分子生物學研究技術(shù)的突破創(chuàng)新，空間細胞生物學研究進入高速發(fā)展時期。美國國家航空航天局（NASA）在其21世紀航天發(fā)展戰(zhàn)略中將空間細胞生物學列為首要重點發(fā)展目標。另外，國際空間站中空間細胞實驗平臺的實施運行，都為開展空間細胞生物學研究提供了先進的實驗平臺和堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。伴隨著神舟系列飛船發(fā)射的一次次成功，我國的載人航天事業(yè)也在蓬勃發(fā)展中。越來越多的中國學者開始關(guān)注空間生物學的發(fā)展，而微重力環(huán)境對動物細胞的特殊生理效應(yīng)的研究更是受到了廣泛的重視?？臻g飛行的特殊微重力環(huán)境為人們開辟了一條認識和研究生命的新途徑，也為解決地面重力因素相關(guān)問題提供了新的視角。近十幾年對于微重力環(huán)境下細胞的研究運用細胞生物學和分子生物學研究技