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微重力环境下胚胎干细胞定向分化的一大步 太空移民的一小步

来源:科普中国-科普融合创作 2017-04-20     

  出品:科普中国

  制作:中国科学院空间应用工程与技术中心 清华大学纪家葵团队 中国科普博览

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  编者按:

  刚刚发射成功的天舟一号,除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加,还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。

  中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位,代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广,具体承担工程研制的组织管理,系统设计、集成、测试,可靠性保障,在轨技术支持,有效载荷运控管理,数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。

  在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持!

  刚刚发射成功的天舟一号,意味着中国在空间站建设之路上又进了一步。

  随着人类文明向太空的拓展,太空医学或航天医学将面临庄严和神圣的任务和严峻的挑战。

  人类进行太空探索和研究的最终目的是为了能够移居太空,而人类走向太空生活的重要条件之一,便是人类能够在太空中生活并繁衍后代。但太空的特殊时空环境,完全不适于人类生存。

  因此,为了人类向外星球迁移和生存做基础性探索,了解不同性别的生命体在太空环境中的差异,研究并发现太空环境中生殖系统的潜在危害因素,就显得尤为重要。当各种生命体离开地球环境进入太空后,他们的形态、结构、代谢、遗传特性等都会受到不同程度的影响。

  已有研究证明,在失重的外太空环境中,生命体的生殖系统发生了一系列变化:植物开花不结果,生殖期延长;微生物中,酵母、芽孢杆菌等形态结构、细胞分化都发生了变化。【1】

  因此,研究微重力对人类生殖功能的影响,特别是对干细胞的分化和生殖细胞成熟机制的影响显得尤为重要。

  本次天舟一号上搭载的实验之一,清华大学纪家葵团队负责的“太空微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞为生殖细胞”实验,意义正在于此。

  干细胞、胚胎干细胞、生殖细胞以及分化机制

  这一个实验名称中,就出现了几种细胞。我们可以看一下,人类胚胎干细胞、生殖细胞,都是什么。

干细胞

  干细胞是一类具有自我复制能力(self-renewing)的多潜能细胞,是形成哺乳类动物的各组织器官的原始细胞。在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。具有再生各种组织器官和人体的潜在功能,医学界称为“万用细胞”。

干细胞的潜在医疗价值

  研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。在未来几年,ES细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域引发革命性进步。目前,对干细胞的应用研究已在抗衰老、器官移植、疾病治疗等多个领域取得了许多成果。

  根据所处的发育阶段,干细胞可以分为胚胎干细胞(embryonic stem cell,ES细胞)和成体干细胞(somatic stem cell)。

  根据发育潜能,干细胞可以分为三类:全能干细胞(totipotent stem cell,TSC)、多能干细胞(pluripotent stem cell)和单能干细胞(unipotent stem cell)(专能干细胞)。

  这里提到的胚胎干细胞(ES)是一种高度未分化细胞。它具有发育的多能性,能分化出成体动物的所有组织和器官,包括生殖细胞。

  生殖细胞(germ cell),是多细胞生物体内能繁殖后代的细胞的总称,包括从原始生殖细胞直到最终已分化的生殖细胞(精子和卵细胞)。生殖细胞完成了减数分裂后才成为单倍体细胞,称为配子(gamete),其中包含一条性染色体。

  在微重力环境下,男女生殖系统有哪些变化?

  也许你听说过,选拔宇航员的条件之一,就是已经生育。

  多项研究表明,失重环境可使男性睾丸的生理结构产生明显的变化,以致造成明显的病理性损伤,这严重影响了男性生殖功能。失重状态下,精子数量大量减少,活动率降低,影响正常生育功能。

  另外,相关研究证明,失重对生殖系统的细胞水平和分子水平也造成明显影响。

  目前,长时间的太空飞行及太空中的各种复杂因素对女性生殖系统影响的相关研究相对较少,一些模拟微重力条件下的人类及动物实验表明,失重及运动功能减弱对女性生殖系统造成了明显影响:下丘脑—垂体—卵巢轴系统发生了明显紊乱,卵巢功能受损,生育能力下降。【2】

  太空微重力下人类生殖健康研究尚处于初级阶段

  为了最大减少太空微重力环境可能对航天员的伤害,美国、前苏联/俄罗斯和欧洲空间局利用有人和无人飞船以及空间站、航天飞机等进行了大量的动物航天实验,为空间生物学提供了许多宝贵资料。

  但有关空间微重力对人体生殖能力影响的研究尚处于初级阶段,研究结果尚不多,现有的结果主要是通过短期检测航天员生殖激素水平和生殖器官变化,从宏观上间接分析太空微重力对人类生殖健康的影响。

  如:Strollo等研究4名宇航员的唾液、尿液和血液中雄性激素含量,同时对7名宇航员进行性能力问卷调查,发现航天飞行后宇航员的睾酮水平降低,性冲动减少。针对女性航天员,长时间的太空飞行及太空中的各种负责因素对女(雌)性生殖系统影响的相关研究相对较少。Goncharova等对8名女性志愿者进行头低位(-6度)120天卧床试验,失重及运动功能减弱对女性生殖系统造成了明显的影响。在卧床试验结束后6个月再进行测试,发现受试者的卵巢功能基本恢复。研究者认为,卧床试验期间受试者的下丘脑—垂体—卵巢轴系统发生了明显紊乱。

  太空微重力下的干细胞分化机制研究刚刚起步

  由于航空飞行条件限制,在细胞和分子层面所做的干细胞分化研究工作还比较少。N.C. Talbot等对猪肝脏干细胞在STS-126 航天飞机(2008年)上培养分化16天后的改变进行了初步研究。

  至今,绝大部分有关空间细胞生物学和分子生物学的研究是在微重力模型下进行的,在真实太空环境中研究人类胚胎干细胞的分化仍是空白。总之,虽然人类在空间生殖和空间细胞生物学领域做了部分工作,但目前研究仍停留在宏观水平,太空微重力对人类胚胎干细胞分化和人类生殖细胞形成的影响尚未涉及。

  如何研究微重力环境下胚胎干细胞的定向分化?

  此次发射的天舟一号上所进行的实验是太空微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞为生殖细胞。

  实验的对象就是人类的胚胎干细胞,它使用的是美国James Thomson 实验室的H9细胞系。工作人员将它改造为带有生殖细胞特异荧光标记的细胞系。选用它的原因主要是这个细胞能在形成生殖细胞时特异表达绿色荧光。

  主要内容包括:

  (1)太空微重力条件下诱导人胚胎干细胞为生殖细胞:

  构建生殖细胞的特异性荧光报告载体及人胚胎干细胞为生殖细胞。将上述诱导分化体系送入航天器空间生物技术实验平台,依据分化目的为其定期更换含有不同诱导因子的培养基,在太空进行诱导分化实验,并利用明视野显微镜和荧光显微镜进行跟踪观察。

BMPs可诱导人类干细胞的分化

生殖细胞的荧光报告系统

  (2)细胞形态学分析:

  因为天舟一号不再返回地面,所以实验主要是根据所传输回地面的实时显微成像结果,观察各诱导体系内报告基因表达情况和细胞形态,与地面对照组比较,分析各类生殖细胞诱导效率和形态特征。

建立体外分化体系研究人生殖细胞发育

  这项研究将建立体外分化体系研究人生殖细胞发育, 克服太空生殖研究中人体生殖细胞取样困难的局限,对理解太空生活对人类生殖的影响、改善太空生育能力、实现空间移民和太空生育后代具备重大意义。

  到目前为止,此次实验尚属首例,国际上还未报道在微重力下将人干细胞分化为生殖细胞。这是微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞研究的一大步,也是人类太空移民的一小步。

  参考文献

  【1】Strollo F,Riondino G,Harris B,et at. The effect of microgravity on testicular androgen secretion[J]. Aviat Space Environ Med,1998,69(2):133—136

  【2】王春雨,周金,崔彦.微重力环境对生殖系统影响的研究进展[J]. 医学研究杂志,2012,41( 8) : 11 -13.

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