天舟一號：微重力環境下胚胎幹細胞生存命運有何不同？

編者按：

即將發射的天舟一號，除了要與天宮二號交會對接、實施推進劑在軌補加，還要開展一系列空間科學實驗和技術試驗的任務。

中國科學院空間應用工程與技術中心是載人航天工程空間應用系統的總體單位，代表中國科學院抓總負責載人航天空間科學與應用任務的規劃、實施及成果產出與推廣，具體承擔工程研製的組織管理，系統設計、集成、測試，可靠性保障，在軌技術支持，有效載荷運控管理，數據獲取及應用成果的推廣服務等系統技術支持、支撐、保障、服務工作。

在此特別感謝中國科學院空間應用工程與技術中心的支持！

4月中下旬，我國首艘貨運飛船天舟一號將發射，並將與天宮二號對接。

已經進入良好運轉狀態的天宮二號，是我國打造的第一個空間實驗室。而天舟一號雖然是貨運飛船，但仍然搭載了不少科學實驗。其中一項就是中國科學院動物所段恩奎團隊負責的「微重力環境下胚胎幹細胞培養實驗」項目。

幹細胞生物學是21世紀矚目的研究領域之一，是組織工程和再生醫學研究的上遊學科。幹細胞的重要功能是維持和控制細胞的再生能力,它具有自我更新複製能力和多分化潛能，它可分化為多種組織細胞類型。

空間微重力效應是否影響幹細胞增殖和分化？能否利用空間微重力獨特的條件開展幹細胞大規模擴增和組織工程構建呢？這些問題是目前空間生物學研究的前沿和熱點的問題。

國際研究進展

近幾年美國宇航局（NASA）將空間幹細胞培養作為重點研究的課題。

2015年NASA研究人員就首次報道了在STS-131飛行任務中進行的空間幹細胞生長和組織再生方面的成果。研究結果表明太空微重力環境影響了小鼠擬胚體（EB）在太空的分化能力，抑制了譜系分化基因的表達，但有意思的是這些未分化的EB在地麵條件下培養能夠進一步分化。

最近，美國斯坦福大學細胞生物學家Arum Sharma在世界幹細胞峰會上彙報一項在國際空間站（ISS）上開展的幹細胞向心肌分化的試驗。研究人員將幹細胞送上ISS停留了1個月，平行的對照試驗則留在地球上培養。初步的結果顯示，分化的心肌細胞在太空飛行時呈現出略微不規律的節律，但返回地面後恢復了正常的跳動節律。

此外，加州大學洛馬林達大學移植免疫學家Mary Kearns Jonker利用一個定位器裝置進行微重力模擬實驗，通過將心臟祖細胞載入到該裝置通過不斷旋轉來使細胞減少重力。該研究小組已經發現，新生兒的心臟祖細胞似乎在這些微重力條件下能更好增殖且表現出分化跡象—回到更原始的非專門化狀態，而成年人的心臟祖細胞並沒有出現這些現象事實上，她發現微重力可以激活某些遺傳途徑，從而當受損組織再生時開始運作。

前期地基試驗

我們前期地基試驗進行了1G和模擬微重力效應下小鼠胚胎幹細胞增殖、分化特性研究，發現在模擬微重力效應條件（RCCS）下小鼠胚胎幹細胞分化能力增強，並且更容易向內胚層和中胚層分化，並且已發現引起這種變化的關鍵基因和分子信號通路。

但模擬微重力效應並不是真實的微重力條件，只有太空才能提供真實的微重力環境，所以我們將利用天舟一號貨運飛船的空間實驗機會，探討太空微重力環境下小鼠胚胎幹細胞的增殖、分化特徵，同時與1G和模擬微重力效應條件下的同步實驗結果比對，全面了解微重力對胚胎幹細胞增殖、分化的影響，同時探討（微）重力在胚胎幹細胞增殖、分化過程中的作用及其機制。

空間實驗內容

本實驗利用天舟一號貨運飛船搭載Oct4-GFP小鼠胚胎幹細胞、Oct4-GFP小鼠擬胚體、Brachyury-GFP小鼠擬胚體，通過普通光和熒光顯微成像技術觀察幹細胞在太空中增殖和分化過程，並通過細胞綠色熒光信號強度變化以及明場下ES、EB細胞的形態變化特徵，判斷小鼠胚胎幹細胞在太空微重力下多潛能基因的維持(自我更新)和細胞的分化情況。

同時，地面將開展平行實驗,通過天地比對實驗,初步了解空間微重力環境影響幹細胞增殖、分化的情況和作用機理。

首次採用活細胞熒光示蹤技術

本實驗採用國際上熱門的細胞研究材料胚胎幹細胞開展太空實驗培養研究，首次採用目前地面先進的活細胞熒光示蹤技術，即將特定基因啟動子標記熒光蛋白，通過連續地太空實時熒光顯微，觀察目的基因熒光的表達情況，來確定目的基因的表達狀態。最後，結合明場細胞的形態和克隆大小進一步判斷細胞的生長狀態，從而初步判斷太空環境對幹細胞增殖、分化以及對特定基因表達影響的作用。

研究內容國際前沿 團隊實力強

本實驗研究為今後進一步開展太空細胞生物學實驗提供了新的技術方法和思路；此外本實驗所用到的技術和方法體現目前幹細胞生物學較先進的水平，研究內容在國際空間生命科學領域也具有前沿性。

而且，本實驗團隊成員均為具有十年以上的空間生命科學研究經歷。研究團隊先後利用了我國實踐八號、實踐十號返回式科學實驗衛星成功開展了空間生命科學實驗。

值得一提的是，近期中國科學院動物所段恩奎研究員帶領的團隊利用我國實踐十號微重力科學衛星開展了太空環境下哺乳動物早期胚胎髮育研究，獲得了太空中小鼠早期胚胎髮育的實時顯微攝影圖片，首次觀察到哺乳動物2-細胞胚胎在太空微重力條件下能夠分裂並且發育到囊胚階段，該研究已經取得了階段性的成果，在世界範圍內，首次完成太空環境下哺乳動物植入前胚胎髮育的研究。該研究在軌的部分成果也得到了國內外主流媒體的廣泛報道。

實驗預期成果

通過本實驗的實施，初步了解太空微重力對胚胎幹細胞增殖、分化影響的作用情況，將為更好地實現胚胎幹細胞的體外大量擴增，更好地利用多能幹細胞分化潛能提供一種新思路，為多能幹細胞在組織工程和再生醫學中的應用探索一種新途徑，最終為未來利用多能幹細胞服務於人類健康提供幫助。

預期將獲得太空中小鼠胚胎幹細胞增殖及自我更新的實時攝影圖片；在太空中開展的小鼠擬胚體體外分化實驗，預期將實時獲得在軌培養擬胚體分化情況。

最終，本研究將展示小鼠胚胎幹細胞在太空環境下的增殖和分化情況，闡述太空環境條件下胚胎幹細胞的生長和分化規律，為多能幹細胞在組織工程和再生醫學中的應用探索一種新途徑，最終為未來利用多能幹細胞服務於人類健康提供幫助。

出品：科普中國

製作：中國科學院空間應用工程與技術中心 中國科學院動物研究所 段恩奎團隊 中國科普博覽

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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