微重力下胚胎幹細胞定向分化的一大步 太空移民的一小步

編者按：

剛剛發射成功的天舟一號，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！

剛剛發射成功的天舟一號，意味著中國在空間站建設之路上又進了一步。

隨著人類文明向太空的拓展，太空醫學或航天醫學將面臨莊嚴和神聖的任務和嚴峻的挑戰。

人類進行太空探索和研究的最終目的是為了能夠移居太空，而人類走向太空生活的重要條件之一，便是人類能夠在太空中生活並繁衍後代。但太空的特殊時空環境，完全不適於人類生存。

因此，為了人類向外星球遷移和生存做基礎性探索，了解不同性別的生命體在太空環境中的差異，研究並發現太空環境中生殖系統的潛在危害因素，就顯得尤為重要。當各種生命體離開地球環境進入太空後，他們的形態、結構、代謝、遺傳特性等都會受到不同程度的影響。

已有研究證明，在失重的外太空環境中，生命體的生殖系統發生了一系列變化：植物開花不結果，生殖期延長；微生物中，酵母、芽孢桿菌等形態結構、細胞分化都發生了變化。【1】

因此，研究微重力對人類生殖功能的影響，特別是對幹細胞的分化和生殖細胞成熟機制的影響顯得尤為重要。

本次天舟一號上搭載的實驗之一，清華大學紀家葵團隊負責的「太空微重力環境下定向分化人類胚胎幹細胞為生殖細胞」實驗，意義正在於此。

幹細胞、胚胎幹細胞、生殖細胞以及分化機制

這一個實驗名稱中，就出現了幾種細胞。我們可以看一下，人類胚胎幹細胞、生殖細胞，都是什麼。

圖 幹細胞

幹細胞是一類具有自我複製能力（self-renewing）的多潛能細胞，是形成哺乳類動物的各組織器官的原始細胞。在一定條件下，它可以分化成多種功能細胞。具有再生各種組織器官和人體的潛在功能，醫學界稱為「萬用細胞」。

幹細胞的潛在醫療價值

研究和利用ES細胞是當前生物工程領域的核心問題之一。在未來幾年，ES細胞移植和其它先進生物技術的聯合應用很可能在移植醫學領域引發革命性進步。目前，對幹細胞的應用研究已在抗衰老、器官移植、疾病治療等多個領域取得了許多成果。

根據所處的發育階段，幹細胞可以分為胚胎幹細胞（embryonic stem cell，ES細胞）和成體幹細胞（somatic stem cell）。

根據發育潛能，幹細胞可以分為三類：全能幹細胞（totipotent stem cell，TSC）、多能幹細胞（pluripotent stem cell）和單能幹細胞（unipotent stem cell）（專能幹細胞）。

這裡提到的胚胎幹細胞（ES）是一種高度未分化細胞。它具有發育的多能性，能分化出成體動物的所有組織和器官，包括生殖細胞。

生殖細胞（germ cell），是多細胞生物體內能繁殖後代的細胞的總稱，包括從原始生殖細胞直到最終已分化的生殖細胞（精子和卵細胞）。生殖細胞完成了減數分裂後才成為單倍體細胞，稱為配子(gamete)，其中包含一條性染色體。

在微重力環境下，男女生殖系統有哪些變化？

也許你聽說過，選拔宇航員的條件之一，就是已經生育。

多項研究表明，失重環境可使男性睾丸的生理結構產生明顯的變化，以致造成明顯的病理性損傷，這嚴重影響了男性生殖功能。失重狀態下，精子數量大量減少，活動率降低，影響正常生育功能。

另外，相關研究證明，失重對生殖系統的細胞水平和分子水平也造成明顯影響。

目前，長時間的太空飛行及太空中的各種複雜因素對女性生殖系統影響的相關研究相對較少，一些模擬微重力條件下的人類及動物實驗表明，失重及運動功能減弱對女性生殖系統造成了明顯影響：下丘腦—垂體—卵巢軸系統發生了明顯紊亂，卵巢功能受損，生育能力下降。【2】

太空微重力下人類生殖健康研究尚處於初級階段

為了最大減少太空微重力環境可能對航天員的傷害，美國、前蘇聯／俄羅斯和歐洲空間局利用有人和無人飛船以及空間站、太空梭等進行了大量的動物航天實驗，為空間生物學提供了許多寶貴資料。

但有關空間微重力對人體生殖能力影響的研究尚處於初級階段，研究結果尚不多，現有的結果主要是通過短期檢測航天員生殖激素水平和生殖器官變化，從宏觀上間接分析太空微重力對人類生殖健康的影響。

如：Strollo等研究4名宇航員的唾液、尿液和血液中雄性激素含量，同時對7名宇航員進行性能力問卷調查，發現航天飛行後宇航員的睾酮水平降低，性衝動減少。針對女性航天員，長時間的太空飛行及太空中的各種負責因素對女（雌）性生殖系統影響的相關研究相對較少。Goncharova等對8名女性志願者進行頭低位（-6度）120天卧床試驗，失重及運動功能減弱對女性生殖系統造成了明顯的影響。在卧床試驗結束後6個月再進行測試，發現受試者的卵巢功能基本恢復。研究者認為，卧床試驗期間受試者的下丘腦—垂體—卵巢軸系統發生了明顯紊亂。

太空微重力下的幹細胞分化機制研究剛剛起步

由於航空飛行條件限制，在細胞和分子層面所做的幹細胞分化研究工作還比較少。N.C. Talbot等對豬肝臟幹細胞在STS-126 太空梭（2008年）上培養分化16天後的改變進行了初步研究。

至今，絕大部分有關空間細胞生物學和分子生物學的研究是在微重力模型下進行的，在真實太空環境中研究人類胚胎幹細胞的分化仍是空白。總之，雖然人類在空間生殖和空間細胞生物學領域做了部分工作，但目前研究仍停留在宏觀水平，太空微重力對人類胚胎幹細胞分化和人類生殖細胞形成的影響尚未涉及。

如何研究微重力環境下胚胎幹細胞的定向分化？

此次發射的天舟一號上所進行的實驗是太空微重力環境下定向分化人類胚胎幹細胞為生殖細胞。

實驗的對象就是人類的胚胎幹細胞，它使用的是美國James Thomson 實驗室的H9細胞系。工作人員將它改造為帶有生殖細胞特異熒游標記的細胞系。選用它的原因主要是這個細胞能在形成生殖細胞時特異表達綠色熒光。

主要內容包括：

（1）太空微重力條件下誘導人胚胎幹細胞為生殖細胞：

構建生殖細胞的特異性熒光報告載體及人胚胎幹細胞為生殖細胞。將上述誘導分化體系送入航天器空間生物技術實驗平台，依據分化目的為其定期更換含有不同誘導因子的培養基，在太空進行誘導分化實驗，並利用明視野顯微鏡和熒光顯微鏡進行跟蹤觀察。

BMPs可誘導人類幹細胞的分化

生殖細胞的熒光報告系統

（2）細胞形態學分析：

因為天舟一號不再返回地面，所以實驗主要是根據所傳輸回地面的實時顯微成像結果，觀察各誘導體系內報告基因表達情況和細胞形態，與地面對照組比較，分析各類生殖細胞誘導效率和形態特徵。

建立體外分化體系研究人生殖細胞發育

這項研究將建立體外分化體系研究人生殖細胞發育, 克服太空生殖研究中人體生殖細胞取樣困難的局限，對理解太空生活對人類生殖的影響、改善太空生育能力、實現空間移民和太空生育後代具備重大意義。

到目前為止，此次實驗尚屬首例，國際上還未報道在微重力下將人幹細胞分化為生殖細胞。這是微重力環境下定向分化人類胚胎幹細胞研究的一大步，也是人類太空移民的一小步。

參考文獻

【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，崔彥.微重力環境對生殖系統影響的研究進展［J］. 醫學研究雜誌，2012，41( 8) : 11 －13.

出品：科普中國

製作：中國科學院空間應用工程與技術中心 清華大學紀家葵團隊 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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