天舟一号:微重力环境下胚胎干细胞生存命运有何不同?

2017-04-19 10:38 来源:光明网 
2017-04-19 10:38:10来源:光明网作者:责任编辑:肖春芳

  出品:科普中国

  制作:中国科学院空间应用工程与技术中心 中国科学院动物研究所 段恩奎团队 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:

  即将发射的天舟一号,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!

  4月中下旬,我国首艘货运飞船天舟一号将发射,并将与天宫二号对接。

  已经进入良好运转状态的天宫二号,是我国打造的第一个空间实验室。而天舟一号虽然是货运飞船,但仍然搭载了不少科学实验。其中一项就是中国科学院动物所段恩奎团队负责的“微重力环境下胚胎干细胞培养实验”项目。

  干细胞生物学是21世纪瞩目的研究领域之一,是组织工程和再生医学研究的上游学科。干细胞的重要功能是维持和控制细胞的再生能力,它具有自我更新复制能力和多分化潜能,它可分化为多种组织细胞类型。

  空间微重力效应是否影响干细胞增殖和分化?能否利用空间微重力独特的条件开展干细胞大规模扩增和组织工程构建呢?这些问题是目前空间生物学研究的前沿和热点的问题。

天舟一号:微重力环境下胚胎干细胞生存命运有何不同?

  国际研究进展

  近几年美国宇航局(NASA)将空间干细胞培养作为重点研究的课题。

  2015年NASA研究人员就首次报道了在STS-131飞行任务中进行的空间干细胞生长和组织再生方面的成果。研究结果表明太空微重力环境影响了小鼠拟胚体(EB)在太空的分化能力,抑制了谱系分化基因的表达,但有意思的是这些未分化的EB在地面条件下培养能够进一步分化。

  最近,美国斯坦福大学细胞生物学家Arum Sharma在世界干细胞峰会上汇报一项在国际空间站(ISS)上开展的干细胞向心肌分化的试验。研究人员将干细胞送上ISS停留了1个月,平行的对照试验则留在地球上培养。初步的结果显示,分化的心肌细胞在太空飞行时呈现出略微不规律的节律,但返回地面后恢复了正常的跳动节律。

  此外,加州大学洛马林达大学移植免疫学家Mary Kearns Jonker利用一个定位器装置进行微重力模拟实验,通过将心脏祖细胞加载到该装置通过不断旋转来使细胞减少重力。该研究小组已经发现,新生儿的心脏祖细胞似乎在这些微重力条件下能更好增殖且表现出分化迹象—回到更原始的非专门化状态,而成年人的心脏祖细胞并没有出现这些现象事实上,她发现微重力可以激活某些遗传途径,从而当受损组织再生时开始运作。

  前期地基试验

  我们前期地基试验进行了1G和模拟微重力效应下小鼠胚胎干细胞增殖、分化特性研究,发现在模拟微重力效应条件(RCCS)下小鼠胚胎干细胞分化能力增强,并且更容易向内胚层和中胚层分化,并且已发现引起这种变化的关键基因和分子信号通路。

  但模拟微重力效应并不是真实的微重力条件,只有太空才能提供真实的微重力环境,所以我们将利用天舟一号货运飞船的空间实验机会,探讨太空微重力环境下小鼠胚胎干细胞的增殖、分化特征,同时与1G和模拟微重力效应条件下的同步实验结果比对,全面了解微重力对胚胎干细胞增殖、分化的影响,同时探讨(微)重力在胚胎干细胞增殖、分化过程中的作用及其机制。

  空间实验内容

  本实验利用天舟一号货运飞船搭载Oct4-GFP小鼠胚胎干细胞、Oct4-GFP小鼠拟胚体、Brachyury-GFP小鼠拟胚体,通过普通光和荧光显微成像技术观察干细胞在太空中增殖和分化过程,并通过细胞绿色荧光信号强度变化以及明场下ES、EB细胞的形态变化特征,判断小鼠胚胎干细胞在太空微重力下多潜能基因的维持(自我更新)和细胞的分化情况。

  同时,地面将开展平行实验,通过天地比对实验,初步了解空间微重力环境影响干细胞增殖、分化的情况和作用机理。

  首次采用活细胞荧光示踪技术

  本实验采用国际上热门的细胞研究材料胚胎干细胞开展太空实验培养研究,首次采用目前地面先进的活细胞荧光示踪技术,即将特定基因启动子标记荧光蛋白,通过连续地太空实时荧光显微,观察目的基因荧光的表达情况,来确定目的基因的表达状态。最后,结合明场细胞的形态和克隆大小进一步判断细胞的生长状态,从而初步判断太空环境对干细胞增殖、分化以及对特定基因表达影响的作用。

  研究内容国际前沿 团队实力强

  本实验研究为今后进一步开展太空细胞生物学实验提供了新的技术方法和思路;此外本实验所用到的技术和方法体现目前干细胞生物学较先进的水平,研究内容在国际空间生命科学领域也具有前沿性。

  而且,本实验团队成员均为具有十年以上的空间生命科学研究经历。研究团队先后利用了我国实践八号、实践十号返回式科学实验卫星成功开展了空间生命科学实验。

  值得一提的是,近期中国科学院动物所段恩奎研究员带领的团队利用我国实践十号微重力科学卫星开展了太空环境下哺乳动物早期胚胎发育研究,获得了太空中小鼠早期胚胎发育的实时显微摄影图片,首次观察到哺乳动物2-细胞胚胎在太空微重力条件下能够分裂并且发育到囊胚阶段,该研究已经取得了阶段性的成果,在世界范围内,首次完成太空环境下哺乳动物植入前胚胎发育的研究。该研究在轨的部分成果也得到了国内外主流媒体的广泛报道。

  实验预期成果

  通过本实验的实施,初步了解太空微重力对胚胎干细胞增殖、分化影响的作用情况,将为更好地实现胚胎干细胞的体外大量扩增,更好地利用多能干细胞分化潜能提供一种新思路,为多能干细胞在组织工程和再生医学中的应用探索一种新途径,最终为未来利用多能干细胞服务于人类健康提供帮助。

  预期将获得太空中小鼠胚胎干细胞增殖及自我更新的实时摄影图片;在太空中开展的小鼠拟胚体体外分化实验,预期将实时获得在轨培养拟胚体分化情况。

  最终,本研究将展示小鼠胚胎干细胞在太空环境下的增殖和分化情况,阐述太空环境条件下胚胎干细胞的生长和分化规律,为多能干细胞在组织工程和再生医学中的应用探索一种新途径,最终为未来利用多能干细胞服务于人类健康提供帮助。

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