物质输运条件和力学微环境在细胞微重力响应中的作用

Reorganization of mammalian cells under space microgravity is a crucial mechano-biological process to elucidate how cells sense, transmit, transduce, and respond to the alteration of gravity. Gravity-induced convection and sedimentation disappear, which makes mass transportation and mechanical microenvironment to be the key factors to regulate the cellular behaviors. The underlying mechanisms, however, remain unclear. This project, upon the precious biological samples obtained from SJ-10 recoverable satellite, integrates the methodologies of space mission (space microgravity and space mission hardware) with ground-based control (earth's constant gravity and space mission hardware or rotating flow chamber bioreactor). The differences in cellular proliferation, remodeling, metabolism, and differentiation between space and ground samples are compared for the two types of cells, and the dependences of these cellular functions on the bases of mass transportation and shear flow are further tested. The goal of this project is to elucidate the potential mechanisms for those novel observations of the growth of vascular endothelial cells and hepatic differentiation of rat mesenchymal stem cells, to provide the scientific bases for unraveling the mechano-biological coupling of mammalian cells, and to offer the reference of technical criteria of space cell biology studies.

空间微重力下哺乳动物细胞的重构是重要的力学-生物学过程，表现为细胞如何感知、传递、转导和响应所处环境的重力改变。在空间飞行实验中，重力所致的对流与沉降效应消失，使得物质输运和力学微环境成为调控细胞生物学行为的重要因素，其机制至今仍不清楚。本项目立足于实践十号返回式科学实验卫星获得的宝贵生物学样品（人内皮细胞系和大鼠骨髓间充质干细胞），采用空间飞行（空间微重力与空间飞行实验装置）和地基对照（地基常重力与空间飞行实验装置、地基扁平腔式旋转培养器）相结合的方法，通过比对上述两类细胞在空间和地基的生长、重组、代谢、分泌的变化规律，以及受物质输运条件与流体剪切作用的调控，力图阐明空间微重力环境下血管内皮细胞生长和骨髓间充质干细胞肝向分化等新现象的可能机制，为揭示动物细胞的力学-生物学耦合规律提供科学基础、为空间细胞生物学研究的技术规范提供参考依据。

在我国2016年发射的实践十号（SJ-10）返回式科学实验卫星上，课题组针对“微重力下细胞间相互作用的物质输运规律”科学问题，通过自行研制的新型专用细胞培养器及空间细胞培养物质输运监控系统，开展微重力下内皮细胞生长与骨髓间充质干细胞肝向分化实验，试图籍此了解哺乳动物细胞对微重力的响应规律。为配合空间实验进行充分的地面对照研究，并进一步探索其内在机制和规律，联合基金课题规划了以下研究内容：考察不同重力条件对内皮细胞生长与骨髓间充质干细胞肝向分化的影响机制，以及对物质输运条件及其力学微环境的依赖性。将地面实验与空间实验数据对比，认识微重力下上述两类细胞的物质代谢、结构重组、以及增殖与分化的力学-生物学耦合规律。同时探索变重力实验技术参数的标准化基础。.根据多次地面重复实验以及其与空间实验的对比分析，研究结果表明：1）微重力条件促进骨髓间充质干细胞肝向诱导分化；2）微重力下内皮细胞和肝向诱导分化的骨髓间充质干细胞功能变化与骨架蛋白表达、细胞粘附分子、信号调控分子表达以及外泌体mRNA表达之间存在关联；3）微重力下细胞葡萄糖代谢水平的差异表明重力引起的物质输运条件改变可能间接影响细胞的生命活动；4）空间细胞培养力学环境控制新实验技术得到验证，为建立实验技术标准提供了数据和经验；5）基于回转器的地面微重力效应模拟实验尚需从原理上探索其效应的对应机制以及运行参数，经过多次试验目前在实验技术上解决了影响实验结果的系统振动、流动剪切控制、防止气泡、在线固定以及实验系统运行稳定性问题，为进一步研究模拟原理奠定了基础。.研究结果为揭示动物细胞响应重力变化的力学-生物学耦合规律提供了新的数据和重要线索，开发并验证了空间和地面细胞重力效应实验的力学条件控制技术，有助于推动实验技术标准的形成，从而提升空间实验数据质量。