去太空做细胞培养实验的意义是什么？未来会有哪些可能的应用场景？
楼上的朋友 @丁昆 （有好几位“丁昆”，不知@对了没有）说得对，天宫二号上其实没做细胞培养。不愧是技物所的博士，你萌在天宫二号上搞的那个光谱仪啊，很不错…… 不过，将于今晚（官方：4月20日19时41分）发射的天舟一号（中国首艘货运飞船）上，确实搞了细胞培养实验，好几个。 去太空养细胞，最主要的就是要看看在太空中和地面上有什么不一样。 这将为两大类问题提供答案： 1. 我们是不是能在太空中长时间生活，甚至……生殖。如果在太空中长时间生活，我们容易出现哪些方面的问题，如何解决这些问题。 2. 在太空这个不一样的环境中，是不是会出现些有趣的现象，我们能不能利用这个特殊的环境做点什么。 #做点什么  说的不是下面这种！# 也就是说，一方面是研究真实的太空微重力环境对人的影响，这个影响包括对生殖功能的影响，对健康的影响，比如骨质流失的状况等；一方面是研究在微重力环境下，有没有可能出现些不一样的“好”变化，比如，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。 我们用天舟一号上的实验举例，详细说明一下。 一、微重力环境下胚胎干细胞培养实验 实验内容：利用货运飞船搭载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。 根据预期，科学家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，并根据在太空中开展的小鼠拟胚体体外分化实验，实时获得在轨培养拟胚体分化情况。 为什么要做这个实验呢？ 1. 高中毕业的我们知道，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。 在空间生命科学领域，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？这些问题是当下前沿和热点的问题。 2. 实验前期，中科院动物所段恩奎老师的团队在1G和模拟微重力效应下，分别进行了小鼠胚胎干细胞增殖、分化特性研究。 他们发现，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。所以利用天舟一号的实验机会，去太空真实的微重力环境下研究下。 我们还可以借机看一下空间干细胞实验在国际上的状况： 案例1： 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。 NASA的研究结果表明，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。 案例2： 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了一项在国际空间站（ISS）上开展的干细胞向心肌分化的实验。 微生物学家、宇航员Kate Rubins在国际空间站测试干细胞。图片来源：NASA 研究人员将干细胞送上ISS停留了1个月，平行的对照实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。 案例3： 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。在这些现象事实上，研究小组发现，微重力可以激活某些遗传途径，从而在受损组织再生时开始运作。 案例4： 段恩奎老师的团队此前在实践十号（中国首个微重力实验卫星，返回式的）上开展了太空环境下哺乳动物早期胚胎发育研究。 研究不仅获得了太空中小鼠早期胚胎发育的实时显微摄影图片，还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。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。 二、 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 实验内容：太空微重力环境下，定向分化人类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。 生殖细胞的荧光报告系统 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。 和动物所的实验不同，清华大学纪家葵团队负责的这个实验，实验对象是人类胚胎干细胞，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。 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，国际上还未有在微重力下将人干细胞分化为生殖细胞的报道。 三、空间微重力环境中CKIP-1对成骨细胞分化的影响实验 实验内容：空间微重力环境中，研究CKIP-1对成骨细胞分化的影响。 将CKIP-1基因静默的成骨细胞在促分化培养基中培养21天后，显微观察其矿化结节形成情况，多聚甲醛固定后，采用茜素红进行染色。 这个实验的方法与地面正常生理环境下的实验方法基本相同，但两者培养条件不同，微重力环境下，成骨细胞的培养是二氧化碳非依赖性的。 CKIP-1（casein kinase 2 interacting protein-1, 酪蛋白激酶2相互作用蛋白-1）是一个重要的骨形成负调控因子。在正常生理环境中的研究表明，CKIP-1可以特异的与泛素连接酶Smurf1（Smad ubiquitination regulatory factor 1）相互作用，增强泛素连接酶活性，促进其对底物如Smad1/5等BMP通路中重要信号转导分子的降解，抑制成骨细胞活化，从而负调控骨形成。 为什么要做这个实验？ 航天医学是发展载人航天事业的重要学科之一。 人类50余年的载人航天活动证明：人类长时间在空间微重力环境中会引起多个系统的结构和功能的变化，包括心血管、骨骼和肌肉等。 其中，骨骼作为重要的重力承受和感知器官，在正常生理环境中，会随着受力刺激的变化，而不断更新和重建。但是，在空间微重力环境的影响下，人体骨骼长期处于无负荷和无应力刺激状态，会导致失重性骨质变化，从而对航天员的身体健康构成巨大的危害，这些危害主要表现为持续性的骨量丢失，生物力学性能下降，骨钙素分泌降低等，即微重力诱导的骨质减少或骨质疏松。 因此，空间微重力造成的骨丢失问题已经成为制约人类向更深、更远、更高的外层空间探索的重要限制因素之一，如何将空间微重力造成的骨丢失降低到最小程度是航天医学面临的最大挑战。 在正常生理环境中，CKIP-1是一个重要的骨形成负调控因子，在此基础上，香港浸会大学罗守辉骨与关节疾病转化医学研究所的张戈教授&吕爱平教授课题组进一步发现，老年人和老年大鼠在增龄过程中骨形成下降的同时，骨组织CKIP-1的表达水平逐渐升高，两者呈现负相关关系。提示了CKIP-1在老年人骨形成能力降低的分子机制中的潜在作用。在成骨细胞中实现CKIP-1的基因静默，可以在体外促进人、猴、大鼠成骨样细胞的分化活性和矿化功能，在体内可以促进骨质疏松大鼠模型的骨形成。 但是，这些研究仅仅是在正常生理环境下进行的，CKIP-1在空间微重力环境中是否还有上述作用仍然未知。因此，有必要研究CKIP-1在空间微重力环境中对成骨细胞功能的调控机制，揭示新的微重力状态下的促骨形成候选靶标。 在本次实验中，将研究二氧化碳非依赖的CKIP-1基因静默成骨细胞在空间微重力环境中的矿化情况，以期为宇航员的空间骨丢失问题提供理论基础和潜在治疗策略。 最后，还有一种养细胞……是因为，在不载人的航天器上，无法饲养动物，要进行生命科学实验，有时就得采取培养细胞/组织的方法。 比如这次天舟一号上，清华大学陈国强课题组负责的“失重状况下产生的骨质疏松药物开发”实验，研究微重力条件下3-羟基丁酸（3HB）对成骨细胞生理状态的影响，看成骨细胞能不能在3HB促进下生长。 在地面的模拟实验中，用的是鼠尾悬吊的方法。（通过把小鼠后肢悬吊，在后肢产生一个无重力效果，导致后期小鼠后肢骨质疏松。对照组灌注3HB，悬吊的后肢骨质疏松显现消失。） 但是天舟一号上没人啊……那就养细胞咯！ 制作：中科院动物所段恩奎团队、清华大学纪家葵团队、清华大学陈国强团队、香港浸会大学罗守辉骨与关节疾病转化医学研究所的张戈教授&吕爱平教授课题组 出品：科普中国 监制：中国科学院计算机网络信息中心