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空间飞行对心肌细胞和成骨细胞结构功能的影响 丁柏李莹辉谭映军聂捷琳张晓铀万玉民王春艳 杨芬戴钟铨景兴龙王红晖刘跃凌树宽于建茹 中国航天员科研训练中心，北京，1 0 0 0 9 4 关键词航天医学神舟细胞搭嵌 ．J 一．·_ L 刖昌 人类已经适应地球l G 的生活环境，一旦进入太空．尤其是长期逗留微重力环境．将发生心血管功 能障碍、骨质丢失等多种生理、病理变化，但是其发生机理一直不甚清楚( C b a r l e sJ Be ta l ，1 9 9 6 I P h I l p o t tD Ee ta I ．1 9 9 0 ，G o I d s t e i nM A e ta l ，1 9 9 2 lT i l t o nF Ee ta I1 9 8 0 ) ．随着国际空间站，火星探 测、月球基地和太空移民等新空间计划的制定．航天医学研究面临日益紧迫的任务．由于空间实验机会 难得，样品数量有限，实验费用高昂等原因开展地面模拟研究仍足目前航天医学研究的主要手段．人 们建立了多种地面模拟空间馓重力效应模型，比如人体卧床、尾吊大鼠、细胞回转器等( 江丕栋等． 1 9 9 0 ) ．这些地基横拟微重力技术大大促进了航天医学的发展。

然而．地面只雒模拟部分空间微重力艘 应地基模拟实验结果依然有待于空间实时徽重力实验的验证．因此，有必要建立空间变验技术体系， 开展实时微重力效应研究．在“神舟六号”载人飞船上，首次进行了航天医学空间细胞学实验．通过空 间搭载，建立了一套空间细胞学研究实验技术体系，研究了空间微重力对两种搭载细胞结构和功能的影 响．探讨细胞对重力变化的感知、整合并发生反应的机理．本文简要介绍此次搭载的变验技术体系和部 分实验结果，并进行初步探讨 一、实验方法 ( 一) 搭栽细胞 针对空间飞行导致的心血管功能障碍和骨质丢失问题，搭载了两种细胞——心肌细胞和成骨细胞t 心肌细胞同时进行了药物实验．共搭裁2 4 个样本．心肌细胞1 6 个( 8 个进行药物处理) ，成骨细胞8 个．细胞在三个时问点需要航天员进行操作以澈活或弼定细胞飞行返回后细胞送到北京实验室进行 包括细胞骨架在内的多项指标分析． ( 二) 空间细胞学研兜实验技术体系 此次飞行条件对活体细胞来浇较为苛猁．细胞培养盒组件容积有限、不能主动温控( 舱温) 、不能更 换培养基、没有C o t 支持、样品需要提前2 天交付等．为此．我们建立了一套与地面常规细胞培养研究 技术不同的空问细胞学研究实验技术体系，包括全套搭载专用物品的研制、细胞培养材料和培养方式、 空间固定方式、活细胞样本的运输、回收及发射场现场制备条件的建立、地面对照样本的设计及实施、指 标测试分析手段等。

细胞培养盒组件由细胞片、支持管、腔囊、胶囊套、细胞袋、保护袋、细胞盒、布袋等 组成．所有材料都符合生物细胞培养和空间飞行安全的要求．在制作过程中．实行医学实验的工程化 ·8 4 · 管理．先后完成了细胞学实验、环境实验、样品运输实验和地嚼模拟实验．航天员培训等前期工作．克 服了1 2 个方面3 9 项技术难点．整个实验过程实行严格的质景管理．共形成技术文件3 1 份． ( 三) 实验过程 在交付前8 ～1 6 天开始进行原代细胞培养．共准备5 批次细胞．于样本交付阿4 天，2 天分兰批带人 发射场．在交付前1 0 小时将细胞装入特制的细胞袋中，两端各有一个小胶囊，分别屉激祷胶囊和固定胶 囊．用不同的颜色标记这些胶囊，以便在不同的时问点进行操作．搭载细胞在人孰4 小时后，航天员将挤 破激祸胶囊．释放其中的血清和／或药物，激活细胞，并且在4 8 小时和9 6 小时．挤破固定胶囊宴现空间细 胞固定．搭载细胞在返回地1 6 i i 后．检赢搭载细胞盒的完整性；用显微镜观察细胞状态并录像 ( 四) 指标分析 心肌细胞采用亚甲蓝比色法进行细胞定量细胞口1 一整合索、肌钙蛋白T n T 、馓管和细胞微丝及细 胞核的三色荧光染色( 熊江辉．2 0 0 3 ) ．并用C o n f o c a l 观察拍照。

回收的心肌细胞培养液中心钠索含量 用放免法测定．成骨细胞采用哑甲基蓝比色法进行细胞定量．改进的钙锚法( 杨景山，1 9 9 0 ) 测定碱性 磷酸酶活性，培养上清中骨钙索用放免法测定． 二、结果及讨论 ( 一) 实验技术体系验证结果 建立的一整套空间细胞学研究实验技术体系．包括工程产品设计，加工、检验体系和医学细胞样本 的运输、制备、处理，指标测试分析体系．在本项目的实施中得到r 有效的验i 正．为今后开展航天医学空 问细胞学蜜验研究奠定了基础 ( 二) 细胞学指标分析结果 空间飞行因素( 包括微重力、较低温度等) 对心肌和成骨细胞有不同程度的影响．总体反映为细胞功 能减弱、活性下降，对成骨细胞的影响更为明显( 可能与成丹细胞处于括跃增殖期有关) 在空间．药物 对于心肌细胞具有一定的保护作用．但多敷指标的结果与地面并不一致 1 ．空间飞行对细胞结构的影响 ( 1 ) 空间飞行对心肌细胞骨架的影响t 空问飞行后．心肌细胞微管骨架发生明显解聚呈弥敢分布． 骨架走势出现混沌状态心肌细胞徽丝骨架表现出有序性降低，呈现紊乱状态( 图1 ) ．在地面各组给 药后细胞骨架形态明显优于对照，飞行各组给药后．能明硅延缓徽管解聚，提高徽丝的有序性( 图2 ) ． 飞行给药组细胞棱出现异常变化。

有变大的趋势( 图3 ) 圈l 空问飞行4 8 小时后细胞微丝、搬臂骨架的变化 1 ．红色为艟丝．绿色为氍臂t 2 ．A ．c 是飞行姐，B ．D 蔗地面组 ·8 5 · 团2 空间飞行及药物对心肌细胞细胞骨架的影响 1 ．蟑色为蕾臂红色为徽戆·2 ．A 、c 为蛤筠组，B 、D 为对照组 圈3 空『B Jb 行驶药物对心肌细胞细胞性的影响 1 ．A 、B 为飞行●8 小时组．c 、D 为飞行9 6 小时组·2 ．A 、c 为培药鲳- B D 为对照组 ( 2 ) 空间飞行对心肌细胞口1 一整合寨分步的影响；空间飞行对心肌细胞p 1 一整合素的分布有较大 影响，呈现弥散分布I 给药处理组的B 1 一整合素有向核区集中的趋势( 图4 ) ． 图4 象阿飞行对心肌细胞口l 一撼台泰分布的影响 l ，A ．B 为1 8 小时组，c 、D 为9 6 小时组·2 ．^ ．c 为鼍行组．B 、D 为地面蛆 2 ．空间飞行对细胞功能的影响 ( 1 ) 空问乜行埘心肌细胞搏动的影响t 奉次搭载细胞在经过1 1 5 小时飞行，对未网定的4 个心肌细 胞培莽片即刻观察发现细胞仍然存活( 网5 ) ；继续培莽l 天后，部分细胞团恢复了搏动功能；给药处理 组搏动团数量明显多于对照。

·8 6 · 圈5 空间飞行对心肌细胞博动功能的影响 A 为飞行蛆，B 为飞行龄药组．均来网定，回收时为活纲胞 ( 2 ) 空间飞行对新生大鼠心肌细胞数量的影响：利用亚甲兰细胞染色法分析了空间飞行对心肌细 胞敷量的影响．发现飞行4 8 小时后细胞数量有增j l I l 趋势．9 6 小时刚又恢复到与地面对照相一致的水平 ( 图6 ) ． 圈6 空阿飞行及药物作用对新生大鼠心肌细胞敷世的影响 ( 3 ) 空问飞行对新生大鼠心肌细胞心钠素分泌的影响，利用放射免痰分析法检测了返回后心肌细 胞培养上清中的心钠素含量，发现宅间飞行使心肌细胞心钠素分泌显著减少( 图7 ) 图7 空间飞行及药物作用对新生大鼠心肌细胞心钠素分撼的髟响 F 飞行组．D 对飘组，Y 药翱组 ( 4 ) 空问飞行对新生大鼠成骨细胞数量的影响t 正常3 7 ℃开放培养条件下成骨细胞增殖很快，空问 飞行4 8 小时和9 6 小时，与地呵密闭2 1 ℃培养的对照相比．成骨细胞数量变化趋势不明显( 网8 ) ． 圈8 空间飞行对新生大鼠成骨缃胞数量的髟响 ·8 7 · ( 5 ) 空间飞行对新生大鼠成骨细胞B G P 分泌的影响。

空间飞行4 8 小时，成骨细胞B G P 分泌有壤 少的趋势．但并不显著} 至飞行9 6 小时．B G P 的分秘呈显著减少，下降了一半( 图9 ) ． 钟 柚 ^ 鼍如 主 警2 0 1 0 O 黧 ：阳圈． 鸽h9 曲 ●对照组●飞行蛆 图9 空间飞行对新生大鼠成骨细胞B ( 净分越的影响 ( 6 ) 空间飞行对新生大鼠成骨细胞A L P 活性的影响：如图1 0 所示，地面开放培养组，成骨细胞碱 性磷酸酶( A I —P ) 染色呈强阳性飞行4 8 小时后．成骨细胞的A L P 染色为弱阳性，飞行9 6 小时后呈阴 性．表明空间飞行导致成骨细胞碱性磷酸酶分泌显著减少．成骨细胞的功能受到抑制 ·8 8 · 地面对麒( 交付起点)地面对肌( 发射起点) 地面开放埘雕4 f I h地面l 寸州4 R h空问飞行4 袖 地I m 开敌对照 9 6 l I 地l ^ Ⅲ照9 6 l L申闭飞行9 陆 图1 0 空间毛行对新生大鼠成骨细胞A L P j i ! } 性的影响 ( 三) 讨论 作为国际上首次开展的心肌细胞空间实验研究和空间药物实验，为开展中长期飞行任务的药物对 抗和防护研究积累了资料。

在这次空间飞行搭载窦验中，我们针对心肌细胞要求高，培养难度大的特 点，通过独特培养技术的建立，获得长期保持搏动功能状态的心肌细胞．搭载细胞在经过1 1 5 小时飞 行，对未固定的4 个心肌细胞培养片即刻观察发现细胞仍然存活；继续培养l 天后部分细胞团恢复了 搏动功能} 说明我们建立的心肌细胞培养体系非常成功．给药处理组搏动团数量明显多于对照，这与地 面的实验结果相一致．说明了药物在对抗不利环境、保持细胞功能方面的作用．对细胞骨架的分析表 明，傲重力条件下药物能有效维持细胞骨架的有序性． 从对网定细胞片的多项指标分析结果看，空间飞行影响了心肌细胞骨架结构；这可能是导致心肌细 胞活性和功能下降的原因之一．这次心肌细胞搭载实验首次证实微蓖力抑制体外培养的心肌细胞功 毖影响细胞骨架的有序性．我们发现心肌细胞的微管对馓蓖力较微丝更敏感；屙成骨细胞的微丝变化 相比．发现馓丝对徽重力的敏感性与细胞有关．对成骨细胞分析发现．空间飞行降低丁成骨细胞的功 能．这与国外空间实验报道的结果相一致 ·一●^ 、，、 二、兰古1 = 匕 通过本次任务的实施．首次验证了开展空问细胞学研究的实验技术体系，包括全套搭载专用物品的 研制、细胞培养材料和培养方式、空间固定方式、活细胞样奉的运赣、回收及发射场现场制备条件的建 立、地面对照样本的设计及实施、指标测试分析手段等。

建立的航天医学细胞学实验工程化体系，为后 续空间细胞学研究的规范化、工程化，标准化积累了经验，奠定了坚实的技术基础． 参考文献 1C l I a r l e sJ B ，F r e yM A ．F r i t s c h —Y e l l eJ Me ta 1 ．C a r d i o v a ∞u l a ra n dc 盯d i o r e s p i 阻t o r yf u n c t i o ml n ： L e a c h —H u n t o o nC S ．A n t i p o vV V ，G r i g o r i e vA LS p a c eb j o l o g ya n dm e d i c i n eI l l ，H u m n 嚣i n s p a c e f l i g h tb o o k 2 ．R e s t o nV A IA m e r i c a ni n s t i t u t eo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s ，1 9 9 6 ，6 3 ～8 8 2P h i l p o t tD E ，P o v o v aI A ，K a t oKe ta I ．M o r p h o l o g i c a la n db i o c h e m i 傀le 粗m i m t i o no fC o s m o s 1 8 8 7r。