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出品：科普中國

制作：中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 清華大學(xué)紀(jì)家葵團(tuán)隊 中國科普博覽

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

【原編者按：即將發(fā)射的天舟一號，除了要與天宮二號交會對接、實(shí)施推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，還要開展一系列空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)的任務(wù)。

中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心是載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)的總體單位，代表中國科學(xué)院抓總負(fù)責(zé)載人航天空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)的規(guī)劃、實(shí)施及成果產(chǎn)出與推廣，具體承擔(dān)工程研制的組織管理，系統(tǒng)設(shè)計、集成、測試，可靠性保障，在軌技術(shù)支持，有效載荷運(yùn)控管理，數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)用成果的推廣服務(wù)等系統(tǒng)技術(shù)支持、支撐、保障、服務(wù)工作。

在此特別感謝中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的支持！】

天舟一號的成功發(fā)射，意味著中國在空間站建設(shè)之路上又進(jìn)了一步。

隨著人類文明向太空的拓展，太空醫(yī)學(xué)或航天醫(yī)學(xué)將面臨莊嚴(yán)和神圣的任務(wù)和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

人類進(jìn)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并繁衍后代。但太空的特殊時空環(huán)境，完全不適于人類生存。

因此，為了人類向外星球遷移和生存做基礎(chǔ)性探索，了解不同性別的生命體在太空環(huán)境中的差異，研究并發(fā)現(xiàn)太空環(huán)境中生殖系統(tǒng)的潛在危害因素，就顯得尤為重要。當(dāng)各種生命體離開地球環(huán)境進(jìn)入太空后，他們的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、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(huán)境中，生命體的生殖系統(tǒng)發(fā)生了一系列變化：植物開花不結(jié)果，生殖期延長；微生物中，酵母、芽孢桿菌等形態(tài)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞分化都發(fā)生了變化?！?】

因此，研究微重力對人類生殖功能的影響，特別是對干細(xì)胞的分化和生殖細(xì)胞成熟機(jī)制的影響顯得尤為重要。

本次天舟一號上搭載的實(shí)驗(yàn)之一，清華大學(xué)紀(jì)家葵團(tuán)隊負(fù)責(zé)的“太空微重力環(huán)境下定向分化人類胚胎干細(xì)胞為生殖細(xì)胞”實(shí)驗(yàn)，意義正在于此。

干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、生殖細(xì)胞以及分化機(jī)制

這一個實(shí)驗(yàn)名稱中，就出現(xiàn)了幾種細(xì)胞。我們可以看一下，人類胚胎干細(xì)胞、生殖細(xì)胞，都是什么。

圖 干細(xì)胞

干細(xì)胞是一類具有自我復(fù)制能力（self-renewing）的多潛能細(xì)胞，是形成哺乳類動物的各組織器官的原始細(xì)胞。在一定條件下，它可以分化成多種功能細(xì)胞。具有再生各種組織器官和人體的潛在功能，醫(yī)學(xué)界稱為“萬用細(xì)胞”。

干細(xì)胞的潛在醫(yī)療價值

研究和利用ES細(xì)胞是當(dāng)前生物工程領(lǐng)域的核心問題之一。在未來幾年，ES細(xì)胞移植和其它先進(jìn)生物技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用很可能在移植醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引發(fā)革命性進(jìn)步。目前，對干細(xì)胞的應(yīng)用研究已在抗衰老、器官移植、疾病治療等多個領(lǐng)域取得了許多成果。

根據(jù)所處的發(fā)育階段，干細(xì)胞可以分為胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cell，ES細(xì)胞）和成體干細(xì)胞（somatic stem cell）。

根據(jù)發(fā)育潛能，干細(xì)胞可以分為三類：全能干細(xì)胞（totipotent stem cell，TSC）、多能干細(xì)胞（pluripotent stem cell）和單能干細(xì)胞（unipotent stem cell）（專能干細(xì)胞）。

這里提到的胚胎干細(xì)胞（ES）是一種高度未分化細(xì)胞。它具有發(fā)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(xì)胞。

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

在微重力環(huán)境下，男女生殖系統(tǒng)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(jīng)生育。

多項(xiàng)研究表明，失重環(huán)境可使男性睪丸的生理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的變化，以致造成明顯的病理性損傷，這嚴(yán)重影響了男性生殖功能。失重狀態(tài)下，精子數(shù)量大量減少，活動率降低，影響正常生育功能。

另外，相關(guān)研究證明，失重對生殖系統(tǒng)的細(xì)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復(fù)雜因素對女性生殖系統(tǒng)影響的相關(guān)研究相對較少，一些模擬微重力條件下的人類及動物實(shí)驗(yàn)表明，失重及運(yùn)動功能減弱對女性生殖系統(tǒng)造成了明顯影響：下丘腦—垂體—卵巢軸系統(tǒng)發(fā)生了明顯紊亂，卵巢功能受損，生育能力下降?！?】

太空微重力下人類生殖健康研究尚處于初級階段

為了最大減少太空微重力環(huán)境可能對航天員的傷害，美國、前蘇聯(lián)／俄羅斯和歐洲空間局利用有人和無人飛船以及空間站、航天飛機(jī)等進(jìn)行了大量的動物航天實(shí)驗(yàn)，為空間生物學(xué)提供了許多寶貴資料。

但有關(guān)空間微重力對人體生殖能力影響的研究尚處于初級階段，研究結(jié)果尚不多，現(xiàn)有的結(jié)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(jìn)行性能力問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)航天飛行后宇航員的睪酮水平降低，性沖動減少。針對女性航天員，長時間的太空飛行及太空中的各種負(fù)責(zé)因素對女（雌）性生殖系統(tǒng)影響的相關(guān)研究相對較少。

Goncharova等對8名女性志愿者進(jìn)行頭低位（-6°）120天臥床試驗(yàn)，失重及運(yùn)動功能減弱對女性生殖系統(tǒng)造成了明顯的影響。在臥床試驗(yàn)結(jié)束后6個月再進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)受試者的卵巢功能基本恢復(fù)。研究者認(rèn)為，臥床試驗(yàn)期間受試者的下丘腦—垂體—卵巢軸系統(tǒng)發(fā)生了明顯紊亂。

太空微重力下的干細(xì)胞分化機(jī)制研究剛剛起步

由于航空飛行條件限制，在細(xì)胞和分子層面所做的干細(xì)胞分化研究工作還比較少。N.C. Talbot等對豬肝臟干細(xì)胞在STS-126 航天飛機(jī)（2008年）上培養(yǎng)分化16天后的改變進(jìn)行了初步研究。至今，絕大部分有關(guān)空間細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的研究是在微重力模型下進(jìn)行的，在真實(shí)太空環(huán)境中研究人類胚胎干細(xì)胞的分化仍是空白。

總之，雖然人類在空間生殖和空間細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)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干細(xì)胞分化和人類生殖細(xì)胞形成的影響尚未涉及。

如何研究微重力環(huán)境下胚胎干細(xì)胞的定向分化？

此次發(fā)射的天舟一號上所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是太空微重力環(huán)境下定向分化人類胚胎干細(xì)胞為生殖細(xì)胞。

實(shí)驗(yàn)的對象就是人類的胚胎干細(xì)胞，它使用的是美國James Thomson 實(shí)驗(yàn)室的H9細(xì)胞系。工作人員將它改造為帶有生殖細(xì)胞特異熒光標(biāo)記的細(xì)胞系。選用它的原因主要是這個細(xì)胞能在形成生殖細(xì)胞時特異表達(dá)綠色熒光。

主要內(nèi)容包括：

（1）太空微重力條件下誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞為生殖細(xì)胞：

構(gòu)建生殖細(xì)胞的特異性熒光報告載體及人胚胎干細(xì)胞為生殖細(xì)胞。將上述誘導(dǎo)分化體系送入航天器空間生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺，依據(jù)分化目的為其定期更換含有不同誘導(dǎo)因子的培養(yǎng)基，在太空進(jìn)行誘導(dǎo)分化實(shí)驗(yàn)，并利用明視野顯微鏡和熒光顯微鏡進(jìn)行跟蹤觀察。

BMPs可誘導(dǎo)人類干細(xì)胞的分化

生殖細(xì)胞的熒光報告系統(tǒng)

（2）細(xì)胞形態(tài)學(xué)分析：

因?yàn)樘熘垡惶柌辉俜祷氐孛?，所以?shí)驗(yàn)主要是根據(jù)所傳輸回地面的實(shí)時顯微成像結(jié)果，觀察各誘導(dǎo)體系內(nèi)報告基因表達(dá)情況和細(xì)胞形態(tài)，與地面對照組比較，分析各類生殖細(xì)胞誘導(dǎo)效率和形態(tài)特征。

建立體外分化體系研究人生殖細(xì)胞發(fā)育

這項(xiàng)研究將建立體外分化體系研究人生殖細(xì)胞發(fā)育，克服太空生殖研究中人體生殖細(xì)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(shí)現(xiàn)空間移民和太空生育后代具備重大意義。

到目前為止，此次實(shí)驗(yàn)尚屬首例，國際上還未報道在微重力下將人干細(xì)胞分化為生殖細(xì)胞。這是微重力環(huán)境下定向分化人類胚胎干細(xì)胞研究的一大步，也是人類太空移民的一小步。

最后，特別感謝中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的支持！

參考文獻(xiàn)

【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(huán)境對生殖系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展［J］. 醫(yī)學(xué)研究雜志，2012，41( 8) : 11 －13.

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