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天舟八号任务,是空间应用系统进入空间站任务以来,实验项目最多、上行科学实验载荷及实验样品数量最多、重量最重的一次任务。而这其中细胞研究是很重要的一个方面,尤其是这次的“空间微重力下人多能干细胞3D生长及分化研究”。
干细胞被认为是“具有无限的自我更新能力的”细胞,那么“上天之后”,在空间站的微重力环境中,可能呈现出哪些奇妙的新变化?又将如何造福地面上的人类?
干细胞“上天之后”
可能呈现出哪些奇妙的新变化?
2017年,在天舟一号飞船上进行的“小鼠胚胎干细胞的增殖和分化研究”表明,在太空培养的干细胞呈现出了更优于地面的生长方式,同时维持了更高水平的多能性基因表达。
2023年,天舟六号货运飞船再次把干细胞研究项目带上了太空。经过为期6至15天的细胞在轨培养,首次实现了人类干细胞“太空造血”。
中国科学院深圳先进(技术)研究院研究员雷晓华:当时天舟六号在轨的实验取得成功,我们其实蛮高兴的。这个很重要,因为血源性疾病其实是我们生活中很常见的一种疾病。在你急需要用的时候,如果利用自己的细胞,把它变成多能干细胞,再变成造血干细胞或者造血前的细胞,再回输自己,这是一个可以走得通的过程。
造血干细胞移植
存在一系列难题
造血干细胞移植,是治疗白血病、淋巴瘤和骨髓瘤等血液肿瘤的较为有效和理想的方法。但目前的造血干细胞移植技术,存在捐赠来源相对短缺、免疫排斥难以避免等一系列难题。
中国科学院深圳先进(技术)研究院研究员雷晓华:在地面条件下,人的多能干细胞分化成造血干细胞,它的效率是非常低的。那么如何提高效率也是大家一直在尝试的过程,比如说添加各种化学因子、诱导因子或者是物理条件。微重力效率是我们首次发现的,在微重力条件下,它也可以使得这种效率提高到10倍以上。我们认为微重力有可能会让干细胞像返老还童一样,干性变得更强,像回到原始的状态一样。
天舟八号飞船上
细胞研究的新任务
经历了天舟一号、天舟六号飞船两轮成功的实验之后,这一次,即将跟随天舟八号飞船前往空间站的实验载荷,将对“空间微重力下人多能干细胞3D生长及分化”展开研究。
中国科学院深圳先进(技术)研究院研究员雷晓华:2D生长是把细胞种在平面上,它只能沿着X、Y轴长。那么三维生长细胞,这个细胞是悬浮长,或者把它种在水凝胶里面,像一个果冻一样,它可能各个方位都能长。最后,一个细胞会长得像球一样。
科学家们还希望尝试进行在轨活细胞冻存,把它们活着带回地球。
中国科学院深圳先进(技术)研究院研究员雷晓华:这次目标我们还是要检验一下人的多能干细胞上天之后,到底它的生长规律是什么样子的,它能不能变成超级干细胞。第二个是要尝试一下,生长完这个细胞,能不能在轨实现长达半年的冻存。返回地面之后,这个细胞能不能复苏。之后就可以开展它的发育潜能、单细胞测序各方面指标的检测,最后能够真正回答我们之前提出的问题——天上微重力环境下,对细胞是不是真正起到性能增强的作用?
除了利用人多能干细胞产生造血干细胞、实现“造血”功能,科学家们还在探索更多调控干细胞分化和增殖的新方法。
中国科学院深圳先进(技术)研究院研究员雷晓华:未来我们可能把干细胞真正带到天上去,甚至月球、火星。我们可以开展各种各样功能的细胞的构建重建。
细胞在外太空的
辐射作用下会发生什么变化?
在太空中做实验确实有很多和在地面上不同的条件,除了微重力的环境之外,还有一点就是辐射。在此次天舟八号任务中,还有一项健康领域的实验同样备受关注,那就是空间辐射与致癌的关系。那么细胞在外太空的辐射作用下会发生什么变化,又会对人类健康带来什么影响?
提到辐射,众所周知它是一个致癌因子,致癌风险跟受到辐射总剂量成正比。也就是说,受到的辐射总剂量越大,可能发生肿瘤的风险也会越高。此次天舟八号任务中,我国将肺细胞送入太空,用来研究深空飞行中辐射与致癌的关系。项目负责人国际宇航科学院院士、苏州大学教授周光明介绍,外太空的独特环境,与地面辐射环境有很大的不同。
外太空的独特环境
与地面辐射环境有很大的不同
国际宇航科学院院士、苏州大学教授 周光明:一个是辐射的种类不同,外太空的辐射是一种高LET带电粒子,它的作用可能会更强。另外它的剂量率是非常低的,它属于长期的低剂量的慢性照射,这种在地面基本上是不存在的。所以研究空间辐射对于肿瘤发生的风险,对于我们航天员的健康保障来说,是一个非常重要的事情。
对于外太空的辐射剂量,周光明透露,航天员在外太空待半年,相当于照十几次CT的辐射总量。在太空中,如果没有航天器舱壁的保护,舱外的辐射强度会比舱内要高三到四倍。
国际宇航科学院院士、苏州大学教授周光明:我们希望能够在外太空尽量长地去培养这样的细胞,希望能够让细胞受到的辐射总量达到可以看到致癌效应的水平。这方面我们技术也有突破,这次也是第一次实现二维培养的细胞,可以在外太空连续培养30天。
外太空连续培养30天
肺细胞如何保持活力?
在外太空连续培养30天,需要具备怎么的科学环境,肺细胞如何在中国空间站保持活力呢?
中国科学院上海技术物理研究所研究员郑伟波:我们要给肺细胞合适的温度,37度的培养温度。另外细胞也需要“吃东西”,要给它提供营养液的换排。因为是做空间辐射的效应研究,我们在实验单元设计了屏蔽组、半屏蔽的、不屏蔽的,在太空可以做一个对照,在地面再做一个对照,这样它就有6组的对照组,研究辐射对肺细胞的影响。
为什么这次选择
将肺细胞带入太空?
在人类众多器官细胞中,为什么这次选择将肺细胞带入太空?周光明说,基于前期评估,空间辐射环境导致肿瘤发生的风险,对肺癌来说相对更高。
国际宇航科学院院士、苏州大学教授周光明:肺癌在中国是第一大癌。在中国,肿瘤的发病率和死亡率中,肺癌都是排在第一位的。我们也希望用外太空的环境去研究肺癌发生的风险,去揭示它的机制。得到的一些结果,将来也可以用到地面,对我们地面的肺癌的发生机制能够更好地去理解,开发一些新的防护措施或者治疗方法。
此次研究成果,将会如何应用,如何造福地面上的人类健康?
国际宇航科学院院士、苏州大学教授周光明:我们要去探讨空间辐射环境下,细胞从正常细胞向癌变转化的过程中不同节点的一些标志物,这是一个应用的目标。另外也希望能探讨一些新的可能致癌的一些靶标或是治疗方法,将来也用于地面肿瘤,特别是肺癌的攻克,提高它的治疗有效性和安全性,为健康中国的发展做一点点贡献。
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