科普 | 干细胞出征太空，逐梦星辰大海！

东方干细胞科普团干就有未来

2024-10-14

撰文│杏　仁

编辑│李佳潞

审校│汤红明

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全文约3000字，预计阅读9分钟

本文由为什么要将干细胞送入太空、那些有趣的太空干细胞实验、我国太空干细胞实验时间线3部分组成。

✦干细胞·太空✦

今年5月22日，埃隆·马斯克的太空探索技术公司SpaceX开发的“猎鹰9号”运载火箭将“公理二号”龙载人飞船送往国际空间站。据了解，飞船中共有4名宇航员，其中包括1名生物化学家和1名干细胞专家，他们在国际空间站停留8天后返回地球。

那么，这4名宇航员此次太空之行的主要任务是什么呢？——在太空中培育首批干细胞。

宇航员们在太空中培育干细胞将用来测试太空环境如何影响心脏细胞以及脑细胞的发育。除此之外，干细胞专家Rayyanah Barnawi将围绕干细胞、乳腺癌做重点研究。

这并非干细胞的首次“太空之旅”，在此之前，干细胞已多次搭乘各国飞船遨游宇宙，完成了一项又一项意义重大的使命。

近年来，国内外多项研究力证干细胞有助于治疗骨关节炎、糖尿病、帕金森病等多种疾病。然而，要实现安全有效的干细胞临床应用，前期研究仍存在诸多难点，包括如何扩大干细胞的量产规模、如何保持干细胞的分化干性、如何让干细胞分化具有靶向性等。现阶段许多实验条件及模型在地球环境中较难实现，所以科学家们将目光转向浩渺宇宙，太空的微重力（受地球及其他星球的引力影响，太空具有微重力环境，其重力仅为地球重力的千分之一甚至更低）、强辐射、高真空等特殊环境，有望助力科学家破解这些难题。

为什么要将干细胞送入太空？

人体的各种组织器官都是由干细胞分化发展而来。航天员往返于太空与地球间，对健康造成一定的影响。研究太空中进行干细胞实验，有助于了解宇宙环境对人类健康的影响。

守护航天员平安回家

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相信很多人对电视新闻中的这一画面感到十分好奇：为什么航天员在太空“出差”着陆地球后，便被地面人员“抬着”出舱，随后面对镜头时也是一直坐在椅子上呢？

——是因为航天员在太空中习惯了“漂浮”的生活，对自身骨骼的刺激弱，导致空间骨丢失，进一步表现为骨质疏松。返回地面后受到地球引力的影响，如果强行站立将会有骨折的风险。目前航天员罹患相关疾病的机制还未完全理清，且在地面模拟器中难以1:1复刻太空环境。将干细胞送入太空，能够实现更精准的实验条件，如在太空中观察骨髓干细胞分化成骨细胞的表型变化规律，有助于进一步分析航天员们骨质疏松的机理。除骨质疏松外，航天员们还可能出现贫血、心血管功能紊乱、免疫功能下降等，实施太空干细胞实验为航天员在太空的长期健康生存提供理论支撑和技术基础。

改善地球上人类健康

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我国重大慢性病过早死亡率年均降幅接近全球3倍，其中，肿瘤、心脑血管疾病占比较大，且有1.9亿慢性病老人面临长寿不健康问题，世界各国的科学家们潜心研究上百年，仍未能完全治愈这些疑难疾病。

太空干细胞实验为攻克人类疾病带来希望。将人诱导多能干细胞（iPSC）诱导成心肌细胞、胰岛细胞、肝细胞等功能细胞，再通过太空微重力培养功能细胞向3D环境生长，实现类器官/器官3D生物打印。此外，有研究证实，干细胞对延缓衰老具有一定的作用，且微重力环境能够使干细胞重回到一个相对更原始、未分化的状态，将干细胞置于太空中，可谓一举两得，将有可能实现人类对“不老”的不懈追求。

实现干细胞批量生产

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目前干细胞是国内外研究的热点，随着其市场空间的不断扩大，其产业化发展具有向好的前景，生产干细胞是推动产业化发展的重要一环。在生产大量的干细胞时，普遍使用大型生物反应器。受地球重力的影响，反应器中的干细胞容易聚集和结块，此时就需要进行剧烈搅拌，但搅拌会损坏干细胞，这也是令生产者们感到头疼的一大难点。而在太空环境中可以规避这一限制。

太空中具有微重力的条件，干细胞可以均匀悬浮在反应器中自由生长。此外，不受重力影响，使得反应器中的环境也较为稳定，确保生产工艺的可放大性。

那些有趣的太空干细胞实验

干细胞作为重要的生物资源，成为了备受青睐的研究对象，各国科学家们争相将干细胞送往太空，进一步探索空间生命的奥秘。下面让我们一起来看看有哪些充满着科学性和趣味性的太空干细胞实验吧！

“八爪鱼”的“触手” ✦

2016年4月，在我国首颗专用微重力实验卫星——“实践十号”科学实验卫星的干细胞箱中，一名特殊的“乘客”——神经干细胞完成了在太空中增殖分化的实验。研究人员发现，太空中的神经干细胞在脱离了重力约束后变得非常活跃，像八爪鱼的触手一样，神经干细胞它会长出各种轴突，用其抓住细胞，最终形成神经组织。研究人员们表示这个现象非常奇妙，他们在地面做了多次的比对实验，都没有看到过这样的现象。

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干细胞变强了 ✦

2019年，世界顶级医院——梅奥诊所将间充质干细胞置于特殊的运输和培养装置中，随后干细胞便搭乘飞船前往国际空间站。宇航员们每隔24至48小时拍摄细胞图像，并在第7、14天收获细胞。当细胞返回地球后，Zubair的团队发现，与在地球上生长的细胞相比，在太空微重力环境中生长的细胞的功能有显著的改善，且具有更有效的免疫抑制能力。值得注意的是，染色体、DNA损伤和致肿瘤性试验未显示出恶性转化的证据，说明在他太空中培养的干细胞是安全的。

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心肌细胞在闪烁 ✦

2021年10月至2022年4月，“神舟十三号”载人飞船乘组在空间站组合体工作生活了183天后返回地球，刷新了我国航天员单次飞行任务太空驻留时间的纪录。在此期间，他们完成了一项特殊的实验。研究人员们从人体尿液中的肾上皮细胞，通过基因重编程的方式，把它转化成生机勃勃的、具有多种功能的干细胞，又分化成为心肌细胞。通过基因编辑技术编辑了一个荧光蛋白，通过荧光蛋白的荧光，便可以在宇宙中观察到在收缩过程中钙信号的闪烁过程，这也是国际上第一次看到了心肌细胞（在微重力环境下）美丽的收缩过程。

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“打印”细胞和组织 ✦

2022年10月，4名来自美国、日本、俄罗斯的宇航员乘坐SpaceX“猎鹰9号”运载火箭搭载的龙飞船前往国际空间站，并将生物制造设施（BFF）安装在国际空间站内。DFF是美国建造的第一个能够在微重力条件下使用成年人类细胞和蛋白质制造人体组织的系统。在国际空间站中，宇航员们用BFF成功地打印出具有大量的人类心脏细胞以及类似人类半月板的组织结构。

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在太空中造血 ✦

2023年5月，科研人员在文昌航天发射场现场制备干细胞，并于发射前5小时将“干细胞”这最后一名“乘客”顺利送入“天舟六号”货运飞船中完成“入座”。不到一天半的时间，在中国空间站中的“神舟十五号”的航天员们成功接收到这些来自地球的“快递”。据了解，此次“天舟六号”任务搭载的实验荷载将开展多项舱内外实验，其中包括一项空间微重力下iPSC的3D生长及组织构建研究。该实验有望在国际上首次实现干细胞在太空早期造血，并阐明微重力如何影响人多能干细胞向早期造血分化。6月4日，这些干细胞样品随“神舟十五号”返回舱在我国成功着陆，并被移交中科院深圳先进技术研究院雷晓华团队开展全方位检测分析。

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我国太空干细胞实验时间线

党的十八大以来，在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下，我国航天事业取得了历史性成就，干细胞也曾多次搭乘我国自主研发的卫星和飞船飞天，在太空中播撒“中国科技”的种子。

2023年

“天舟六号”

空间微重力环境对干细胞谱系分化的影响研究；空间微重力环境下干细胞3D生长及组织构建研究

2022年

“天舟五号”

骨髓干细胞分化成骨细胞的表型变化规律，以及分化细胞的基因图谱和表观遗传特征

2021年

“神舟十三号”

干细胞分化的心肌细胞在微重力下的收缩过程及特点；皮肤干细胞在长期微重力下的悬浮培养研究

2017年

“天舟一号”

空间微重力环境影响干细胞增殖、分化的情况和作用机理

2016年

“实践十号”

微重力条件下骨髓间充质干细胞的骨细胞定向分化效应及分子机制研究

随着科技的发展，科幻电影逐渐照进现实生活，从仰望星空到步入太空，越来越多的人们开始期待早日能够翱翔于浩瀚宇宙间，实现星际旅行甚至太空移民。

无论是在服役十余年的国际空间站，还是在我国于2022年新建成的天宫空间站，各国在太空中共完成了3000余项实验，其中，“生物与生物技术”大类实验以绝对的数量优势排在首位。值得注意的是，干细胞在其中始终扮演着重要的实验角色。让我们共同期待出征太空的干细胞带来更多令人振奋的研究成果，为未来人类实现更加健康、自由地出入太空保驾护航。