在既往的研究中发现，太空飞行能够引起人体的生理和病理变化，如心血管功能障碍、骨密度下降、肌肉萎缩等[1]，当人体从地球重力到空间微重力，改变的重力环境能够引起生命体结构—功能的显著变化。由此，国内外开展了许多微重力相关研究来探究其对于生命体的作用影响。干细胞作为应用组织工程最具前景的种子细胞，国内外也开展了许多相关的研究。笔者希望通过查阅模拟微重力对干细胞增殖分化的影响的研究文献，以期找出相关线索。

1、背景研究

1.1干细胞的研究背景

干细胞作为一种具有多向潜能分化的细胞，在特定的诱导条件下，可向脂肪、骨、软骨、神经等多个方向分化。根据干细胞所处的发育阶段可分为胚胎干细胞和成体干细胞;胚胎干细胞作为一种高度未分化细胞，具有发育的全能性，但由于其诱导分化难度和道德争论，人胚胎干细胞研究的开展受到了明显限制[2,3]，目前针对成体干细胞的研究更为广泛，其中骨髓间充质干细胞和造血干细胞是目前研究相对成熟的成体干细胞。我们对于不同来源的成体干细胞的培养和研究也在不断的加深，成体干细胞有望在组织工程中取得新的突破。

1.2微重力的研究背景

地球表面的物体所受的有效重力是由地球重力与其运动产生的离心力共同决定的[4]。如果物体的有效重力加速度（有效重力除以物体的质量）与地面重力加速度（）比值小于1，则称为低重力水平。微重力的定义是指有效重力加速度小于10-6的环境，该环境默认为微重力环境。目前能够实现重力改变的实验平台[5]包括了空间实验平台、消除重量感知平台（落管、自由下落及钟摆）和消除加速运动平台（回转式、螺旋式效应模拟装置）等。我们常采用消除加速运动平台实现微重力环境来进行基础细胞研究，其中三维回转器、旋转壁式生物反应器、旋转灌流式生物反应器是最为普遍的装置。

1.3微重力对干细胞组织工程应用影响的研究背景

目前部分研究认为模拟微重力能够促进干细胞增殖及定向分化，模拟微重力环境通过创造一个低紊流、低剪切力的三维培养环境，能够促进种子细胞的聚集，并且引导其在支架材料中均匀分布[6]，同时在模拟微重力的环境中，由于物体受到有效重力的影响较小，支架材料也更容易形成尺寸更大且分布均匀的复合物[7]。干细胞在模拟微重力环境下的增殖较平面增殖效率更高，在未进行人为诱导分化的条件下，对重力敏感的成骨分化速率减缓，而相对对重力影响不敏感的成脂、成软骨、成心肌细胞分化速率加快。但是有部分研究持相反意见。因此，模拟微重力环境对干细胞的影响有待进一步的研究。

2、微重力对干细胞增殖分化的影响

2.1微重力对干细胞增殖的影响

目前大部分的研究都认为模拟微重力能够促进干细胞的增殖和更好地维持干细胞状态。Zhang等[8](2006年）分别在模拟微重力环境下和正常重力环境下培养狗骨髓间充质干细胞（dMSCs），通过运用扫描电镜观察干细胞（dMSCs）的形态和增殖情况。研究发现模拟微重力环境下培养的dMSCs的生长速度较正常重力条件下培养的干细胞更快。Yuge等[9](2006年）也在实验中论证了这个观点，研究发现模拟微重力环境下培养的人间充质干细胞（hMSCs）的增殖率较对照组提高近3倍，同时培养7d后发现模拟微重力环境培养下的干细胞CD44/CD29和CD90/CD29的阳性表达率较对照组增加了将近6倍。Kawahara等[10](2009年）在研究中发现，模拟微重力环境下培养的胚胎干细胞（ESCs）培养3d后会聚集成许多小球，在培养7d后模拟微重力环境下的干细胞量是正常重力环境下培养干细胞的8倍。在近几年的研究中，越来越多研究者关注到研究尚不广泛的其他成体干细胞，许多研究发现模拟微重力环境下也能够促进此类成体干细胞增殖。Zhang等[11](2015年）对脂肪源性干细胞（ADSC）进行研究发现，模拟微重力环境下培养的干细胞量较普通重力培养下的干细胞明显增多。Zhang等[12](2014年）在对小鼠精原干细胞的研究中发现，模拟微重力环境下培养的干细胞在最初3d经历了生长延迟，但是经过14d的培养后，干细胞的数量明显增加，且干细胞细胞团大小为正常重力培养下细胞团的5倍。He等[13](2016年）将人牙髓干细胞（hDPSCs）分别放置在模拟微重力环境和正常重力环境下进行培养，培养72h后运用MTT法分析细胞增殖水平，研究发现模拟微重力环境下培养的干细胞数是正常重力下干细胞的1.5倍。综上，在模拟微重力环境下，干细胞能够获得更快的增殖速率。但是仍然有部分学者对此提出了反对的意见，他们发现模拟微重力环境下，干细胞的增殖会受到明显的抑制。Merzlikina等[14](2004年）在对人骨髓间充质干细胞（hMSCs）进行研究发现，模拟微重力环境下培养的干细胞更加扁平化分布，而且分布的密度较正常重力培养的干细胞更疏。Wang等[15](2011年）在研究中发现，低重力环境（10-3）下培养的胚胎干细胞（ESCs）增殖速率较正常重力下的胚胎干细胞显著降低，但在正常平板培养10h后，干细胞黏附能力恢复到正常水平。Yan等[16](2015年）在对骨髓间充质干细胞（hMSCs）的研究中运用测量增殖细胞核抗原（proliferatingcellnuclearantigen,PCNA）蛋白水平评估细胞增殖水平，研究发现模拟微重力下培养的干细胞PCNA蛋白的表达较重力培养下的干细胞明显减弱。在对比双方的环境设置后并未发现明显差异，不排除是实验操作导致的结果差异。目前关于微重力是否能促进干细胞增殖的争论仍然存在，尽管双方从不同方面证明自己的观点，但仍有待于进一步研究。

2.2微重力对干细胞分化的影响

在模拟微重力下环境培养的胚胎干细胞（ESCs）能够形成胚状体，同时能够顺利地分化为内皮细胞、成纤维细胞、肝细胞、血管细胞、心肌细胞和其他类型的组织分化细胞[17]，模拟微重力的环境下干细胞也能够顺利地实现成骨、成软骨及成脂多向分化，维持干细胞的干性。目前许多研究[16,18,19,20]都证明了模拟微重力环境会影响干细胞的分化。在最新的TZ-1太空试验中（2018年）[21]，研究发现微重力的环境能够促进干细胞形成3D聚集体，同时有效维持干细胞的干性，Merzlikina等[14](2004年）在对人骨髓间充质干细胞（hMSCs）进行研究中发现，尽管模拟微重力环境下，干细胞的增殖受到抑制，但是在将干细胞恢复到正常重力培养后，干细胞的分化状态可以得到恢复。本文为了论证模拟微重力对于干细胞分化潜能的影响，将从成骨分化、成软骨分化和成脂分化3个方向进行回顾研究。

2.2.1成骨分化

目前为止，许多学者从不同角度证实了模拟微重力环境能够抑制干细胞向成骨分化。Nishikawa等[18](2005年）在研究中发现模拟微重力环境下培养下的干细胞在成骨诱导分化后，其碱性磷酸酶活性较普通重力培养组相比下降了40%;将大鼠骨髓间充质干细胞（MMCs）复合钙磷羟基磷灰石（IP-CHA）共培养2周后，在同种异体大鼠中植入该IP-CHA/MMC复合材料，研究发现模拟微重力环境下培养的干细胞的骨形成量比对照组显著降低。Yan等[16](2015年)在研究中通过检测ALP和核结合因子1(Cbfa1）的表达来评估干细胞的成骨潜能，研究发现模拟微重力环境下培养的干细胞较对照组的成骨潜能受到明显的抑制。在空间试验中（2018年）[19]，对hMSC进行成骨分化的定向诱导后发现;即使在成骨诱导条件下，空间微重力也能够抑制成骨分化并引起干细胞向成脂肪分化。但是也有学者认为，延长模拟微重力对干细胞的作用可能会逆转该结果。Xue等[20](2017年）在研究中发现，短时间模拟微重力环境的刺激（72h内）能够促进MSCs向内皮细胞、神经元和脂肪细胞分化，但是延长模拟微重力刺激时间后（10d），能够促进MSCs向成骨细胞分化。综上所述，微重力能够抑制干细胞的成骨分化同时促进成脂分化，随着培养时间的延长，成骨分化抑制可能会被逆转。

2.2.2成脂分化

大部分的实验都论证了干细胞在微重力的环境中更容易向脂肪分化。在空间试验中，研究中发现干细胞在成骨诱导的培养条件下，空间微重力也抑制了成骨分化并引起成脂肪分化[19,20]。实验中还发现其中脂肪分化的4个特异性基因的表达增加，包括CFD、LEP、CEBPB和PPAR-。

2.2.3成软骨分化

目前大部分的研究认为模拟微重力能够促进干细胞向成软骨分化。Yuge等[9](2006年）通过将模拟微重力下培养的hMSCs和正常重力培养下的干细胞移植到软骨缺损的小鼠中，发现模拟微重力环境下培养的干细胞在7d后在软骨缺损区域形成了透明软骨，而正常重力下培养的干细胞仅形成非软骨细胞。Wu等[22](2013年）在研究中运用逆转录PCR和蛋白质免疫印迹评估软骨细胞外基质蛋白，如Ⅱ型胶原蛋白（TypeⅡcollagen）和聚集蛋白聚糖（Aggrecan）的mRNA和蛋白质表达及甲苯胺蓝染色，研究结果发现模拟微重力下培养下的干细胞在维持软骨形成表型和诱导干细胞向软骨分化方面优于静态培养组。该结论也同样在Yin等[23](2018年）的研究中被证实。但是也有学者对此提出了相反的意见，Mayer-Wagner等[24](2014年）在对人间充质干细胞研究中，运用番红-O和Ⅱ型胶原的染色，结果发现模拟微重力环境下培养的干细胞的成软骨分化能力较静态培养组要差，同时发现模拟微重力环境下培养的COL10A1和COL2A1的表达较静态培养组均显着降低，该作者认为模拟微重力抑制了干细胞向软骨分化。目前，关于微重力是否能促进干细胞向成软骨分化的争论仍然存在，但仍有待于进一步研究。

3、机制研究

根据当前的研究，对于微重力是如何影响干细胞并引起其生物分子学性质改变的机制解释仍然是不充分的。但是我们可以从其中提炼出一些可能发挥作用的通路及因子。

3.1微重力影响干细胞增殖机制研究

目前部分研究发现微重力能够促进干细胞增殖，但缺乏更深层次的机制研究;部分持反对意见的研究者认为细胞周期的抑制是导致细胞增殖抑制的主要原因。Dai等[25](2007年）在研究中提出模拟微重力环境下培养的干细胞的细胞周期在G0/G1期被阻断。该结论也在太空环境下干细胞培养增殖实验[4]中得到证实，Yan等[16](2015年）在对骨髓间充质干细胞的研究中运用流式细胞仪对处于各细胞周期的干细胞数量进行测定，研究发现模拟微重力下培养下干细胞数在G1期细胞较正常重力下培养干细胞比例减少了0.04倍，在S期显著减少0.22倍，G2期增加1.0倍，而处于G2期的干细胞能够抑制干细胞的增殖。由此细胞周期受到抑制可能是引起干细胞增殖减缓的原因。

3.2微重力影响干细胞分化机制研究

太空微重力研究干细胞分化研究中发现[20],10个成骨分化相关基因表达降低，包括了胶原蛋白家族成员，碱性磷酸酶和RUNT相关转录因-2，而4个成脂肪分化的基因表达增加，包括脂肪酶（CFD），瘦素（LEP),CCAAT/增强子结合蛋白（CEBPB）和PPAR-。在骨形成特异性信号通路的分析中，研究发现RUNX2的表达和活性受到抑制，骨形态发生蛋白-2(BMP-2）的表达和SMAD1/5/9的活性降低，局灶黏附激酶（FAK）和ERK-1/2的活性在空间微重力下明显下降。由此推断空间微重力可能通过BMP2/SMAD信号通路和整合素/FAK/ERK通路降低RUNX2的表达和活性，而RUNX2能够通过影响G1期的细胞周期进展来抑制干细胞向成骨分化，至于如何影响目前尚无定论。研究还发现在模拟微重力下，SMAD2/3/4的表达随着时间变化不断增加，添加SIS3(SMAD3磷酸化的特异性抑制剂）后，二型胶原蛋白、ALP、OCN的表达相应减少[26]。综上，SMAD可能是微重力影响干细胞成骨分化的重要信号传导位点。

同时，细胞骨架同细胞核形态及功能密切相关，模拟微重力环境下的细胞中可以观察到细胞核扩大，这可能是由于细胞骨架破坏引起的。有研究认为[27]，模拟微重力环境正是通过破坏肌动蛋白细胞骨架，从而激活大肿瘤抑制因子，抑制了TAZ的核转位，TAZ是一种带有pdz结合基序的转录辅激活因子，它能够在细胞质和细胞核之间穿梭，与TEA家族因子转录因子相互作用，调控基因转录，同时TAZ能够进入细胞核，激活RUNX2，从而促进干细胞向成骨分化。所以模拟微重力可能是通过影响肌动蛋白-TAZ信号传导途径，最终抑制RUNX2的激活，从而抑制了干细胞的成骨分化。

目前较多的研究[11,28,29]都指向微重力下培养的干细胞向成骨分化是受到整合素/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路减弱影响，导致其成骨速率减慢。MAPK通路是一种与机械传导相关的信号传递通路，其上游整合素起到连接细胞骨架和细胞外基质并介导各种信号的作用，可以将机械刺激转化为相应的生化信号，从而激活ERK2，使得RUNX2结合活性及表达的增加。有研究[11]发现，模拟微重力环境的干细胞的Ⅰ型胶原的表达降低，而Ⅰ型胶原特异性2和1整合素蛋白表达增加。同时，粘附依赖激酶、粘着斑激酶（FAK）和脯氨酸受体酪氨酸激酶2(PYK2）的自磷酸化显著降低。所以微重力可能是通过抑制Ⅰ型胶原特异性2和1整合素的信号传递，导致整合素/MAPK信号转导减少引起的。有研究发现[32]，骨形态发生蛋白-2(BMP-2）可以增加RUNX2的表达，成纤维细胞生长因子2(FGF2）能够增加ERK和RUNX2的磷酸化，由此两者可能作为影响因子共同协助影响ERK/RUNX2信号传导途径，促进干细胞向成骨分化。模拟微重力除了能抑制RUNX2的表达和降低ERK的磷酸化，同时能够使PPARgamma2的表达增加，同时增加了p38MAPK的磷酸化。有研究[29]通过运用SB383580（一种p38MAPK抑制剂），发现其能够抑制p38MAPK的磷酸化，同时能够促进ERK和RUNX2的磷酸化，而对于PPAR-的表达无任何影响。所以骨形态发生蛋白-2(BMP-2）、成纤维细胞生长因子2(FGF2）和SB383580能够通过影响整合素/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路从而逆转微重力引起的成骨分化抑制作用。而PPAR-2却不受该通路影响，有研究[30]运用吡格列酮（PPAR-通路激动剂）和GW9662(PPAR-通路抑制剂）对微重力培养下的干细胞进行研究，研究发现吡格列酮显著抑制干细胞的成骨细胞分化，而GW9662能够通过抑制PPAR-通路促进成骨分化，由此PPAR-通路可能也是微重力影响干细胞成骨分化的重要通路。

Yan等[16](2015年）在研究中提出SATB2可能通过抑制下游靶点Hoxa2表达引起成骨潜能的改变，通过过表达SATB2能够抵消模拟微重力对成骨细胞分化的抑制。Oct4、Nanog、Sox-2和Rex-1是胚胎干细胞的核心转录因子，对维持干细胞的多能性和自我更新能力具有重要意义，这在研究中[31]也得到验证，模拟微重力环境下培养的干细胞的转录因子能够保持较高的浓度。

目前针对干细胞如何影响成软骨和成脂肪分化的机制研究比较缺乏。有研究通过向干细胞成软骨分化加入TGF-1，发现TGF-1能够促进Ⅱ型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的表达[32]，同时TGF-1能够激活p38MAPK信号通路[33]，从而促进干细胞向软骨分化。

4、展望

干细胞作为一种具有多向潜能分化的细胞，在特定的诱导条件下，可向脂肪、骨、软骨、神经等多个方向分化，是组织工程化应用的重要种子细胞。尽管我们希望通过运用消除加速运动平台（回转式、螺旋式效应模拟装置）达到地球表面的微重力环境，使得干细胞能够在微重力的环境中快速的增殖及维持干性，同时促进其向脂肪、软骨分化。但是既往的研究有许多带有争议的研究结果，比如部分研究表明模拟微重力也许会抑制干细胞的增殖和向软骨分化。所以微重力能否促进干细胞增殖及定向分化有待进一步的研究和证实。同时，既往针对机制的研究指出整合素/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路、整合素/FAK/ERK等信号通路可能在微重力影响干细胞分化中发挥重要的作用，目前针对微重力影响干细胞增殖的研究仍有许多争议，同时完整的模拟微重力作用干细胞的机制仍有待进一步探索。微重力能够在干细胞增殖、分化及维持干性等方面发挥重要作用，我们希望通过进一步的研究采用某些信号通路的相关干预因子，从而发现促进干细胞增殖分化的特定通路，使其适用于组织工程化运用。

参考文献：

[4]龙勉.如何在地球表面模拟空间微重力环境或效应:从空间细胞生长对微重力响应谈起[J].科学通报,2014,59(20):2004-2015.

朱天飞,朱飞燕,耿倚云,朱伟民,段莉,王大平.微重力对干细胞增殖分化影响的研究进展[J].生物骨科材料与临床研究,2020,17(02):69-73.