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一直以来，迈向星辰大海都是生活在这个地球上的人们，千百年来似乎遥不可及的梦想。2024年10月13日，太空探索公司（SpaceX）成功完成了星舰（Starship）的轨道再入回收任务，这标志着人类离成为“多行星物种”又近了一步。既然要成为“多行星物种”，如果能在空间轨道上批量培育干细胞肯定是一件美事，在微重力环境下生长的细胞说不定能迸发出我们无法想象的潜力。
近日，来自世界顶尖医疗机构梅奥诊所的研究团队，在自然出版社旗下的《npj Microgravity》杂志上总结了他们对于外太空条件下干细胞培育与治疗的前沿观点，他们认为在国际空间站 (ISS) 微重力环境下生长的干细胞具有独特的特性，有朝一日可能有助于加速新的生物疗法以及治愈复杂疾病。
01.
微重力环境的探索：
从人体生理学到细胞疗法···
在过去的二十年里，干细胞生物学和再生医学领域取得了显著进展，同时，太空技术也经历了创新。特别是国际空间站（ISS）作为一个重要平台，正在为全球的学术和商业团体提供独特的研究机会。科学家们越来越关注，如何利用微重力这一特殊环境，研究干细胞及其衍生组织的行为，探索它们在模拟人类疾病机制以及细胞疗法中可能带来的潜力。
国际空间站（ISS）
在人类开始探索太空的初期，生命科学研究的主要任务是了解太空环境 -- 尤其是微重力对人类生理的影响。随着研究的深入，科学家们逐渐发现，微重力不仅仅影响人类的生理状态，它还对生物学过程和疾病的发生机制产生了独特的影响。
通过在国际空间站的实验，科学家们不仅能够揭示干细胞在微重力环境下的行为，还可以将这些发现应用到地面上的医学研究。研究表明，微重力环境有可能推动细胞疗法的发展，为地球上的医疗和商业行业带来变革。例如，科学家们发现，在微重力下，干细胞的增殖和分化可能更加高效，某些类型的细胞疗法甚至可能比在地球重力下更有效。这些发现对再生医学、癌症治疗以及其他一些难治性疾病的治疗方法提供了新的启示。
02.
地球上培育干细胞面临的挑战
在地球上培育干细胞面临着多种挑战，特别是在获得足够数量的干细胞用于临床应用或研究时。成体干细胞，如骨髓或脂肪组织中的干细胞，通常不会自发地分裂并转化为特化细胞，这意味着它们的增殖和分化能力是有限的。为了能够使用这些细胞，必须通过人工扩增来增加其数量。然而，这一过程既昂贵又耗时，而且结果还可能不一致。
03.
太空干细胞培育的优势
我们知道，在临床和实验细胞疗法中，干细胞的应用至关重要，尤其是多能干细胞和成体干细胞。多能干细胞有能力分化为身体中的几乎所有类型的细胞，这使得它们在再生医学中具有巨大的潜力。主要类型的多能干细胞包括胚胎干细胞、外胚层干细胞、胚胎生殖细胞和诱导性多能干细胞（iPSC）。其中，iPSC是通过在实验室中对人体的血液或皮肤细胞进行重编程获得的，这些细胞能够生成体内几乎所有类型的细胞。iPSC的一个重要优势是它们携带个体自身的DNA，因此能够为个性化医疗提供量身定制的治疗方案。
另一方面，成体干细胞是存在于成人体内的未分化细胞，它们能够通过分化为不同的细胞类型来支持组织的生长和修复。常见的成体干细胞包括造血干细胞、间充质干细胞、皮肤干细胞和神经干细胞。随着组织工程技术和基因编辑技术的不断进步，科学家们可以将干细胞重构成三维类器官和组织结构，这进一步拓宽了它们在个性化治疗中的应用前景。
微重力下培养干细胞具有意想不到的优势
微重力被认为为干细胞提供了一种新的培养环境。在微重力条件下，细胞会发生一些独特的变化，这为干细胞的生长提供了优势。
为了解决干细胞扩增的问题，全球有多个研究小组已开始探索在太空中扩增干细胞的可能性。太空的微重力环境为细胞提供了一种更接近自然的三维生长状态，类似于人体内细胞的生长模式。与地球上的二维培养环境相比，三维培养系统能够更好地模拟体内细胞的行为和反应。通过在微重力环境下培养干细胞，研究人员希望能够促使大量高质量的临床级干细胞生长，并评估将这些太空中扩增的干细胞带回地球的可行性。
细胞三维培养系统
正如祖拜尔博士说的那样：“太空环境为干细胞的生长提供了优势，因为它为干细胞的扩增提供了更自然的三维状态，这与人体细胞的生长非常相似。相比之下，地球上的二维培养环境不太可能模仿人体组织。”
04.
目前在太空中研究的干细胞类型
目前，包括间充质干细胞 (MSC)、造血干细胞 (HSC)、诱导性多能干细胞衍生的心肌细胞 (hiPSC-CM)、心血管祖细胞 (CPC) 和神经干细胞 (NSC)，都已经被送往国际空间站进行研究。这些细胞的生物学特性、干性维持情况及其命运选择过程都被细致地评估过，以确保它们在太空环境下依然保持功能性和安全性。
正在进行或已完成的太空干细胞实验
间充质干细胞（MSC）：
间充质干细胞（MSC）是一类具有广泛临床应用潜力的细胞，尤其在治疗疾病时显示出巨大的前景。尽管如此，如何在保证其干细胞特性不受损的前提下，安全且有效地扩增MSC，仍然是目前研究中的一大难题。
在这方面，黄等人的一项研究在国际空间站上进行了MSC的培养，评估了这些干细胞在太空环境下的表现。这项研究表明，MSC在太空中培养了两周后，依然保持了其特性和增殖能力，且微重力环境没有显著影响其分化潜力。更令人欣喜的是，暴露在太空中的MSC展现出比地球上培养的MSC更强的免疫抑制能力，且在染色体、DNA损伤等方面未发现恶性转化或基因损伤。
细胞界的百变女王 - 间充质干细胞（MSC）
这项研究的另一个亮点是，MSC在微重力环境下的表现可能为中枢神经系统疾病提供新的治疗方式。通过国际空间站上的“Stroma-2”实验，研究人员发现，太空中的小鼠骨髓MSC与地球上培养的MSC相比，表达了更多与神经发育、神经元形态及突触传递相关的基因。此外，模拟微重力下培养的人类MSC在小鼠的急性损伤模型中表现出更强的抗炎作用和更好的细胞修复能力。
造血干细胞（HSC）：
在太空环境中，微重力对人类造血干细胞（HSC）的增殖和分化会产生了显著影响。通过在不同航天任务中的研究发现，与地球对照组相比，HSC在太空中的增殖和分化能力下降，尤其是髓系和红系祖细胞的数量减少。同时，太空中的HSC在分化成巨噬细胞的过程中加速，这提示太空微重力可能促进了HSC向巨噬细胞的分化。
此外，研究表明，微重力对红细胞生成尤其敏感，这种抑制作用可能是造成航天员贫血的因素之一。微重力对HSC的干细胞性保护也提出了一种新思路，即利用太空扩增的HSC来治疗疾病。然而，是否能够在地球上通过这些细胞产生具有功能性和终末分化的造血细胞尚需进一步验证。
与人类研究相对照，小鼠实验的结果表明，在微重力或模拟微重力环境中，小鼠骨髓中的HSC和祖细胞数量显著减少，细胞周期在G1/S转换期停滞。然而，微重力对小鼠HSC的分化能力影响较小。此外，在模拟微重力条件下，HSC的迁移、细胞周期进程和分化模式均受到显著抑制，并且HSC中的DNA损伤修复功能受损。这些研究揭示了太空微重力对免疫系统平衡的潜在破坏作用，进一步加深了科研人员对微重力环境下HSC动态变化的理解。
来自诱导性多能干细胞的心肌细胞（hiPSC-CM）：
在心脏病发作等事件后，心肌细胞的损失往往是不可逆的，使心脏功能恢复面临巨大挑战。然而，人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生的心肌细胞（hiPSC-CM）可能为替代损失的心肌细胞提供了解决方案。近期研究将hiPSC-CM在国际空间站进行了5.5周的培养，以探索微重力环境对其影响。与地面样本相比，这些细胞在基因表达、钙处理及线粒体代谢等方面表现出显著差异，显示出通过调节基因表达来适应太空环境的能力。然而，细胞的形态和肌节结构并未发生明显变化，这表明微重力主要影响了细胞的功能而非结构。
来自诱导性多能干细胞的心肌细胞
另一项研究进一步证实了太空环境对hiPSC心脏祖细胞的影响。在国际空间站停留三周后，这些心脏祖细胞分化成心肌细胞，其体积和细胞核数量大幅增加，显示出较高的增殖能力。此外，太空样本中与收缩相关的基因表达增强，钙处理反应提升，表明这些细胞在微重力环境中具备良好的增殖和功能性心肌细胞特性。短暂暴露于微重力环境（3天）也显现出与细胞增殖、分化和收缩相关基因的上调。
在另一项地面模拟微重力的研究中，由iPSC生成的心脏球体在心肌细胞纯度、增殖率及功能特性上均表现优异。这些研究结果表明，微重力环境有助于心肌细胞的高效扩增和功能增强，可能成为未来细胞治疗的理想途径，尤其是通过减少地球引力引起的张力，为iPSC生成和心肌细胞的快速繁殖提供了理想的条件。
心血管祖细胞（CPC）：
心脏再生能力有限的原因主要包括心血管祖细胞（CPC）数量不足、自我更新能力低、以及生成未成熟心肌细胞等因素。虽然已有的临床试验尝试通过刺激受损心脏组织的自我修复来促进心脏再生，但仍面临挑战，例如细胞植入困难和CPC效力有限等问题。
CPC具备自我更新和多向分化的潜力，能够分化为心肌细胞、平滑肌细胞和内皮细胞，这些细胞是心脏组织的三种主要构成。然而，为了增强CPC在心脏修复中的效果，研究人员正在探索太空飞行环境下，CPC干细胞性如何受到微重力环境的分子调控。在组织再生过程中，CPC从静默状态转变为活跃状态，进而分化出新的心肌细胞和内皮细胞，这一过程有助于损伤心脏的再生。
在国际空间站的实验中，科研人员培养了新生和成年CPC，发现太空微重力环境下，CPC的DNA修复基因、旁分泌因子表达和细胞迁移能力均有所增强。此外，新生CPC表现出更强的增殖潜力，而成年CPC则在太空环境中激活了与Hippo信号通路相关的关键蛋白YAP1。YAP1的激活被认为可以调控成年CPC的增殖能力和心脏发育，对心血管修复具有潜在益处。研究表明，通过诱导成年CPC过度表达YAP1，可以赋予它们类似新生CPC的再生潜力，这对于心脏再生研究具有重要意义。
神经干细胞（NSC）：
在国际空间站的微重力环境中，科学家对人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生的神经干细胞（NSC）进行了长达39.3天的培养，之后将其带回地球。研究发现，这些细胞在太空中不仅保留了干细胞特性，还能够持续增殖。更有趣的是，它们在返回地球后仍具备分化成年轻神经元的能力，表明微重力并未影响其选择神经元命运的潜力。
太空环境对NSC的影响具有广泛的临床意义。由于许多神经退行性疾病（如多发性硬化症、脑瘫等）与特定神经细胞群体的丧失有关，微重力中培养的NSC可能为这些疾病提供潜在的治疗方法。太空中的微重力条件被认为是增加神经细胞数量的有效手段，无需基因操作或使用药物促进细胞分裂。此外，通过3D生物材料培养系统结合太空微重力，NSC在体外的神经分化能力显著提高，这也为未来组织工程提供了新的途径。
NSC具有多种独特的干性标志物
在RNA测序分析中，太空中的NSC显示出干性标志物（如Sox2、Pax6、Notch1）的高表达，而成熟神经元标志物（Map2）亦有增加，表明其更倾向于向神经元分化。相比之下，支持细胞如星形胶质细胞（Gfap）和少突胶质细胞（Gal、Olig2）的标志物表达则有所减少，这进一步表明太空微重力有助于NSC向神经元的偏向性分化。
尽管存在一些尚待解答的生长模式差异和应激反应，太空中的NSC实验揭示了微重力条件下的独特细胞行为。随着对这些机制的深入研究，科学家期望能够将这些发现转化为促进神经再生的潜在疗法。
05.
微重力培养干细胞的更多益处
将干细胞应用于太空，不仅为地球上的临床治疗带来了希望，还为医学研究开辟了新的领域。在微重力环境中培养干细胞可以作为研究疾病模型的工具，帮助科研人员更好地了解特定疾病的发展，并测试新疗法。这种实验将太空独特的环境用于生物医学研究，进一步推进对生物现象的探索，为操纵细胞过程提供了新的手段。此外，干细胞在太空中的扩增也为研究其他类型的细胞及潜在疗法提供了可能。这类实验同样激发了太空类器官研究的兴趣，预计可为再生医学和转化干细胞技术带来新的突破。
未来的轨道医学实验室···
太空中的干细胞研究还为低地球轨道（LEO）的生物医学商业化带来了潜在的机会。随着太空基础设施技术的进步，进入太空的成本逐渐降低，这不仅推动了研究，也激发了太空医疗贸易和生物制造的创新。通过在LEO环境中扩增干细胞及其他相关生物制品，科学家可以在太空中开展更加前沿的医疗研究，并将其成果应用于临床，为全球的科学界和大众提供更有价值的洞见！
不符合进群条件的其他身份勿加
可申请进群者：技术与研发人员、医学工作者（正高级）、企业实控人、博士后，以上皆可以钉钉或飞书等办公平台，在职截图，学术主页链接认证；
