西工大空间生命科学项目随“天舟一号”顺利升空

2017-04-20来源:中青在线 作者:孙海华 刘建平 郑真

    中科院院长白春礼、副院长相里斌同参加“天舟一号”货运飞船空间项目的西北工业大学团队合影。

    中青在线西安4月20日电(刘建平 郑真 中国青年报·中青在线记者 孙海华)今日19时41分,我国首艘货运飞船“天舟一号”在海南文昌航天发射场发射,其上所搭载的4个科学实验项目中的一个——“微重力对细胞增殖和分化影响研究”,是一项由西北工业大学牵头、探索骨质流失秘密的空间生命科学研究,也是我国首次由高校牵头承担的国家载人航天工程空间生命科学实验项目。

    “航天员的骨质流失,一直是国际上载人航天探索活动中,航天员健康需要优先考虑、亟待解决的问题。”“微重力对细胞增殖和分化影响研究”项目责任专家、西工大生命学院商澎教授告诉记者,当人体进入太空时,由于失重的作用,造成人体体液头向分布,使头部动脉压与心脏的一样高,从而产生“倒立”的感觉。同时,也使人体的骨骼系统失去了力学刺激。

    北京时间2016年10月17日7时30分,神舟十一号载人飞船在酒泉顺利升空,经过近33天的飞行,返回舱于11月18日14时07分着陆,两位航天员景海鹏、陈冬平安归来。两人出舱时,不是自己走出来,而是由工作人员抬出。

    “载人飞船和国际空间站,在太空中高速运行时,舱内物体实际处于‘微重力’环境,约为地球1g重力的百分之一以下。”对于总是处于动态平衡过程中的人体大多数系统,当重力环境或外界刺激发生改变时,就会自动调节自身结构以适应这种变化。

    西北工业大学副校长、“微重力对细胞增殖和分化影响研究”项目总指挥宋保维教授,在发射场看望团队成员。

    经过长期太空飞行的微重力状态,骨骼系统会失去原本在地球表面的1g外部力学刺激,成骨作用降低,破骨作用增强,骨骼系统重建平衡被打破——商教授形容该过程为“骨重建的跷跷板失衡模型”,不仅会出现骨钙流失、血钙和尿钙升高,还会增加血管硬化、泌尿系统结石,以及骨折的风险。

    即使回到地面,也无法很快适应1g重力环境,必须经过休养、恢复训练,才能像正常人一样走动自如。“景海鹏和陈冬在太空待了近5周(33天)的时间,他们的身体极有可能发生骨质流失现象。”

    经过征集申报和层层遴选,“微重力对细胞增殖和分化影响研究”项目,由西工大副校长宋保维任项目指挥,生命学院商澎教授为责任专家,联合清华大学、浙江大学、军事医学科学院基础医学研究所、中科院动物所、香港浸会大学等5家单位,共同开展8个子课题研究。其中,西工大还承担其中一个子课题“空间微重力环境对骨/成骨细胞生命活动的影响”的研究。

    “空间微重力环境下的骨细胞研究,对于地面研究同样具有借鉴意义。”据介绍,参与人体骨骼系统重建过程的有骨细胞、成骨细胞以及破骨细胞。成骨细胞负责新生骨的形成,破骨细胞负责把老旧或受损的骨骼部位分解掉,而骨骼中含量最多的骨细胞,则可能承担着力学感知,并调节成骨细胞和破骨细胞活性的作用,即骨骼系统的“调节者”角色。当破骨细胞的活跃度大于成骨细胞的活跃度时,骨分解的速度超过了骨形成的速度,到了一定程度,则会出现骨质疏松症。

西北工业大学团队在文昌航天发射场实验室。

    如何理解微重力环境下骨质流失的发生过程,首先得从构成组织的最小单元——细胞入手。商教授团队开展的地基模拟实验发现,处于微重力环境中的骨组织细胞变化明显。失重环境诱导骨细胞和成骨细胞形态改变、细胞内骨架结构发生重排;一方面,成骨细胞增殖和分化调节因子表达下调,细胞的生长和矿化作用被抑制;另一方面,破骨细胞分化相关基因上调,促进了破骨细胞的分化成熟和破骨活性。

    解决骨质流失问题,很多人首先想到的是补钙。事实上,没有合理的辅助措施,即使补再多的钙,机体也无法成骨。对此,商教授有个形象的比喻:治疗骨质疏松好比砌墙,钙质好比砖头,但砖头再多,没有砌砖工人也是无济于事。

    目前,由于微重力环境下成骨难度大,国际上主要从“节流”角度补救,即抑制成熟破骨细胞的分化形成及其破骨作用活性。但商教授说,中国人主张“阴阳平衡”,“节流”的同时最好能做到“开源”,也就是增加新骨的形成。如何逆转骨重建失衡的局面,是需要解决的根本问题,而要解决它的第一步,在于了解微重力环境对细胞基本生命活动的影响。

商澎教授与团队成员在文昌发射场实验室。

    此次西工大团队的项目搭载“天舟一号”货船进入太空,目的正是研究微重力环境对骨组织细胞的长期影响,实验将总共持续21天。

    3年多来,课题组已完成空间实验流程设计优化、专项实验、匹配试验及发射场合练试验。2017年3月13日,团队进驻海南文昌航天发射场,进行发射前准备工作并执行发射任务。

    10多年来,团队围绕微重力环境展开了一系列研究,硕果累累:曾利用地基微重力环境(效应)模拟技术,从细胞、组织及整体动物层次开展了失重环境致骨质流失机制及对抗措施的系统研究;并与欧空局合作,利用法国抛物线飞机开展骨细胞研究,发现微重力导致骨细胞突触数目减少,细胞微丝-微管骨架结构发生紊乱。

    在微重力环境下的骨骼问题研究中,团队还有不少意外收获。目前,团队拥有国内唯一、国际领先的抗磁悬浮技术平台。依托该平台,他们发现了磁场在人体健康维护方面的巨大潜力,继而在骨骼相关疾病的治疗上取得突破,以期解决骨质疏松、骨肿瘤的治疗等问题。

    商澎教授所负责的空间生物实验模拟技术重点实验室,是国内同时具备强磁和弱磁实验条件的实验室。多年的空间生命科学研究之后,商教授将视线瞄准了地面人群,希望能够了解更多人体代谢、动态平衡的奥秘,并帮助更多人。

【责任编辑:贾志强】
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