干細胞出征太空“對抗”骨質(zhì)流失

孫媛媛

不僅是干細胞治療，包括其他免疫細胞治療在臨床上的應(yīng)用，將會是繼藥物治療與手術(shù)治療之后的臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展的新方向。

載人航天的發(fā)展是我國航天強國戰(zhàn)略的重要組成部分，骨質(zhì)流失是航天員面臨的主要健康問題之一。針對此問題，2016年4月，浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王金福教授和他的團隊第一次送干細胞“上天”，確認了失重是宇航員骨質(zhì)變化的主要原因之一。時隔一年后，2017年4月，他帶領(lǐng)團隊，又一次將干細胞送上天，借助“天舟一號”貨運飛船的升空開展骨細胞定向誘導(dǎo)分化實驗，進一步確認了細胞外力學(xué)信號的變化是引發(fā)干細胞分化方向變化的直接原因。

在依托“實踐十號”實驗衛(wèi)星和“天舟一號”貨運飛船開展初步科學(xué)探索的基礎(chǔ)上，王金福教授、余路陽教授和吳夢瑞研究員組成的干細胞研究團隊于2020年獲批并承擔(dān)國家載人空間站工程應(yīng)用系統(tǒng)第一批干細胞項目，開展微重力條件下骨髓干細胞成骨分化機制研究。

去年11月12日，“天舟五號”貨運飛船在文昌航天發(fā)射場順利升空，王教授和余教授團隊的干細胞實驗單元也抵達中國空間站，與此前安裝在問天艙內(nèi)的生物技術(shù)實驗設(shè)備“會師”。

王金福教授從事生物科學(xué)實驗已有20余年，以前的他從未想過能將研究項目帶入太空?！半S著我國空間站的建造完成，在未來的空間站運營期間，還將會給我們提供更多的想象空間和科學(xué)實踐機會。”王金福教授表示，他與團隊希望通過每一次的空間科學(xué)實驗，解決空間環(huán)境造成骨質(zhì)變化的一個個科學(xué)問題，為明確空間失重環(huán)境造成骨細胞生成發(fā)生改變的關(guān)鍵分子靶點提供可靠的科學(xué)依據(jù)，為將來開展相關(guān)藥物研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

為人類健康事業(yè)賦能

《小康》·中國小康網(wǎng)：在新冠疫情催化下，干細胞療法迅速站上“風(fēng)口”，被國家列入“三藥三方案”重點發(fā)展領(lǐng)域，與新冠治療有關(guān)的18個攻關(guān)項目陸續(xù)獲批，迎來高速發(fā)展戰(zhàn)略機遇期。對此，您怎么看？

王金福：近三年來，新冠對人類健康的影響確實很大，新冠病毒主要攻擊人的呼吸系統(tǒng)，特別是上呼吸道，嚴(yán)重的會引起肺部炎癥，或傷及氣管等，這些損傷可以通過不同的途徑進行治療。其中，由于干細胞在組織損傷修復(fù)方面的治療作用，近期也有一些相關(guān)臨床研究。

干細胞是一類潛伏在我們身體里，具有很強增殖、多向和定向分化能力的細胞，這類研究是從上個世紀(jì)末開始發(fā)展起來的。經(jīng)過20多年，對干細胞的基礎(chǔ)研究和臨床研究都有很大的進展。正因為干細胞具有很強的增殖、多向和定向分化的能力，所以在治療不同疾病或是組織器官的損傷上，發(fā)揮著很重要的作用，比如它可以替代受損傷的細胞來修復(fù)組織。近年來，干細胞的臨床應(yīng)用研究很多，因為新冠疫情造成人類健康的影響很大，所以干細胞療法在其他的組織損傷或者相關(guān)疾病的治療上，將會有很多的應(yīng)用前景。

《小康》·中國小康網(wǎng)：如果把“人骨髓間充質(zhì)干細胞”實驗項目比喻成您帶大的“孩子”，從他的孕育到成長，到最終發(fā)揮作用，這個過程是怎樣的？

王金福：早在2000年，我們就開始研究人的骨髓間干細胞，獲得浙江省科技計劃項目、國家基金項目、中國科學(xué)院項目，以及國家973計劃項目的支持，目標(biāo)是通過干細胞的研究，在未來人類的疾病治療、組織損傷修復(fù)等方面發(fā)揮作用。我們早期的研究方向包括干細胞的增殖、定向分化，特別是骨組織的工程化，以及骨修復(fù)作用的研究。后期我們結(jié)合空間生命科學(xué)研究的需求，進一步開展了空間微重力環(huán)境下人類的骨丟失及其分子機制方面的一些基礎(chǔ)研究，這些基礎(chǔ)理論研究將來也會逐步轉(zhuǎn)向臨床應(yīng)用。

在骨組織工程方面，可以利用干細胞作為種子細胞來開展骨組織工程研究、制備骨組織，并應(yīng)用于臨床骨組織損傷修復(fù)。

在空間生命科學(xué)研究方面，利用人骨髓間充質(zhì)干細胞，研究空間環(huán)境導(dǎo)致骨質(zhì)變化的分子機理、分子靶點，在此基礎(chǔ)上研究相關(guān)藥物以及藥物的調(diào)控作用，并與藥物研究或是臨床研究結(jié)合起來，將研究成果應(yīng)用到醫(yī)學(xué)方面。

總之，針對骨質(zhì)疏松變化，利用干細胞來研究骨生成減少的機制機理，將來對藥物開發(fā)研究有重大作用。

揭示人體骨質(zhì)疏松原因

《小康》·中國小康網(wǎng)：您負責(zé)和參與了三次空間干細胞項目，對于干細胞療法有哪些新發(fā)現(xiàn)和收獲？項目取得了哪些進展？

王金福：我們早期的主要研究興趣在“骨組織”研究上，利用骨髓里分離到的一種干細胞“骨髓間充質(zhì)干細胞”的體外增殖培養(yǎng)，構(gòu)建骨組織，將來可向人工骨和修復(fù)骨損傷方向發(fā)展。在研究過程中，除了采取細胞因子等誘導(dǎo)干細胞定向分化骨細胞外，我們還利用一些物理的條件，比如給細胞加力的方式來促進骨細胞分化。在構(gòu)建骨組織的過程中，不用或者少用化學(xué)試劑，直接利用物理的作用，比如讓培養(yǎng)液流經(jīng)細胞表面，液體流動過程中對細胞產(chǎn)生的剪切力可促進干細胞向骨細胞分化。

后來，我們關(guān)注到有關(guān)報道——宇航員在“天上”長期處于失重的環(huán)境條件下，脫離了地球的重力作用，導(dǎo)致宇航員的骨質(zhì)產(chǎn)生變化，發(fā)生嚴(yán)重的骨質(zhì)疏松。人類在天上一個月的骨量丟失，相當(dāng)于孕婦一年的骨量丟失。那么，骨質(zhì)變化是不是跟骨生成有關(guān)系？正常人的骨質(zhì)也是處于動態(tài)平衡過程中，它在不斷地丟失，但同時又在不斷地生成，只要生成和丟失的量是相等的，就會維持在正常的骨質(zhì)狀態(tài)。如果骨質(zhì)丟失多，而生成減少，就容易產(chǎn)生骨質(zhì)疏松。

我們設(shè)想：是不是在天上失重的環(huán)境條件下因為失去力的作用，而導(dǎo)致干細胞生成骨細胞的能力降低？當(dāng)時，我們實驗室采取了地面模擬微重力效應(yīng)的方法，來觀察是不是干細胞分化成細胞的能力降低了。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，骨髓的干細胞分化成細胞的能力確實降低了，不向骨細胞去分化，轉(zhuǎn)而分化成了脂肪細胞，跟老年人的骨質(zhì)疏松非常相似——骨細胞減少，脂肪細胞增多。由于環(huán)境條件的改變導(dǎo)致細胞分化能力的變化，有必要在“天上”開展相應(yīng)的科學(xué)研究進行驗證。

2011年，中國科學(xué)院有一批先導(dǎo)專項，發(fā)射4顆衛(wèi)星，其中有1個衛(wèi)星叫“實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星”，搭載著19項創(chuàng)新性的科學(xué)實驗，相當(dāng)于把一個綜合性的實驗室搬到了太空。我們提出項目申請，目的是要把干細胞送到“天上”去，看骨細胞的生成能力是不是會降低，導(dǎo)致分化能力變化的原因是什么，以及我們能不能通過分子機制研究，找到關(guān)鍵的分子靶點。還有，我們是否可針對分子靶點采用相應(yīng)的藥物來改變空間環(huán)境造成的骨生成降低。這項研究對解決空間人類骨質(zhì)變化及其預(yù)防和治療具有重要的科學(xué)意義，因此被立項成為“上天”的19個項目之一。

正式發(fā)射衛(wèi)星是2016年，中間5年的時間，我們需要在地面上做很多準(zhǔn)備工作，要解決細胞培養(yǎng)的實驗裝置問題。因為到“天上”去，沒有任何人為操作，對細胞進行處理、培養(yǎng)液換液、實驗完畢后細胞需要固定和裂解，這些操作過程都需要自動化，我們需要通過一次次的匹配試驗與研制細胞培養(yǎng)裝置的專家進行合作。

2016年4月，我們團隊第一次送干細胞到“天上”去分別開展為期2天和7天的細胞定向分化實驗。兩周之后，衛(wèi)星返回，我們對回收的細胞樣品進行了分析，同時地面上也做了對照實驗。我們對細胞進行了一系列的檢測分析，發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境下，確定干細胞分化成骨細胞的能力大大降低，轉(zhuǎn)而分化成脂肪細胞了。我們同時又對細胞進行了分子水平的檢測分析，發(fā)現(xiàn)骨細胞分化相關(guān)的基因表達水平以及蛋白的活性水平都降低了，而與脂肪細胞分化相關(guān)的基因和蛋白表達水平增加了，這就說明空間失重環(huán)境導(dǎo)致相應(yīng)的分子表達和活化水平發(fā)生了改變，從而引起干細胞的分化方向發(fā)生了改變。從這里我們找到了細胞里影響分化的關(guān)鍵分子靶點，這是我們第一步的工作。

第二步，為什么細胞外面的力學(xué)信號改變會引起細胞內(nèi)的化學(xué)信號改變？這是我們要做的另一項研究。2017年4月，我們參與了天舟一號貨運飛船的科學(xué)實驗，跟衛(wèi)星不一樣，這次貨運飛船是不返回的。在前面的衛(wèi)星實驗中還沒有實時觀測的條件，而在貨運飛船上，我們通過顯微圖像實時傳輸，可觀察到細胞形態(tài)在空間實驗過程中會發(fā)生什么變化。因為有顯微圖像，我們還可通過熒光標(biāo)記觀察到細胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)有沒有發(fā)生改變。

細胞外的力學(xué)作用會導(dǎo)致細胞膜內(nèi)側(cè)形成黏著斑，并由此引起細胞內(nèi)其他蛋白活性發(fā)生改變。但是太空空間重力非常低，斑點稀少且微小。這說明細胞外力學(xué)信號影響了細胞膜內(nèi)側(cè)黏著斑的形成，從而導(dǎo)致細胞內(nèi)的相關(guān)細胞信號通路發(fā)生改變。

此外，我們在衛(wèi)星的科學(xué)實驗中發(fā)現(xiàn)了細胞內(nèi)的相關(guān)基因表達水平也發(fā)生了改變，比如骨細胞分化相關(guān)的基因表達水平下降了，脂肪細胞相關(guān)的基因表達水平上升了。那么，表達水平為什么會變化？是不是基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變？這就是我們要做的——研究骨細胞和脂肪細胞分化相關(guān)基因的表觀遺傳學(xué)特征是不是發(fā)生了改變？

去年11月12日，“天舟五號”貨運飛船在文昌航天發(fā)射場順利升空，我們團隊研究的人骨髓間充質(zhì)干細胞實驗項目再度“上天”，并在我國載人空間站“問天”實驗艙開展人骨髓間充質(zhì)干細胞定向分化骨細胞實驗。這次的空間項目由余路陽教授負責(zé)，我進行技術(shù)指導(dǎo)。此次的主要研究任務(wù)是“為什么基因表達水平會發(fā)生變化”?？臻g站里有非常有利的條件，一些操作過程可以由宇航員幫助我們來完成，同時空間站上又可實現(xiàn)顯微圖像傳輸，這次“上天”等于把前兩次空間實驗的優(yōu)點都結(jié)合起來。這次我們主要研究細胞內(nèi)與分化相關(guān)的基因表觀遺傳學(xué)特征變化，看看相關(guān)基因的甲基化或乙?；接袥]有發(fā)生改變。因為甲醛化水平和乙酰化水平的改變會影響基因的“開”和“關(guān)”，所謂“開”就是促進它表達，所謂“關(guān)”就是不表達。

通過這三次的干細胞“上天”，我們基本上找到了空間失重環(huán)境導(dǎo)致骨生成減少的原因，并確定分子靶點。接下來我們就可以進一步通過空間科學(xué)實驗，針對特異的分子靶點，采用特異的小分子藥物對分子靶點進行活性調(diào)節(jié)。希望通過調(diào)節(jié)分子靶點，促進骨細胞恢復(fù)正常的生成，適當(dāng)降低脂肪細胞分化。這些研究成果不僅可以解決將來人類在空間環(huán)境下工作和生活所造成的骨生成變化困擾，同時為地面生活的人類的骨質(zhì)疏松，也提供一定的解決途徑。

《小康》·中國小康網(wǎng)：2005年，您們團隊將干細胞生物學(xué)與航天醫(yī)學(xué)結(jié)合，形成交叉學(xué)科，研究空間環(huán)境干細胞生物學(xué)。自此，您的科研團隊18年緊盯一個項目，三次將干細胞“送上天”。在其中，您經(jīng)歷最艱難的事件是什么？是如何擺脫困境的？

王金福：在我們把細胞送到“天上”去之前，我在地面上就通過模擬做了一些科學(xué)實踐。關(guān)于空間環(huán)境下骨生成的減少以及相應(yīng)的機制研究，我們的研究在國內(nèi)是比較前沿的，但這樣的學(xué)科交叉，有一個循序漸進的轉(zhuǎn)方向過程。

遇到比較困惑的問題是：首先，原來在地面實驗室里做實驗，是在正常的重力環(huán)境下，而空間失重環(huán)境下的實驗過程和地面上的過程完全不一樣。因此，需要仔細研究如何在失重環(huán)境條件下來完成整個細胞培養(yǎng)過程。所有的實驗流程都要完全符合天上的環(huán)境條件，當(dāng)時對我們來說有很大的不適應(yīng)性，不知道該怎么做。

其次，“天上”的實驗是一次性的，成了就成了，如果不成，前面四五年的努力就是白費，人力、資金投入全都是損失。所以，對于可靠性這一點是要求非常嚴(yán)格的。

另外，時間要求也非常嚴(yán)格。在“天上”做實驗之前，需要在地面上將細胞培養(yǎng)在實驗裝置里，然后運輸?shù)桨l(fā)射塔，通過航天器送入太空，并轉(zhuǎn)運到空間站內(nèi)。每一個階段所需時長是多少？中間可能會斷電，有一些時間的間隔，以及其他一些不確定因素的影響，因此需要考慮的問題也是方方面面的，比如貨運飛船上去了，跟空間站對接了，對接的時間是多長？會不會發(fā)生變化？即使對接好了，樣品多長時間能夠拿出來，放到空間站的機柜里去做實驗？這些因素都不是我們平常在地面實驗室里做實驗可以想象的，特別是臨發(fā)射的時候，都是按倒計時來進行計算的，其中可能會出現(xiàn)的時間變化，對細胞會有什么影響？對細胞質(zhì)量會有什么影響？所有的不確定因素都要考慮在內(nèi)。

模擬演練實驗都是做過驗證的實驗，能夠保證細胞在“天上”正常地開展科學(xué)實驗，整個驗證過程中，對我們整個團隊的研究人員和技術(shù)人員都是一種考驗。所幸，經(jīng)過三次“天上”的實驗，我們團隊已經(jīng)積累了比較多的經(jīng)驗。能夠連續(xù)三次開展空間科學(xué)實驗，的確是需要克服很多困難的。

干細胞技術(shù)治病前景可期

《小康》·中國小康網(wǎng)：干細胞療法的推廣情況是怎樣的？費用是怎樣的？如果費用過高，對于普及是不是一種障礙？

王金福：我不是臨床專家，在此只不過談?wù)勛约旱囊稽c淺薄見識。我想，不僅是干細胞治療，包括其他免疫細胞治療在臨床上的應(yīng)用，將會是繼藥物治療與手術(shù)治療之后的臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展的新方向。特別是干細胞，由于其具有強大的增殖能力，同時又有多向和定向分化能力，所以可以作為優(yōu)質(zhì)的種子細胞應(yīng)用到臨床，這對于科學(xué)家、臨床醫(yī)生、患者的吸引力都非常大。

干細胞有很多種，許多組織里都可以找到干細胞，還有胚胎干細胞、誘導(dǎo)多能干細胞等。不同的干細胞，治療用途不一樣。早期的干細胞臨床應(yīng)用比較混亂，出于資本或商業(yè)的需要，一味夸大作用，造成了混亂的局面。近年來，國家相關(guān)部門針對這樣的混亂情況，出臺了一系列的相關(guān)法規(guī)和政策來規(guī)范干細胞的臨床研究和應(yīng)用。在規(guī)范的政策框架范圍內(nèi)，達到要求才能開展干細胞臨床試驗。

目前大部分干細胞研究都處于臨床前研究或臨床試驗階段。雖然一項新的技術(shù)在臨床上得以應(yīng)用時可能相對費用會比較高，但我相信，隨著正規(guī)的臨床應(yīng)用范圍擴大，干細胞治療費用肯定會逐步降下來的。

《小康》·中國小康網(wǎng)：您如何看待干細胞療法應(yīng)用于臨床的未來？

王金福：干細胞療法如果在臨床上鋪開應(yīng)用的話，可以說醫(yī)學(xué)進入了新的發(fā)展階段。首先，干細胞具有自我的增殖能力，在體外通過一定的培養(yǎng)技術(shù)，可以對干細胞進行大量增殖，滿足臨床上的應(yīng)用需求。其次，干細胞是具有分化潛能的細胞。不同的干細胞分化潛能不一樣，我們一直在研究的骨髓間充質(zhì)干細胞，它可以分化成中胚層相關(guān)組織的細胞。由于干細胞具有這兩種特性，使得它可以在臨床上有多方面應(yīng)用前景。

最后，干細胞對所在組織的其他細胞有一定的調(diào)控作用。干細胞可分泌產(chǎn)生各種各樣的細胞因子，對周圍的細胞也會產(chǎn)生旁分泌作用。因此，干細胞在不同的疾病治療上，應(yīng)用是很廣的。醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域公認的細胞治療，包括干細胞治療，將來在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域會發(fā)揮重要作用。關(guān)鍵在于細胞的質(zhì)量和應(yīng)用技術(shù)要規(guī)范化。一種細胞治療技術(shù)進入到臨床試驗，有非常嚴(yán)格的要求，要經(jīng)過嚴(yán)格的細胞藥物規(guī)范要求審批，要做藥效、質(zhì)量認證、安評等，所有的臨床試驗驗證必須符合有效性、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等要求。