模擬太空失重對雌性大鼠生殖功能的影響

@研究目的

探索太空是人類拓展生存空間的必然選擇，女性在航天中相比于男性具有“耐久力更強，心理更穩定；耐寂寞更強，感覺更敏銳；心思更細膩，考慮更周全”等優勢。2010年6月28日，美國國際空間站的6名宇航員中就有3名為女性，中國的“天宮一號”載人航天飛行計劃，女宇航員也參與其中。在久遠的將來，太空移民更離不開女性。失重是太空環境對人體的重大威脅之一，失重環境對女性生殖和生理功能的影響目前還不清楚。本項目利用模擬太空失重動物模型，研究失重狀態對雌性大鼠生殖功能和生殖生理的影響，從而為未來保護女性措施的研究提供理論依據和實驗基礎。

研究方法

利用國際公認的大鼠尾部懸吊法建立模擬太空失重狀態的大鼠模型，將大鼠分為模擬失重7天組、模擬失重14天組和模擬失重21天組，3個對照組是與模擬失重組鼠齡對應的自由活動組。在此動物模型上，進行下列3個層面的實驗。

◇宏觀實驗：將失重處理后的雌性大鼠及同齡正常對照雌性大鼠與健康雄性大鼠合籠，比較兩者的妊娠率、產仔鼠數、仔鼠存活率和仔鼠畸形率。

◇微觀實驗：應用石蠟切片、蘇木素一伊紅染色技術方法，顯微鏡觀察實驗動物卵巢的微細結構變化；應用組織衰老特異性脂褐素原位染色技術，顯微鏡下檢測卵巢組織細胞的衰老變化。

◇分子實驗：在分子層面上檢測了調控生殖功能和生殖生理的多種激素和分子表達狀況，以求更深入地探討失重狀態影響雌性大鼠生殖功能變化的分子機理。應用酶聯免疫吸附實驗檢測血清中雌二醇、卵泡刺激素和黃體生成素的水平，這3種激素是調控雌性生殖功能和生殖生理的主要激素。應用逆轉錄熒光定量PCR技術，檢測卵巢組織中與細胞衰老密切相關的端粒酶逆轉錄酶和p53、p16、p21和p27分子的mRNA表達狀況；PCR-酶聯免疫吸附實驗檢測端粒重復序列的含量以推測端粒酶活性；應用免疫組織化學方法檢測p53、p16、p21和p27分子的蛋白表達狀況。

具體研究方案見圖1。

我們以美國航空航天局認可和國際公認的尾部懸吊失重大鼠技術參數為標準，設計了“尾部懸吊模擬失重大鼠飼養與觀察籠”。失重大鼠，前肢踏于籠底，軀干與籠底水平面呈30度角，后肢懸空固定于籠頂。我們在籠頂兩側安裝兩條滑軌，滑軌之間連接一條滑竿，滑竿上掛接有一滑動掛鉤，通過鐵鏈與懸吊大鼠尾部相連，使大鼠在懸吊失重狀態下可自由活動。失重籠的正面和左右側面為有機玻璃，前、后壁下部各固定一層不透明鋼片，側壁下部各固定一個透明角度計，并有一層可移動不透明鋼片。觀察大鼠懸吊角度時，將不透明鋼片拉出，觀察完畢，將不透明鋼片推回，避免外界因素對大鼠干擾。見圖2。

實驗結果

與對照組相比，模擬失重組雌性大鼠的產仔數減少，仔鼠存活率下降，見圖3。各模擬失重組雌性大鼠所產的仔鼠無肉眼可見的畸形；模擬失重組大鼠卵巢中卵泡的數量比對照組明顯減少；卵巢組織的細胞衰老指數顯著升高；血清中雌二醇水平下降，卵泡刺激素和黃體生成素水平上升，與對照組相比差異顯著；卵巢細胞衰老相關的端粒酶受到抑制，其降低程度與失重時間呈正相關，衰老相關的細胞周期調控分子p53、p16、p21和p27在mRNA和蛋白水平上的表達均顯著升高。

與對照組相比，模擬失重組大鼠產仔鼠數量減少并有死胎（圖3中箭頭所指）。

本實驗結果顯示，模擬失重可導致雌性大鼠生殖功能障礙，生殖功能障礙的發生與模擬失重引發卵巢組織細胞衰老、增殖活性降低和下丘腦—垂體一卵巢軸內分泌功能紊亂密切相關；這一實驗結果為進一步研究失重危害女性生殖功能的防護措施提供了理論依據和實驗基礎。

“模擬失重對雌性大鼠生殖功能影響”研究結果圖示見圖4。

@討論

為研究失重對卵巢功能的影響，本項目選用了國際通用的鼠尾懸吊模型來模擬太空失重狀態，檢測其對雌性大鼠生殖功能的影響及其發生機制。我們分別將模擬失重7天、14天和2l天的雌性大鼠與正常雄性大鼠合籠交配，通過與自由活動的對照組雌性大鼠比較，發現模擬失重組雌性大鼠生育的仔鼠數量減少、仔鼠存活率下降。由此可見，尾懸吊模擬失重會影響雌性大鼠的生育能力。在此基礎上，我們對失重影響雌性大鼠的生殖功能的機制進行了比較深入的研究。

研究表明，鼠尾懸吊模擬失重可引起卵巢功能衰退導致其性激素分泌減少。

為了探明失重狀態下卵巢的組織結構是否發生了異常改變，我們通過對各組大鼠組織切片進行了顯微鏡觀察，發現模擬失重組大鼠卵巢中卵泡數量明顯減少。為了探明失重狀態是否會引發卵巢組織發生衰老性退變，我們對組織切片進行衰老特異性的脂褐素染色，結果發現失重組大鼠卵巢組織染色程度顯著高于對照組，表明失重可使雌性大鼠卵巢細胞發生衰老性退變。細胞衰老是指細胞周期停滯，但在一段時間內仍保持代謝活性，端粒縮短。為明確尾懸吊模擬失重導致卵巢細胞衰老的分子機制，我們運用逆轉錄熒光定量PCR和免疫組化技術對上述衰老相關的重要分子在mRNA轉錄水平和蛋白水平的表達進行了檢測。結果顯示，與各對照組相比，各模擬失重組端粒酶mRNA轉錄受到抑制，而p53、p16、p21和p27的mRNA轉錄則顯著上升。實驗結果還表明，模擬失重可導致大鼠卵巢細胞端粒酶活性下降，細胞增殖周期受阻，細胞發生衰老，卵巢功能和生殖能力受損。

通過本項研究，我們發現，鼠尾懸吊模擬失重可通過以下兩個途徑影響雌性大鼠的生育能力：①抑制端粒酶表達，降低端粒酶活性，阻遏細胞周期，從而誘發卵巢細胞衰老；②通過干擾下丘腦垂體一性腺軸上的激素分泌而抑制卵巢的卵泡發育和正常排卵。隨著人類探索宇宙的不斷深入，將有一定數量的女性在太空長期停留，深入研究失重狀態對女性生育能力和內分泌功能的影響并加以有效防護，是航天科學研究中的一個重要問題。在本項研究取得現有成果的基礎上，可以進一步探討有效干預措施，研究保護太空失重對女性生殖損傷的方法。

@創新要點演示儀，適合于向廣大青少年普及航天醫學知識，具有仿真、環保、智能等特點，已申請發明專利。

@完善本研究的設想

◇理論創新：①發現模擬失重可抑制雌性大鼠卵巢組織端粒酶的表達和端粒酶活性，并激活細胞周期抑制分子導致細胞衰老；②發現模擬失重可導致雌性大鼠雌二醇水平下降，卵泡刺激素和黃體生成素水平上升，下丘腦一垂體一卵巢軸內分泌功能紊亂。模擬失重通過以上兩個途徑導致雌性大鼠生殖功能減退。經國家一級科技查新咨詢單位山東省科學技術情報研究所科技查新結論顯示“未見類似研究報道”。

◇技術創新：以國際公認的技術參數為標準，我們設計了“尾部懸吊模擬失重大鼠飼養與觀察籠”，其性能穩定、簡易方便、有利觀察，已申請實用新型專利。

◇科普展示儀發明：我們研制了“模擬失重大鼠仿真智能化展示儀”，屬于科學技術普及展示器材，為模擬太空失重經典動物模型提供了一種直觀的

進一步完善該項目的方向可以定位于“模擬失重誘發雌性大鼠生殖功能損傷的干預和保護措施”的研究，我們認為可從以下3個方面深化研究。

◇自然恢復實驗：雌性大鼠解除失重狀態，飼養干自由活動空間，在不同時間段，從宏觀水平、微觀水平和分子水平研究“解除模擬失重狀態后雌性大鼠生殖功能損傷的恢復及恢復機制”，該部分研究我們現有的能力和科研條件能夠實施。

◇分子靶向保護：以系統生物學理念為指導，解析失重引發卵巢衰老分子調控網絡和關鍵節點，為建立基于分子靶點的保護失重誘發衰老的新策略提供理論依據；該部分研究理論和技術都較為復雜，我們現有的知識水平和技術能力難以實施，然而，這是我們科學人生追求的目標。

◇中醫中藥調理：將中醫“整體調理，辨證施治”思想與現代醫學理念相結合，利用豐富的中草藥資源，探索中醫辨證以及中藥方劑或單體干預失重致卵巢衰老的新策略。該部分研究具有中國特色，有可能孕育新突破，是今后我們立志追求的科學目標。

該項目獲得第26屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組醫藥與健康學一等獎。

該項目主題新穎、創新性強、科學意義明顯，從宏觀到微觀，從不同層面研究模擬太空失重對大鼠生殖功能的影響，比較系統，符合中學生邏輯思維。充分反映出研究者寬廣的基礎理論和科學研究能力，取得了具有創新性的研究結果。