干細胞出征太空“對抗”骨質流失

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用，將會是繼藥物治療與手術治療之后的臨床醫學發展的新方向。

載人航天的發展是我國航天強國戰略的重要組成部分，骨質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，浙江大學生命科學學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變化的主要原因之一。時隔一年后，2017年4月，他帶領團隊，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分化實驗，進一步確認了細胞外力學信號的變化是引發干細胞分化方向變化的直接原因。

在依托“實踐十號”實驗衛星和“天舟一號”貨運飛船開展初步科學探索的基礎上，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年獲批并承擔國家載人空間站工程應用系統第一批干細胞項目，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的生物技術實驗設備“會師”。

王金福教授從事生物科學實驗已有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實踐機會?！蓖踅鸶＝淌诒硎?，他與團隊希望通過每一次的空間科學實驗，解決空間環境造成骨質變化的一個個科學問題，為明確空間失重環境造成骨細胞生成發生改變的關鍵分子靶點提供可靠的科學依據，為將來開展相關藥物研發奠定基礎。

為人類健康事業賦能

《小康》·中國小康網：在新冠疫情催化下，干細胞療法迅速站上“風口”，被國家列入“三藥三方案”重點發展領域，與新冠治療有關的18個攻關項目陸續獲批，迎來高速發展戰略機遇期。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，特別是上呼吸道，嚴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方面的治療作用，近期也有一些相關臨床研究。

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末開始發展起來的。經過20多年，對干細胞的基礎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，發揮著很重要的作用，比如它可以替代受損傷的細胞來修復組織。近年來，干細胞的臨床應用研究很多，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疾病的治療上，將會有很多的應用前景。

《小康》·中國小康網：如果把“人骨髓間充質干細胞”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、中國科學院項目，以及國家973計劃項目的支持，目標是通過干細胞的研究，在未來人類的疾病治療、組織損傷修復等方面發揮作用。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，以及骨修復作用的研究。后期我們結合空間生命科學研究的需求，進一步開展了空間微重力環境下人類的骨丟失及其分子機制方面的一些基礎研究，這些基礎理論研究將來也會逐步轉向臨床應用。

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，并應用于臨床骨組織損傷修復。

在空間生命科學研究方面，利用人骨髓間充質干細胞，研究空間環境導致骨質變化的分子機理、分子靶點，在此基礎上研究相關藥物以及藥物的調控作用，并與藥物研究或是臨床研究結合起來，將研究成果應用到醫學方面。

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

揭示人體骨質疏松原因

《小康》·中國小康網：您負責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現和收獲？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“骨髓間充質干細胞”的體外增殖培養，構建骨組織，將來可向人工骨和修復骨損傷方向發展。在研究過程中，除了采取細胞因子等誘導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。在構建骨組織的過程中，不用或者少用化學試劑，直接利用物理的作用，比如讓培養液流經細胞表面，液體流動過程中對細胞產生的剪切力可促進干細胞向骨細胞分化。

后來，我們關注到有關報道——宇航員在“天上”長期處于失重的環境條件下，脫離了地球的重力作用，導致宇航員的骨質產生變化，發生嚴重的骨質疏松。人類在天上一個月的骨量丟失，相當于孕婦一年的骨量丟失。那么，骨質變化是不是跟骨生成有關系？正常人的骨質也是處于動態平衡過程中，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狀態。如果骨質丟失多，而生成減少，就容易產生骨質疏松。

我們設想：是不是在天上失重的環境條件下因為失去力的作用，而導致干細胞生成骨細胞的能力降低？當時，我們實驗室采取了地面模擬微重力效應的方法，來觀察是不是干細胞分化成細胞的能力降低了。經比較發現，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，轉而分化成了脂肪細胞，跟老年人的骨質疏松非常相似——骨細胞減少，脂肪細胞增多。由于環境條件的改變導致細胞分化能力的變化，有必要在“天上”開展相應的科學研究進行驗證。

2011年，中國科學院有一批先導專項，發射4顆衛星，其中有1個衛星叫“實踐十號返回式科學實驗衛星”，搭載著19項創新性的科學實驗，相當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，找到關鍵的分子靶點。還有，我們是否可針對分子靶點采用相應的藥物來改變空間環境造成的骨生成降低。這項研究對解決空間人類骨質變化及其預防和治療具有重要的科學意義，因此被立項成為“上天”的19個項目之一。

正式發射衛星是2016年，中間5年的時間，我們需要在地面上做很多準備工作，要解決細胞培養的實驗裝置問題。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，發現空間環境下，確定干細胞分化成骨細胞的能力大大降低，轉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，發現骨細胞分化相關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的基因和蛋白表達水平增加了，這就說明空間失重環境導致相應的分子表達和活化水平發生了改變，從而引起干細胞的分化方向發生了改變。從這里我們找到了細胞里影響分化的關鍵分子靶點，這是我們第一步的工作。

第二步，為什么細胞外面的力學信號改變會引起細胞內的化學信號改變？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實驗，跟衛星不一樣，這次貨運飛船是不返回的。在前面的衛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，可觀察到細胞形態在空間實驗過程中會發生什么變化。因為有顯微圖像，我們還可通過熒光標記觀察到細胞內的結構有沒有發生改變。

細胞外的力學作用會導致細胞膜內側形成黏著斑，并由此引起細胞內其他蛋白活性發生改變。但是太空空間重力非常低，斑點稀少且微小。這說明細胞外力學信號影響了細胞膜內側黏著斑的形成，從而導致細胞內的相關細胞信號通路發生改變。

此外，我們在衛星的科學實驗中發現了細胞內的相關基因表達水平也發生了改變，比如骨細胞分化相關的基因表達水平下降了，脂肪細胞相關的基因表達水平上升了。那么，表達水平為什么會變化？是不是基因結構發生改變？這就是我們要做的——研究骨細胞和脂肪細胞分化相關基因的表觀遺傳學特征是不是發生了改變？

去年11月12日，“天舟五號”貨運飛船在文昌航天發射場順利升空，我們團隊研究的人骨髓間充質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，我進行技術指導。此次的主要研究任務是“為什么基因表達水平會發生變化”。空間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顯微圖像傳輸，這次“上天”等于把前兩次空間實驗的優點都結合起來。這次我們主要研究細胞內與分化相關的基因表觀遺傳學特征變化，看看相關基因的甲基化或乙酰化水平有沒有發生改變。因為甲醛化水平和乙?；降母淖儠绊懟虻摹伴_”和“關”，所謂“開”就是促進它表達，所謂“關”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境導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節。希望通過調節分子靶點，促進骨細胞恢復正常的生成，適當降低脂肪細胞分化。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疏松，也提供一定的解決途徑。

《小康》·中國小康網：2005年，您們團隊將干細胞生物學與航天醫學結合，形成交叉學科，研究空間環境干細胞生物學。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實踐。關于空間環境下骨生成的減少以及相應的機制研究，我們的研究在國內是比較前沿的，但這樣的學科交叉，有一個循序漸進的轉方向過程。

遇到比較困惑的問題是：首先，原來在地面實驗室里做實驗，是在正常的重力環境下，而空間失重環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境條件下來完成整個細胞培養過程。所有的實驗流程都要完全符合天上的環境條件，當時對我們來說有很大的不適應性，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格的。

另外，時間要求也非常嚴格。在“天上”做實驗之前，需要在地面上將細胞培養在實驗裝置里，然后運輸到發射塔，通過航天器送入太空，并轉運到空間站內。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，特別是臨發射的時候，都是按倒計時來進行計算的，其中可能會出現的時間變化，對細胞會有什么影響？對細胞質量會有什么影響？所有的不確定因素都要考慮在內。

模擬演練實驗都是做過驗證的實驗，能夠保證細胞在“天上”正常地開展科學實驗，整個驗證過程中，對我們整個團隊的研究人員和技術人員都是一種考驗。所幸，經過三次“天上”的實驗，我們團隊已經積累了比較多的經驗。能夠連續三次開展空間科學實驗，的確是需要克服很多困難的。

干細胞技術治病前景可期

《小康》·中國小康網：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，在此只不過談談自己的一點淺薄見識。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用，將會是繼藥物治療與手術治療之后的臨床醫學發展的新方向。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，所以可以作為優質的種子細胞應用到臨床，這對于科學家、臨床醫生、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用比較混亂，出于資本或商業的需要，一味夸大作用，造成了混亂的局面。近年來，國家相關部門針對這樣的混亂情況，出臺了一系列的相關法規和政策來規范干細胞的臨床研究和應用。在規范的政策框架范圍內，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。雖然一項新的技術在臨床上得以應用時可能相對費用會比較高，但我相信，隨著正規的臨床應用范圍擴大，干細胞治療費用肯定會逐步降下來的。

《小康》·中國小康網：您如何看待干細胞療法應用于臨床的未來？

王金福：干細胞療法如果在臨床上鋪開應用的話，可以說醫學進入了新的發展階段。首先，干細胞具有自我的增殖能力，在體外通過一定的培養技術，可以對干細胞進行大量增殖，滿足臨床上的應用需求。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干細胞，它可以分化成中胚層相關組織的細胞。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用前景。

最后，干細胞對所在組織的其他細胞有一定的調控作用。干細胞可分泌產生各種各樣的細胞因子，對周圍的細胞也會產生旁分泌作用。因此，干細胞在不同的疾病治療上，應用是很廣的。醫學研究領域公認的細胞治療，包括干細胞治療，將來在臨床醫學領域會發揮重要作用。關鍵在于細胞的質量和應用技術要規范化。一種細胞治療技術進入到臨床試驗，有非常嚴格的要求，要經過嚴格的細胞藥物規范要求審批，要做藥效、質量認證、安評等，所有的臨床試驗驗證必須符合有效性、安全性、標準化等要求。