中国宇航学会理事 解放军总医院南楼呼吸科教授 刘长庭 
  
  

　　随着我国“神舟”系列飞船、“天宫一号”等航天计划的实施，对空间生物医学的研究提出了更高要求，也提供了难得的实验平台。

　　空间环境是空间科学研究一个重要领域，具有超高真空、超洁净、微重力、强辐射的特点，利用这一环境进行相关的医学研究具有重要意义。利用空间环境的特殊性来研究生物医学，不仅可以解决航天医学保障问题，而且可以帮助人类理解和解决某些重大生命科学问题，包括生命起源、演化、个体和系统发育乃至疾病发生机理、生物制药等。

　　返回式航天器包括卫星、飞船和空间实验室，可以提供空间环境研究平台。依托国际空间站（ISS），国外实验的成功概率非常低下（NASA开展的细胞生物技术操作支持系统研究中，太空培养的6种细胞仅存活了3种）。我国在这一领域的研究目前处于起步阶段。

　　“神舟八号”飞船发射升空，为这类研究提供了很好的平台：通过搭载利用空间环境实验平台，研究空间环境对细胞生长规律的影响及敏感基因在其中的作用，研究正常菌群在空间环境下致病性的改变，研究空间环境诱变对生物制剂的改变，对揭示空间生物医学基本规律、保障航天员身体健康和工作效率、解决一些医学难题和生物制药等有重要的理论和实践意义。本项目立足于国家的重大需求，有助于解决研究生命科学领域重大的理论和实践问题，服务人类健康。本次“神舟八号”搭载细胞、微生物系列研究空间实验，我们期待着很多疑问的揭秘。

 

　　会影响微生物致病性吗？

　　太空环境条件十分复杂，如微重力、宇宙辐射、密闭的环境等因素对航天员及空间站中的某些微生物致病性都会产生影响。一方面，微重力导致机体免疫功能下降；另一方面，在微重力环境下，某些微生物的毒力和致病性可能会发生改变，对外界环境抵抗力增强以及对抗生素的敏感性下降。以上两方面的原因都将增加航天员发生感染的风险，因此，有关微重力环境下微生物致病力以及药物敏感性变化的研究越来越重要，在我国后续空间站长期驻留任务中，这一问题的解决直接关系到航天员长期空间驻留的安全性。

　　关于失重对微生物致病力及药物敏感性的研究仍存在很多亟待解决的问题。因此，“神舟八号”通过搭载多种细菌、微生物、生物工程细胞和菌株，期望研究空间失重对病原菌重要致病因子的影响并分析其机制，制定相应的防护和治疗措施，对保障航天员的健康具有重要的意义，并能为航天员在轨安全提供理论依据。同时，通过研究微生物上述的变化，有助于为人类难治感染性疾病的防治寻找新的突破口和治疗靶点。

 

　　可否找到新生物制剂？

　　空间生物制药是当代空间技术发展的产物。其基本原理是利用空间环境使相对呈漂浮伸展状态的生物染色体受到外界因素的冲击，引起碱基的缺失、置换或插入，从而改变基因内部原有的碱基及排列顺序，引起表型发生改变，产生新的遗传变异，返回后再经地面筛选，试图培养出高产、优质的生物新品种、新品系和效价高、品质优的生物制剂种子。

　　目前，大多生物制剂是由经基因重组含有其基因的工程种子，包括细胞和微生物等生产制备的。例如重组粒细胞集落刺激因子是由带有经重组含有其基因质粒的大肠杆菌发酵生产的，这些菌株都是在地面条件下经基因工程得到的微生物株，空间环境下它们的稳定性、种子密度、培养周期及生物表达是否会有改变、它们表达的生物制剂的生物活性有没有变化，都是急需解决的科学问题。

　　本项目通过空间搭载重组粒细胞集落刺激因子、干扰素、白介素2等工程菌株，研究如何利用空间环境提高生物制药的产量和活性，可为人类疾病的治疗提供更多更好的生物制剂，对于空间生物制药的理论探索和实践具有重要的指导意义，并可试图为空间生物制药开拓新的领域。 #p#分页标题#e#

 

　　干细胞分化潜能会被激发吗？

　　骨髓间充质干细胞由于具有多向分化潜能、免疫原性低、扩增容易等特性，是目前临床研究和组织工程学中极有应用前景的干细胞之一，与许多疾病的发生、发展和治疗息息相关。

　　关于微重力对于骨髓间充质干细胞分化方向的影响，目前还有待进一步研究，对各脏器功能的影响也不明确，本次研究的实验数据将有重要意义。

　　另一方面，研究表明，因细胞在失重环境中有一定程度的三维空间自由，有利于细胞与细胞、细胞与基质之间按组织学特性相互接触，有利于细胞的存活、扩增和分化。目前虽然已经了解骨髓间充质干细胞有多项分化潜能，但是调节干细胞定向分化的措施是目前地面研究面临的一个瓶颈问题。研究空间环境对骨髓间充质干细胞分化的影响，有利于解决这个瓶颈问题。并且利用微重力环境进行组织的三维重建，有助于解决组织或者器官再造的难题，为干细胞的基础研究和临床应用提供新的策略。

 

　　能锁定肿瘤基因治疗新靶点吗？

　　肺癌是最常见的原发性恶性肿瘤，现代分子生物学的不断发展给肿瘤治疗带来了新的希望。随着DNA重组技术和基因转移技术的逐步成熟，肺癌的基因治疗成为很有发展前景的治疗方法。研究空间环境对肿瘤致病力和基因组的影响，可能会发现新的治疗靶点，给肿瘤的基因治疗提供新的契机。

　　另外，增强免疫原性，改善抗原提呈细胞的提呈能力是疫苗研究期待解决的问题。空间环境的影响可能有助于这个问题的解决。空间环境可以导致机体免疫功能的下降，但是其机理和对抗措施尚需进一步的研究。

　　本次我们选用单核细胞进行搭载，研究空间环境对单核细胞的影响，找出空间环境导致单核细胞防御功能下降的机制，为找到对抗措施研究提供新的靶点。进一步研究空间环境对单核细胞产生细胞因子和炎症因子的影响，找出调节单核细胞分泌细胞因子的措施，利用空间环境的影响生产细胞因子，为生物制剂的研究提供科学依据。

 

 

　　国内外已有的研究进展

　　微生物空间实验研究进展

　　在空间站中已检测出包括大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌等多种微生物。这些微生物在空间微重力环境下出现生理生化和遗传性状等变异，使一些微生物在毒力、抗生素敏感性等方面发生了改变。如2000年Nickerson等发表的研究表明，胃肠道接种经模拟失重处理的沙门氏菌可导致小鼠死亡率上升，生存时间缩短。该研究结果得到了2007年亚特兰蒂斯号航天飞机空间实验结果的支持。其中不少研究涉及微生物与抗生素关系的变化。应该指出的是，并非所有微生物在微重力条件下对抗生素敏感性的变化都是一致的。Rosadoa等对模拟失重条件下生长的金黄色葡萄球菌的研究表明，与对照组相比抗生素敏感性无明显变化。

　　细胞学空间实验研究进展

　　大量的地面模拟和空间实验已表明，微重力和辐射都可以影响细胞基因与蛋白的表达，从而影响细胞的功能与结构。Ward等利用含18400个基因的芯片对模拟失重后活化的T淋巴细胞基因表达进行分析，发现了4%~8%的差异表达基因。在模拟失重状态下，Mangala等检测了TK6人淋巴细胞microRNA的表达，发现了7个有明显差异的microRNA，并用基因芯片技术和PCR技术证明了转录因子EGR2、ETS1和c-Rel发生了改变，促使细胞表面的CD分子发生改变，进而导致免疫功能下降。Tian等发现空间飞行能够调节小鼠肺脏细胞外基质、黏附、促纤维化分子的改变。此外，针对成骨细胞、骨髓间充质细胞也有不少研究。

　　空间失重可以导致一些细胞自身防御相关基因的表达发生改变，进而影响相关功能蛋白的表达量。例如，血管内皮细胞在微重力的环境下可以通过下调PI3K/Akt通路，上调NF-κB，解聚蛋白F-actin来诱导细胞凋亡；模拟失重可使甲状腺滤泡癌凋亡相关蛋白表达量提高，从而增强肿瘤细胞的凋亡。 #p#分页标题#e#

　　生物工程菌株空间实验研究进展

　　生物药物原料以天然的生物材料为主，包括微生物、细胞等。生物药物的特点是药理活性高、毒副作用小，营养价值高。生物药物的阵营很庞大，发展也很快。目前全世界的药品已有一半是生物合成的，特别是合成分子结构复杂的药物时，它不仅比化学合成法简便，而且有更高的产量和活性。微生物和动植物细胞是目前药品的主要来源，但有些药物的地面生产能力非常有限，价格昂贵。于是利用微生物和动植物细胞的航天搭载技术来生产出更多、性状更好的药物，成为航天技术应用于制药行业的重要课题。发达国家近年对太空制药十分重视，美国已选出20种每克价值140万~3000万美元的药物，准备进行空间生产，预计本世纪初将会形成一个600亿美元产值的空间制药业。生物制剂是生物制药的产品，不同的生物制剂由不同的工程种子细胞和菌株产生。例如，粒细胞集落刺激因子是促进白细胞生成的细胞因子，它的制备是通过工程菌即经重组含有其基因的大肠杆菌发酵产生的。利用空间环境的特殊性，研究生物工程菌株的良性突变，可能是提高生物制剂产量和活性的有效途径。