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谭笑古今

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【转载】天舟一号上天的特殊任务:研究如何对付骨质疏松  

2017-05-01 06:24:04|  分类: 科学研究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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天舟一号上天的特殊任务:研究如何对付骨质疏松

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2017-04-30 14:26:59环球网     

天舟一号虽然是货运飞船,却也承载了不少科学实验。其中就包括要搞明白宇航员在太空会骨质疏松究竟是怎么回事?科学家们还要进行抗失重情况下的骨质疏松新药开发。为什么要去太空进行这方面的研究?那里的实验和在地面实验有何不同?

宇航员在太空会骨质疏松,他们要搞明白是为什么

天舟一号飞向太空时装载了超过6吨的物资与设备,这其中有一个来自浙江的生命科学项目:浙江大学生命科学学院王金福教授团队实验室的人骨髓间充质干细胞,将搭载天舟一号进入太空,开展骨细胞定向诱导分化实验。这个实验将探究太空微重力环境对干细胞分化潜能影响的原因,在世界上尚属首次。

王金福实验室的干细胞,是第二次飞向宇宙了。去年4月,专为科研设计的中国首颗微重力科学实验卫星“实践十号”上搭载的19位“乘客”中,其中就有王金福课题组的两组、大约50万个人体干细胞。科学家想搞明白:在微重力环境下,骨髓中干细胞生成骨细胞的过程,有什么异常。

对这种“异常”进行探索的最初动力是,自从1961年人类首次冲出地球后,所有宇航员刚回到地球,有好一段时间都“腿软”,不要说走路,站也站不起来。仅仅因为重力环境的改变,好汉都不得不服软?一定是维持生命工作的细胞发生了什么变化。

王金福团队的两组培养单元里的细胞任务周期不同:一组只需要2天;另一组则进行7天实验。两组干细胞同时开始在诱导液的作用下,在天上进行骨细胞诱导分化。这个过程,完全模拟了人体内干细胞分化成骨细胞的过程,也就是长骨钙的过程。第一组完成两天诱导后,形成的新细胞被自动裂解并低温保存;第二组完成一周诱导后,形成的新细胞被固定并低温保存。

“通过分析我们发现,第一个单元的细胞状态表明,干细胞到了太空,促使骨细胞分化相关的基因和蛋白表达水平的活性降低了;第二个单元里,干细胞变成骨细胞的量,比地球上做的比对实验产生的量要少得多。”

科学家们此前的研究表明,宇航员在微重力的环境中,骨质流失加剧。王金福团队的实验证明,在太空微重力环境下,不仅人会丢失骨钙,就连形成骨钙的机制也发生了问题。

王金福团队是全球第一个通过太空实际微重力实验,证明这个结论的团队。

“实践十号的实验结果分析表明,微重力环境下,骨质的流失和生成两个方面同时发生作用,最终使宇航员患上严重的骨质疏松。”王金福说,“但干细胞定向分化为骨细胞的过程,还一直没有在真正的太空微重力环境中得到直观的详细观察。”

所以干细胞,又要上天了。在火箭发射前24小时,王金福团队将把4个单元的干细胞(大约1000至10000个细胞)放入培养皿里。发射前5小时,这些细胞被装入反应器,入驻货运飞船。

跟着天舟一号飞天的这批干细胞,与飞船一样,不再返回地球。当天舟一号与天宫二号对接后,反应器会开始工作。细胞们在太空中的一举一动,会被地球上的科学家实时观察到。

空间实验的方法和地面实验的不太一样

此外,这次清华大学陈国强团队也将在天舟一号上开展有关抗失重情况下的骨质疏松新药开发的一系列科学实验。

该实验所验证的药物是血液中天然代谢产物酮体的主要成分:3-羟基丁酸(3HB)。此前,科研人员已经在地面上进行了多年的细胞和动物实验,证明了其有促进成骨细胞生长、遏制破骨细胞的作用,对地面和微重力模拟状态下的骨质疏松治疗效果很明显。这次是3HB首次作为用于治疗骨质疏松的药物进行空间微重力实验。

究竟如何实验?首先需要观察3HB处理后,对于成骨破骨细胞、骨生物力学性质的作用,观察其对于骨质疏松的预防效果。接着,在地面上,采用鼠尾悬吊模型,模拟微重力环境诱导骨质疏松,研究3HB对于骨微观结构的影响,初步确定其体内药效作用。然后,才在天舟一号上的真实微重力环境下,于细胞水平上研究3HB对于微重力诱导骨质疏松的治疗效果。最后,还需要探索天舟一号货运飞船发射前后的地基匹配实验,为真实微重力环境下细胞药效实验的开展摸索并优化实验条件,保证空间3HB作为骨质疏松潜在药物研究的顺利完成。

整个实验过程,空间实验的方法和地面实验的不太一样。在地面动物实验中,采用了鼠尾悬吊的实验方法。通过把小鼠后肢悬吊,在后肢产生一个无重力效果,导致后期小鼠后肢骨质疏松。通过灌注3HB的对照,悬吊的后肢骨质疏松显现消失。但是本次天舟一号并不载人,因为没有人照顾动物,也就无法带动物上去,所以这次空间实验的对象是细胞,观察成骨细胞在微重力的条件下是否能在3HB的作用下促进生长。

而且,作为货运飞船,将不再返回地面,所以只能通过遥控显微镜对成骨细胞的生长在有3HB和无3HB 的条件下进行观察,并从发回来的照片中获知实验结果。

那么,为什么一定要去太空研究抗骨质疏松药物?专家表示,这是因为在地面上已经通过模拟失重状态的方法进行了一些实验,但是航天员在航天飞行时所处的环境及所受的影响比较复杂,地面模拟实验是无法完全模拟的。利用天舟一号所提供的空间真实微重力环境,可以研究骨质流失干预药物3HB在真实太空微重力环境下的成骨作用;同时,通过对比地面模拟失重和太空真正失重两套系统得到的数据,可以做出更为准确的判断,对微重力模拟实验领域的研究方法提供一些新的看法和建议。

我国骨质疏松症患者

现有约9000万

宇航员因为失重环境而无法正常产生骨钙;地球上的人,随着年龄增长,同样会出现“腿软”的问题。因为,目前全世界的补钙产品,都还不能真正有效地帮助骨钙产生。而在骨钙既不能正常生成又在不断流失的情况下,仅仅通过锻炼是不够的。

一个事实可以证明这一说法。从2015年3月27日开始的340天,美国航天局宇航员斯考特·凯利在国际空间站工作了近一年。这一年,他成了网红——几乎每天在社交平台上和地球上的人们互动。除了拍摄地球上各个角落的图片,展示空间实验,他展示最多的是他“练块儿”的照片。但就算练出马甲线、人鱼线,斯考特大叔也只能暂缓外太空中骨细胞急剧减少的状况。回到地面后还是有好几天他是站不起来的。
 

就算你此生不想去太空,你在地球上也有可能面临同样的窘境。据统计,我国现约有9000万骨质疏松症患者,60岁以上老年人的骨质疏松发生率达56%,绝经后妇女更是高达60%至70%。有专家认为,随着人口的日益老龄化,骨质疏松症的发病率还会同步增长,预计到2050年将可能激增至2亿多人。

骨质疏松症是一种全身性代谢骨病,表现主要为疼痛、身材变矮、易发生骨折,这是目前世界上绝经后妇女、中老年人中发病率、死亡率及保健费用消耗较大的疾病之一。它也被称为“无声杀手”,是因为人们无法感觉到骨质的慢慢流失,多数人没有明显症状,而随着年龄增加,骨钙在不断流失,其巨额防治费用以及患者在日常生活中对家庭成员的依赖,将给社会造成沉重的负担。

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