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  2023年07月《小康》下旬刊
  栏目:封面故事
干细胞出征太空“对抗”骨质流失——专访浙江大学生命科学学院王金福教授

★文 /孙媛媛

中国小康网 独家专稿

  文|《小康》·中国小康网 孙媛媛

  不仅是干细胞治疗,包括其他免疫细胞治疗在临床上的应用,将会是继药物治疗与手术治疗之后的临床医学发展的新方向。

  载人航天的发展是我国航天强国战略的重要组成部分,骨质流失是航天员面临的主要健康问题之一。针对此问题,2016年4月,浙江大学生命科学学院王金福教授和他的团队第一次送干细胞“上天”,确认了失重是宇航员骨质变化的主要原因之一。时隔一年后,2017年4月,他带领团队,又一次将干细胞送上天,借助“天舟一号”货运飞船的升空开展骨细胞定向诱导分化实验,进一步确认了细胞外力学信号的变化是引发干细胞分化方向变化的直接原因。

  在依托“实践十号”实验卫星和“天舟一号”货运飞船开展初步科学探索的基础上,王金福教授、余路阳教授和吴梦瑞研究员组成的干细胞研究团队于2020年获批并承担国家载人空间站工程应用系统第一批干细胞项目,开展微重力条件下骨髓干细胞成骨分化机制研究。

左边是余路阳教授,右边是王金福教授供图受访者.jpg

余路阳教授(左)。王金福教授(右)。供图/受访者

  去年11月12日,“天舟五号”货运飞船在文昌航天发射场顺利升空,王教授和余教授团队的干细胞实验单元也抵达中国空间站,与此前安装在问天舱内的生物技术实验设备“会师”。

  王金福教授从事生物科学实验已有20余年,以前的他从未想过能将研究项目带入太空。“随着我国空间站的建造完成,在未来的空间站运营期间,还将会给我们提供更多的想象空间和科学实践机会。”王金福教授表示,他与团队希望通过每一次的空间科学实验,解决空间环境造成骨质变化的一个个科学问题,为明确空间失重环境造成骨细胞生成发生改变的关键分子靶点提供可靠的科学依据,为将来开展相关药物研发奠定基础。

  为人类健康事业赋能

  《小康》·中国小康网:在新冠疫情催化下,干细胞疗法迅速站上“风口”,被国家列入“三药三方案”重点发展领域,与新冠治疗有关的18个攻关项目陆续获批,迎来高速发展战略机遇期。对此,您怎么看?

  王金福:近三年来,新冠对人类健康的影响确实很大,新冠病毒主要攻击人的呼吸系统,特别是上呼吸道,严重的会引起肺部炎症,或伤及气管等,这些损伤可以通过不同的途径进行治疗。其中,由于干细胞在组织损伤修复方面的治疗作用,近期也有一些相关临床研究。

  干细胞是一类潜伏在我们身体里,具有很强增殖、多向和定向分化能力的细胞,这类研究是从上个世纪末开始发展起来的。经过20多年,对干细胞的基础研究和临床研究都有很大的进展。正因为干细胞具有很强的增殖、多向和定向分化的能力,所以在治疗不同疾病或是组织器官的损伤上,发挥着很重要的作用,比如它可以替代受损伤的细胞来修复组织。近年来,干细胞的临床应用研究很多,因为新冠疫情造成人类健康的影响很大,所以干细胞疗法在其他的组织损伤或者相关疾病的治疗上,将会有很多的应用前景。

  《小康》·中国小康网:如果把“人骨髓间充质干细胞”实验项目比喻成您带大的“孩子”,从他的孕育到成长,到最终发挥作用,这个过程是怎样的?

  王金福:早在2000年,我们就开始研究人的骨髓间干细胞,获得浙江省科技计划项目、国家基金项目、中国科学院项目,以及国家973计划项目的支持,目标是通过干细胞的研究,在未来人类的疾病治疗、组织损伤修复等方面发挥作用。我们早期的研究方向包括干细胞的增殖、定向分化,特别是骨组织的工程化,以及骨修复作用的研究。后期我们结合空间生命科学研究的需求,进一步开展了空间微重力环境下人类的骨丢失及其分子机制方面的一些基础研究,这些基础理论研究将来也会逐步转向临床应用。

  在骨组织工程方面,可以利用干细胞作为种子细胞来开展骨组织工程研究、制备骨组织,并应用于临床骨组织损伤修复。

  在空间生命科学研究方面,利用人骨髓间充质干细胞,研究空间环境导致骨质变化的分子机理、分子靶点,在此基础上研究相关药物以及药物的调控作用,并与药物研究或是临床研究结合起来,将研究成果应用到医学方面。

  总之,针对骨质疏松变化,利用干细胞来研究骨生成减少的机制机理,将来对药物开发研究有重大作用。

  揭示人体骨质疏松原因

  《小康》·中国小康网:您负责和参与了三次空间干细胞项目,对于干细胞疗法有哪些新发现和收获?项目取得了哪些进展?

  王金福:我们早期的主要研究兴趣在“骨组织”研究上,利用骨髓里分离到的一种干细胞“骨髓间充质干细胞”的体外增殖培养,构建骨组织,将来可向人工骨和修复骨损伤方向发展。在研究过程中,除了采取细胞因子等诱导干细胞定向分化骨细胞外,我们还利用一些物理的条件,比如给细胞加力的方式来促进骨细胞分化。在构建骨组织的过程中,不用或者少用化学试剂,直接利用物理的作用,比如让培养液流经细胞表面,液体流动过程中对细胞产生的剪切力可促进干细胞向骨细胞分化。

  后来,我们关注到有关报道——宇航员在“天上”长期处于失重的环境条件下,脱离了地球的重力作用,导致宇航员的骨质产生变化,发生严重的骨质疏松。人类在天上一个月的骨量丢失,相当于孕妇一年的骨量丢失。那么,骨质变化是不是跟骨生成有关系?正常人的骨质也是处于动态平衡过程中,它在不断地丢失,但同时又在不断地生成,只要生成和丢失的量是相等的,就会维持在正常的骨质状态。如果骨质丢失多,而生成减少,就容易产生骨质疏松。

  我们设想:是不是在天上失重的环境条件下因为失去力的作用,而导致干细胞生成骨细胞的能力降低?当时,我们实验室采取了地面模拟微重力效应的方法,来观察是不是干细胞分化成细胞的能力降低了。经比较发现,骨髓的干细胞分化成细胞的能力确实降低了,不向骨细胞去分化,转而分化成了脂肪细胞,跟老年人的骨质疏松非常相似——骨细胞减少,脂肪细胞增多。由于环境条件的改变导致细胞分化能力的变化,有必要在“天上”开展相应的科学研究进行验证。

  2011年,中国科学院有一批先导专项,发射4颗卫星,其中有1个卫星叫“实践十号返回式科学实验卫星”,搭载着19项创新性的科学实验,相当于把一个综合性的实验室搬到了太空。我们提出项目申请,目的是要把干细胞送到“天上”去,看骨细胞的生成能力是不是会降低,导致分化能力变化的原因是什么,以及我们能不能通过分子机制研究,找到关键的分子靶点。还有,我们是否可针对分子靶点采用相应的药物来改变空间环境造成的骨生成降低。这项研究对解决空间人类骨质变化及其预防和治疗具有重要的科学意义,因此被立项成为“上天”的19个项目之一。

  正式发射卫星是2016年,中间5年的时间,我们需要在地面上做很多准备工作,要解决细胞培养的实验装置问题。因为到“天上”去,没有任何人为操作,对细胞进行处理、培养液换液、实验完毕后细胞需要固定和裂解,这些操作过程都需要自动化,我们需要通过一次次的匹配试验与研制细胞培养装置的专家进行合作。

  2016年4月,我们团队第一次送干细胞到“天上”去分别开展为期2天和7天的细胞定向分化实验。两周之后,卫星返回,我们对回收的细胞样品进行了分析,同时地面上也做了对照实验。我们对细胞进行了一系列的检测分析,发现空间环境下,确定干细胞分化成骨细胞的能力大大降低,转而分化成脂肪细胞了。我们同时又对细胞进行了分子水平的检测分析,发现骨细胞分化相关的基因表达水平以及蛋白的活性水平都降低了,而与脂肪细胞分化相关的基因和蛋白表达水平增加了,这就说明空间失重环境导致相应的分子表达和活化水平发生了改变,从而引起干细胞的分化方向发生了改变。从这里我们找到了细胞里影响分化的关键分子靶点,这是我们第一步的工作。

  第二步,为什么细胞外面的力学信号改变会引起细胞内的化学信号改变?这是我们要做的另一项研究。2017年4月,我们参与了天舟一号货运飞船的科学实验,跟卫星不一样,这次货运飞船是不返回的。在前面的卫星实验中还没有实时观测的条件,而在货运飞船上,我们通过显微图像实时传输,可观察到细胞形态在空间实验过程中会发生什么变化。因为有显微图像,我们还可通过荧光标记观察到细胞内的结构有没有发生改变。

  细胞外的力学作用会导致细胞膜内侧形成黏着斑,并由此引起细胞内其他蛋白活性发生改变。但是太空空间重力非常低,斑点稀少且微小。这说明细胞外力学信号影响了细胞膜内侧黏着斑的形成,从而导致细胞内的相关细胞信号通路发生改变。

  此外,我们在卫星的科学实验中发现了细胞内的相关基因表达水平也发生了改变,比如骨细胞分化相关的基因表达水平下降了,脂肪细胞相关的基因表达水平上升了。那么,表达水平为什么会变化?是不是基因结构发生改变?这就是我们要做的——研究骨细胞和脂肪细胞分化相关基因的表观遗传学特征是不是发生了改变?

  去年11月12日,“天舟五号”货运飞船在文昌航天发射场顺利升空,我们团队研究的人骨髓间充质干细胞实验项目再度“上天”,并在我国载人空间站“问天”实验舱开展人骨髓间充质干细胞定向分化骨细胞实验。这次的空间项目由余路阳教授负责,我进行技术指导。此次的主要研究任务是“为什么基因表达水平会发生变化”。空间站里有非常有利的条件,一些操作过程可以由宇航员帮助我们来完成,同时空间站上又可实现显微图像传输,这次“上天”等于把前两次空间实验的优点都结合起来。这次我们主要研究细胞内与分化相关的基因表观遗传学特征变化,看看相关基因的甲基化或乙酰化水平有没有发生改变。因为甲醛化水平和乙酰化水平的改变会影响基因的“开”和“关”,所谓“开”就是促进它表达,所谓“关”就是不表达。

  通过这三次的干细胞“上天”,我们基本上找到了空间失重环境导致骨生成减少的原因,并确定分子靶点。接下来我们就可以进一步通过空间科学实验,针对特异的分子靶点,采用特异的小分子药物对分子靶点进行活性调节。希望通过调节分子靶点,促进骨细胞恢复正常的生成,适当降低脂肪细胞分化。这些研究成果不仅可以解决将来人类在空间环境下工作和生活所造成的骨生成变化困扰,同时为地面生活的人类的骨质疏松,也提供一定的解决途径。

  《小康》·中国小康网:2005年,您们团队将干细胞生物学与航天医学结合,形成交叉学科,研究空间环境干细胞生物学。自此,您的科研团队18年紧盯一个项目,三次将干细胞“送上天”。在其中,您经历最艰难的事件是什么?是如何摆脱困境的?

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助力 王金福教授表示,他与团队希望可以通过每一次的空间科学实验,解决空间环境造成骨质辩化的一个个科学问题。

  王金福:在我们把细胞送到“天上”去之前,我在地面上就通过模拟做了一些科学实践。关于空间环境下骨生成的减少以及相应的机制研究,我们的研究在国内是比较前沿的,但这样的学科交叉,有一个循序渐进的转方向过程。

  遇到比较困惑的问题是:首先,原来在地面实验室里做实验,是在正常的重力环境下,而空间失重环境下的实验过程和地面上的过程完全不一样。因此,需要仔细研究如何在失重环境条件下来完成整个细胞培养过程。所有的实验流程都要完全符合天上的环境条件,当时对我们来说有很大的不适应性,不知道该怎么做。

  其次,“天上”的实验是一次性的,成了就成了,如果不成,前面四五年的努力就是白费,人力、资金投入全都是损失。所以,对于可靠性这一点是要求非常严格的。

  另外,时间要求也非常严格。在“天上”做实验之前,需要在地面上将细胞培养在实验装置里,然后运输到发射塔,通过航天器送入太空,并转运到空间站内。每一个阶段所需时长是多少?中间可能会断电,有一些时间的间隔,以及其他一些不确定因素的影响,因此需要考虑的问题也是方方面面的,比如货运飞船上去了,跟空间站对接了,对接的时间是多长?会不会发生变化?即使对接好了,样品多长时间能够拿出来,放到空间站的机柜里去做实验?这些因素都不是我们平常在地面实验室里做实验可以想象的,特别是临发射的时候,都是按倒计时来进行计算的,其中可能会出现的时间变化,对细胞会有什么影响?对细胞质量会有什么影响?所有的不确定因素都要考虑在内。

  模拟演练实验都是做过验证的实验,能够保证细胞在“天上”正常地开展科学实验,整个验证过程中,对我们整个团队的研究人员和技术人员都是一种考验。所幸,经过三次“天上”的实验,我们团队已经积累了比较多的经验。能够连续三次开展空间科学实验,的确是需要克服很多困难的。

  干细胞技术治病前景可期

  《小康》·中国小康网:干细胞疗法的推广情况是怎样的?费用是怎样的?如果费用过高,对于普及是不是一种障碍?

  王金福:我不是临床专家,在此只不过谈谈自己的一点浅薄见识。我想,不仅是干细胞治疗,包括其他免疫细胞治疗在临床上的应用,将会是继药物治疗与手术治疗之后的临床医学发展的新方向。特别是干细胞,由于其具有强大的增殖能力,同时又有多向和定向分化能力,所以可以作为优质的种子细胞应用到临床,这对于科学家、临床医生、患者的吸引力都非常大。

  干细胞有很多种,许多组织里都可以找到干细胞,还有胚胎干细胞、诱导多能干细胞等。不同的干细胞,治疗用途不一样。早期的干细胞临床应用比较混乱,出于资本或商业的需要,一味夸大作用,造成了混乱的局面。近年来,国家相关部门针对这样的混乱情况,出台了一系列的相关法规和政策来规范干细胞的临床研究和应用。在规范的政策框架范围内,达到要求才能开展干细胞临床试验。

  目前大部分干细胞研究都处于临床前研究或临床试验阶段。虽然一项新的技术在临床上得以应用时可能相对费用会比较高,但我相信,随着正规的临床应用范围扩大,干细胞治疗费用肯定会逐步降下来的。

  《小康》·中国小康网:您如何看待干细胞疗法应用于临床的未来?

  王金福:干细胞疗法如果在临床上铺开应用的话,可以说医学进入了新的发展阶段。首先,干细胞具有自我的增殖能力,在体外通过一定的培养技术,可以对干细胞进行大量增殖,满足临床上的应用需求。其次,干细胞是具有分化潜能的细胞。不同的干细胞分化潜能不一样,我们一直在研究的骨髓间充质干细胞,它可以分化成中胚层相关组织的细胞。由于干细胞具有这两种特性,使得它可以在临床上有多方面应用前景。

  最后,干细胞对所在组织的其他细胞有一定的调控作用。干细胞可分泌产生各种各样的细胞因子,对周围的细胞也会产生旁分泌作用。因此,干细胞在不同的疾病治疗上,应用是很广的。医学研究领域公认的细胞治疗,包括干细胞治疗,将来在临床医学领域会发挥重要作用。关键在于细胞的质量和应用技术要规范化。一种细胞治疗技术进入到临床试验,有非常严格的要求,要经过严格的细胞药物规范要求审批,要做药效、质量认证、安评等,所有的临床试验验证必须符合有效性、安全性、标准化等要求。

  (《小康》·中国小康网 独家专稿)

  本文刊登于《小康》2023年7月下旬刊

 
编辑:风华
来源:小康杂志
发布时间:2023-07-24


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