细胞培养装置及其研究进展

细胞培养装置是从细胞分子水平进行医学研究和生命科学研究的基本物质保障。随着技术的进步和相关领域研究的不断深入，细胞培养装置得到了充分的发展。在地面，用于研究和生产的细胞培养装置已经发展成系统、成规模。而随着航天技术的发展，空间细胞培养装置已成为在微重力条件下进行相关研究必备工具。本文着重阐述近几年来用于空间和地面环境的细胞培养装置的研制情况及其相关实验。     

微重力环境影响免疫系统功能的研究进展

目的 通过文献综合分析航天飞行和地面模拟微重力环境对多种免疫细胞活性与功能的影响. 资料来源与选择 选择国内外该领域的相关研究论文和专著. 资料引用 国内外公开发表的文献50篇. 资料综合 来自长期航天飞行实践和地面模拟研究的结果均发现微重力环境影响多种免疫细胞活性与功能的现象,包括免疫细胞数量和亚群的改变,T细胞增殖活性的降低,多种细胞因子分泌水平的变化等. 结论 微重力环境可能是通过改变细胞表面受体及细胞功能基因的表达,影响细胞内信号通路的传递和细胞表观遗传事件等对免疫细胞产生负面影响.未来的研究应当进一步明确免疫细胞感受重力的分子机制,寻找能够逆转微重力环境下免疫细胞功能受到抑制的方法,为开展长期太空科学研究和空间生活提供保障.     

旋转细胞培养系统模拟微重力环境对小鼠成纤维细胞lncRNA表达的影响

目的 研究旋转细胞培养系统(RCCS)模拟微重力环境对小鼠成纤维细胞株L929 lncRNA表达的影响.方法 体外培养L929细胞,随机分为模拟微重力组(SMG组)和正常重力组(NG组),每组3个样本.SMG组回转器轴心与地面平行旋转,NG组回转器轴心与地面垂直旋转,两组转速一致.RCCS培养7d,收集样本,提取样本总RNA,进行荧光标记和芯片杂交.利用Agilent Mouse lncRNA芯片分别检测SMG组和NG组L929细胞的lncRNA和mRNA表达,筛选差异表达显著的lncRNA,RT-qPCR验证芯片结果;利用GO和Pathway分析差异表达lncRNA的功能分布,结合mRNA差异表达谱,进行lncRNA-mRNA联合分析.结果 lncRNA芯片检测分析发现,RCCS模拟微重力环境下小鼠成纤维细胞L929共有238条差异表达的lncRNA,其中134条表达上调,104条表达下调;差异表达的mRNA共有237条,其中53条表达上调,184条表达下调.获取差异表达lncRNA的聚类分析图,对差异表达显著的4条lncRNA芯片结果进行RT-qPCR验证,结果相吻合.GO分析结果显示差异表达的lncRNA与巨噬细胞分化、伤口愈合的负性调节等生物学过程相关,Pathway分析结果显示差异表达的lncRNA与系统性红斑狼疮、TGF-β等信号通路相关.同时成功构建了lncRNA-mR-NA-TF可视化网络图.结论 RCCS模拟微重力环境显著影响L929细胞的lncRNA及mRNA表达谱,基于芯片技术的ln-cRNA靶基因预测和功能富集分析可为失重应激损伤机制探讨和修复措施建立提供理论依据.     

一种新型空间细胞培养容器的设计与仿真研究

目的设计新型空间细胞培养容器,并对其结构尺寸进行优化。方法运用计算流体力学(CFD)软件Fluent进行数值模拟与动态分析,研究不同容器形状、缓冲通道结构、灌注室高度在微重力条件下对培养容器流场形态的影响。结果经过反复实验,最终容器形状选择为圆形,缓冲通道选择为单级缓冲,灌注室厚度设计为0.5 mm。仿真表明,容器有效提高了传质效率,整体流体剪切力远远低于10-3N/m2,适合高密度细胞培养。结论作为空间细胞培养装置的重要研制环节,本细胞培养容器可以为单独研究微重力对细胞的影响作出贡献。     

空间环境和模拟微重力环境下番茄试管苗的开花结实实验

目的 实现番茄试管苗在空间环境下开花结实,并比较空间环境和模拟微重力环境对番茄开花结实的影响.方法 通过“神舟”8号飞船搭载和三维回转仪分别进行空间环境和模拟微重力环境的番茄开花结实实验,比较番茄结果率、果实大小、形状、颜色以及植株高度的差别.结果 空间环境和模拟微重力环境下番茄试管苗都完成了开花结实的发育过程,且结果率、果实大小、形状、颜色以及植株高度都与地面对照差异不显著.结论 高等植物可以在空间环境下完成开花结实的生殖生长过程.在特殊条件下,重力并非植物生殖生长的必要条件.     

模拟微重力条件理植物细胞亚显微结构的研究

目的 研究微重力条件对植物生长发育中细胞亚显微结构的影响。方法 微重力仪连续改变方向来获得模拟微重力,对模拟微重力条件下生长的植物进行了细胞学、生理学实验。结果电镜观察表明：植物细胞在模拟微重力条件下正常重力条件生长的相比,在细胞壁、叶绿体,线粒体等方面产生变异,细胞出现了壁质分离现象,部分细胞壁扭曲、收缩变形,部分叶绿体片层结构出现了弯曲、排列疏松,内含物溢出,部分线粒体出现了边缘模糊及嵴消失的     

模拟微重力条件下植物细胞亚显微结构的研究

目的 研究微重力条件对植物生长发育中细胞亚显微结构的影响。方法 通过微重力仪连续改变方向来获得模拟微重力,对模拟微重力条件下生长的植物进行了细胞学、生理学实验。结果电镜观察表明：植物细胞在模拟微重力条件下与正常重力条件生长的相比,在细胞壁、叶绿体,线粒体等方面产生变异,细胞出现了壁质分离现象,部分细胞壁扭曲、收缩变形,部分叶绿体片层结构出现了弯曲、排列疏松,内含物溢出,部分线粒体出现了边缘模糊及嵴消失的情况,同时细胞内淀粉粒明显增多。结论 模拟微重力对植物的正常生长起到了一定协迫作用,使植物细胞发生了变异。     

多坝式空间细胞培养室设计参数的微重力实验验证

目的利用失重飞行提供的微重力环境验证多坝式空间细胞培养室的设计参数。方法设计了三坝式和五坝式两种结构的插片细胞培养室,在失重飞机抛物线飞行中,通过研究培养室内流场形态、液流更换效率及流速对室内细胞的影响,对其在微重力下的适用性进行了验证。结果三坝或五坝式结构均能在室内隔离形成有效液流通路,确保微重力环境下培养室内溶液的有效更替;插片式设计在方便取出细胞样品用于后续分析的同时,可将细胞培养片固定在培养室底部防止刮蹭细胞;微重力下50μL/min和150μL/min两种换液流速均不会损伤细胞。结论综合考虑空间细胞培养的高容积利用率及短操作时间等需求,插片式三坝细胞培养室结构及150μL/min的换液流速更符合应用要求。     

"神舟"6号空间细胞搭载体系的建立

目的 建立适合"神舟"6号飞行任务的空间细胞搭载体系,开展有人参与的在轨空间细胞学实验.方法 设计简便实用的细胞搭载样品袋、样品盒以及样品盒集成袋等细胞搭载装置;进行原代心肌细胞和成骨细胞培养及地面模拟试验;利用"神舟"6号飞船舱内环境,在有人参与的条件下进行空间细胞学实验.结果 经过5 d的太空飞行检验,搭载体系安全、实用、可靠,回收样品满足所需指标分析要求.结论 经过"神舟"6号飞船搭载,实验结果分析证明,本体系实现了小载荷、有人参与的多细胞搭载任务,满足了"神舟"6号空间细胞实验的需要.     

空间植物栽培装置地面改进样机研制

目的 在空间植物栽培装置地面样机研制的基础上,完成空间植物栽培装置地面改进样机的研制,使其工作原理更能适应空间微重力环境条件.方法 借鉴空间植物栽培装置地面样机的先期研制经验,在技术方案详细论证与设计的基础上,进行部件图纸设计与投厂加工、整机设备安装、调试和试运行等.结果 该样机可自动而有效地控制栽培室内的大气环境参数和栽培基质水分含量;温湿度控制、冷凝水收集和植物养分供应等工作原理基本满足空间微重力环境条件下的使用要求.结论 本样机设计合理,解决了空间植物栽培的大部分关键技术难题,为下一步研制上天产品和开展空间飞行试验研究奠定了重要基础.     

Genetic changes induced in human cells in Space Shuttle experiment (STS-95)

BACKGROUND: Results of past space experiments suggest that the biological effect of space radiation could be enhanced under microgravity. To assess the radiation risk for humans during long-term spaceflight, it is very important to clarify whether human cells exhibit a synergistic effect of radiation and microgravity. HYPOTHESIS: If significant synergism occurs in human cells, genetic changes induced during spaceflight may be detected by using human tumor HCT-116 cells which are hypermutable due to a defect in the DNA mismatch repair system. METHODS: Cultured HCT-116 cells were loaded on the Space Shuttle Discovery (STS-95) and grown during the 9-d mission. After landing, many single-cell clones were isolated, microsatellite repetitive sequences in each clone were amplified by PCR, and mutations in the microsatellite loci were detected as changes in the length of PCR fragments. Mutation frequencies of ouabain-resistant phenotype were also analyzed. RESULTS: The frequencies of microsatellite mutations as well as ouabain-resistant mutations in the flight sample were similar to those of the ground control samples. Some cells were treated in space with bleomycin which mimics the action of radiation, but the frequencies of microsatellite mutations were not significantly different between the flight and the ground control samples. CONCLUSION: Under the present flight conditions, neither space radiation (about 20 mSv during this mission) nor microgravity caused excess mutations in human cells.     

模拟微重力对大鼠嗜铬细胞瘤细胞蛋白酪氨酸硝基化的影响

目的研究微重力状态下活性氮自由基（RNS）对神经细胞蛋白质氧化修饰的影响。方法以大鼠嗜铬细胞瘤（PCI2）细胞作为神经细胞模型，利用水平轴回转器模拟微重力效应。回转72h后，对回转和对照组细胞进行一氧化氮合酶和硝基酪氨酸的免疫细胞化学染色分析，同时采用硝酸盐还原酶偶联法测定回转PC12细胞的一氧化氮（NO）水平，竞争性ELISA方法定量检测细胞硝基酪氨酸的水平。结果回转后PC12细胞诱导型一氧化氮合酶（iNOS）和硝基酪氨酸免疫细胞化学染色均增强。回转后PCI2细胞NO水平升高（P〈0．01），蛋白质酪氨酸硝基化程度显著增加（P〈0．01）。结论模拟失重可诱导PC12细胞NO的合成，增加蛋白质氧化损伤程度。     

空间微重力条件下小型水生闭合生态系统的研究

目的以小球藻和澳洲水泡螺构成二元水生封闭生态系统(closed aquatic ecosystem,CAES),研究微重力对此二元系统运行的影响。方法设定了空间1G对照、地面1G和1．4G(离心机)条件利用遥测方法对搭载于“神舟”2号飞船的CAES系统进行了跟踪,获得微重力及各种对照条件下该系统运行的数据。结果在空间微重力条件下,生产者小球藻的生物量日变化较大,每天的生物量平均值在飞行中表现为递减趋势,而3组对照的生产者生物量日变化较小,2个1G对照组每天的生物量平均值表现为一定的增长后趋于平衡,1．4G实验组没有明显变化。结论微重力实验组和1．4G实验组与1G对照组的差别有可能是由于在改变重力环境下消费者澳洲水泡螺的代谢活动增强和生产者自身的代谢活动变化造成的。     

模拟微重力条件下体外培养神经细胞模型的初步建立

目的研究模拟微重力条件下构建新生大鼠神经细胞培养体系的方法。方法分离新生鼠海马区原代神经细胞，接种于Cytodex3型微载体，培养3d后转移入旋转细胞培养系统，用倒置显微镜和扫描电镜观察神经细胞在微载体上的生长情况，进行神经元细胞特异性烯醇酶的免疫组织化学染色，用Image-Pro Plus软件进行神经细胞胞体面积的测量。结果微重力条件下神经细胞在微载体上均匀分布，免疫组织化学结果显示神经元被染成棕色，其胞体面积较正常重力条件培养的神经细胞有显著增加（P〈0．01）。结论神经细胞可以在微重力条件下进行培养，这个体系的建立有着广泛的应用前景。     

模拟微重力诱导小鼠成骨细胞微丝变化对碱性磷酸酶及骨钙蛋白的影响

目的 研究模拟微重力诱导小鼠成骨细胞微丝结构改变对碱性磷酸酶（alkaline phosphatase,ALP）及骨钙蛋白（osteocalcin,OCN）的影响,探讨失重导致骨质疏松的机制.方法本研究以已建株的小鼠成骨样细胞株（MC3T3-E1）作为对象,以回转器模拟微重力效应.实验将细胞分为4组：模拟微重力组、0.5 μg/ml细胞松弛素B组、模拟微重力＋0.5 μg/ml细胞松弛素B组及正常重力组（对照组）.培养48 h后,利用异硫氰酸荧光素鬼笔环肽（fluoresceine isothiocyanate phalloidin,FITC-phalloidin）进行免疫荧光染色,在激光共聚焦显微镜下观察各组细胞微丝的变化;同时用ALP试剂检测各组细胞培养液内ALP的酶活性,采用ELISA法检测各组细胞裂解液中OCN的表达量.结果 除正常重力组外,其余各组细胞微丝结构都出现了不同程度的解聚,张力纤维减少,失去方向性,以模拟微重力＋0.5 μg/ml细胞松弛素B组改变最为明显.和正常重力组比较,其余各组ALP的酶活性和OCN的表达量均成下降趋势（F=17.23、121.91,P〈0.01）,且模拟微重力＋0.5 μg/ml细胞松弛素B组与模拟微重力组和0.5 μg/ml细胞松弛素B组这两组之间的差别都有统计学意义（P〈0.05）.结论 微重力影响成骨细胞ALP的酶活性及OCN的表达可能与微重力诱导细胞骨架微丝解聚相关.     

The effects of microgravity on ligase activity in the repair of DNA double-strand breaks

PURPOSE: In recent years, contradictory data have been reported about the effects of microgravity on radiation-induced biological responses in space experiments. The aim of the present study was to clarify whether enzymatic repair of DNA double-strand breaks is affected by microgravity using an in vitro enzymatic reaction system. MATERIALS AND METHODS: The DNA repair activity of T4 DNA ligase (EC 6.5.1.1) was measured in vitro for a DNA substrate damaged by restriction enzyme digestion during a US Space Shuttle mission (Discovery; STS-91). After the flight, the amount of ligated DNA molecules was measured using an electrophoresis method. RESULTS: Ligated products (closed circular DNA, open circular DNA and multimeric ligated products) were produced by T4 DNA ligase treatment of linear DNA containing double-strand breaks, and they increased with increasing T4 DNA ligase concentration (0-3 units per microg of plasmid DNA). Almost no difference in T4 DNA ligase activity was detected between the space experiments and the control ground experiments. CONCLUSIONS: No significant effect of microgravity on ligation of damaged DNA was found during space flight. Therefore, other mechanisms must account for the synergism between radiation and microgravity, if it exists.     

Assessment of simulated surgical skills in parabolic microgravity

BACKGROUND: During spaceflight crew health is paramount in the success of flight missions. The delivery of healthcare during flight requires crew readiness for medical and surgical response. METHODS: There were 20 participants who were evaluated for accurate performance of 4 basic laparoscopic surgical skills (clip applying, cutting, grasping, and suturing) during parabolic weightlessness using an inanimate workstation aboard the NASA KC-135 aircraft. RESULTS: Data indicate that motor skill performance decreased within the parabolic microgravity flight environment. Performance in parabolic microgravity flight included futile effort with an increase in number of tasks attempted and a decrease in tasks completed successfully. CONCLUSIONS: There is a decreased frequency of accurate task completion in parabolic microgravity flight, but it is not an obstacle to implementation of effective training for providing in-flight medical care. The data reveal that individuals perform basic laparoscopic surgical simulation with greater effort in microgravity following simulation training.