Cell Stem Cell首次系统揭示微重力等太空环境对造血干细胞的多维度老化效应

 

🌌 一、研究背景与目的

造血干细胞（HSC）是维持血液系统健康的关键，它们通过自我更新和分化维持终生造血功能。

长期在低地球轨道（LEO）执行任务（如国际空间站）会导致免疫系统紊乱、病毒感染、炎症反应、基因突变等问题。

🧪 二、研究方法

1. 实验设计

使用3D纳米生物反应器（nanobioreactor）模拟骨髓微环境。将人源CD34+ HSPCs与自体CD34−基质细胞共同培养。引入FUCCI2BL荧光细胞周期报告系统，实时追踪细胞周期变化。

实验分为太空组（在国际空间站ISS上）与地面组（肯尼迪航天中心），共进行4次任务（SpX-24至SpX-27），每次持续32–45天。

2. 检测手段

实时成像：使用AI驱动的CubeLab系统，每日拍照，追踪细胞周期。

功能分析：回地后进行克隆形成（CFU）实验、重铺实验，评估干细胞生存与自我更新能力。

多组学分析：

- 全基因组测序（WGS）：检测突变、端粒长度、线粒体DNA拷贝数。

- 转录组测序（RNA-seq）：分析基因表达、RNA编辑、重复元件表达。

- 单细胞RNA测序（scRNA-seq）：评估细胞异质性。

- 细胞因子芯片：检测炎症因子水平。

🔬 三、主要发现

1. 微重力等太空环境加速HSPC老化

细胞周期加快：太空组HSPCs的G1期缩短，细胞更快进入S/G2/M期，提示干细胞休眠状态丧失。

自我更新能力下降：克隆形成和重铺实验显示太空组HSPCs的再生能力明显降低。

ADAR1表达下调：ADAR1-p150是维持干细胞自我更新的关键因子，太空组其表达显著下降，RNA编辑能力减弱。

2. 端粒维护受损

端粒长度缩短趋势：虽然变化不显著，但端粒维护相关基因（如POLA1、POLA2）表达显著下调，提示端粒功能受损。

3. 炎症与线粒体应激

炎症因子升高：IL-6等炎症因子在太空组中升高。

线粒体功能异常：线粒体DNA拷贝数增加，氧化磷酸化和蛋白转运相关基因表达上调，提示线粒体应激。

4. 基因突变与克隆造血

C-to-T突变增加：太空组HSPCs中C-to-T单碱基替换（SBS）显著增加，提示炎症诱导的APOBEC3C脱氨酶活性升高。

克隆造血突变（CH）：检测到ASXL1、CEBPA、PTPN11等与白血病相关的突变，提示太空环境可能增加血液系统恶性疾病风险。

5. 重复元件（转座子）失控

HERV、LINE等表达异常：太空组中某些内源性逆转录病毒（如LTR45B）表达升高，提示“黑暗基因组”失控，可能引发炎症和基因不稳定。

🧬 四、机制探讨

多重应激源作用：微重力、宇宙辐射（GCR）、炎症因子、线粒体应激等共同作用，诱导干细胞功能衰退。

微环境作用：干细胞功能衰退部分可通过与年轻基质细胞共培养得到恢复，提示微环境在调控干细胞老化中的关键作用。

🛰️ 五、研究意义

- 地面应用：太空加速老化模型可用于研究地球环境中的干细胞老化、炎症、血液系统疾病（如白血病）机制。

- 干预策略：为开发抗衰老、抗辐射、抗突变的干预手段（如药物、基因治疗、微环境调控）提供理论依据。

📚 六、未来方向

北京基尔比生物推出的Kilby Gravity微重力培养系统，以3D回转式模拟微重力为核心，为地面实验室提供了一种低成本、高保真的“太空模拟器”。

研究者可在发射前，用Kilby Gravity微重力系统快速评估不同供体、不同干预条件下HSPC的周期动力学、突变谱系和衰老表型，把“太空实验”搬到地面进行高通量预筛，从而缩小上星样本量、降低失败风险；

返回后，又可利用同一平台开展1 g与模拟微重力的“对照-再对照”，厘清微重力与辐射各自贡献。未来，Kilby Gravity微重力系统与实时成像、单细胞组学模块整合，将形成“太空-地面-数据”闭环：地面发现靶点→太空验证机制→地面开发药物。

面向商业航天与深空医疗，北京基尔比生物的Kilby Gravity微重力培养系统还可构建“ astronaut health index”云数据库，把每次回转实验的干细胞周期、端粒长度、炎症因子等参数上传，与真实宇航员在轨数据比对，训练AI预警模型，实现“天地同算、未病先防”。

更进一步，Kilby Gravity微重力培养系统机体小型化、模块化后，可直接装入空间站科学机柜，成为在轨1 g离心对照组，与地面回转仪形成“天地双微重力平台”，为我国主导的月球基地、火星航班提供持续的干细胞健康监测与干预方案。

正如PCR把基因研究搬进千家万户，北京基尔比生物的Kilby Gravity微重力培养系统有望把“太空生物学”带进每一间地面实验室，让微重力不再遥不可及，而成为解码衰老、战胜疾病的日常工具。

北 京 基 尔 比 生物科技公司主营产品：

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