北京基尔比微重力培养可诱导人脑类器官出现神经递质失衡

一、研究背景与目的

人类大脑对重力变化极为敏感，长期太空微重力环境可导致宇航员出现认知障碍、情绪失调、运动协调缺陷及航天相关神经眼综合征（SANS）等问题。

由于直接获取宇航员神经组织存在技术与伦理限制，本研究利用人源大脑类器官（cerebral organoids）结合3D-clinostat（回转器）地面模拟微重力，系统探究模拟微重力对人脑发育、神经分化及神经化学的影响，旨在建立可重复的地面模拟平台，为长期航天任务中的神经认知风险筛查与防护对策开发提供依据。

二、实验设计

分组	处理方式	说明
N30	正常重力培养30天	静态对照组
C30	clinostat模拟微重力30天	持续微重力暴露
C15N15	微重力15天 + 正常重力15天	恢复/再适应组

 

 

 

【目前，北京基尔比生物公司Kilby Gravity微重力培养系统已被中国科学院、哈尔滨工业大学、上海交通大学、中山大学附属第三医院、中国中医科学院中药研究所等多家知名研究机构采用，应用于生命医学、人工智能等前沿领域。】

模型：IMR90-4人诱导多能干细胞（iPSC）来源的大脑类器官

设备：3D clinostat（双轴独立旋转，2 rpm，平均模拟重力约10⁻³ G，接近国际空间站环境）

处理时期：神经成熟期（培养第35天至第65天）

检测手段：神经递质靶向代谢组学（UPLC-MS/MS）、qPCR、Western blot、形态学测量

三、主要研究结果

1. 形态学变化

各组类器官直径变化非常有限，C30组有轻微但统计学显著的增加，总体表明模拟微重力对类器官宏观尺寸影响较小。

2. 神经递质谱显著失衡

与N30相比，C30组多数神经递质显著降低，而C15N15组呈现部分恢复趋势，但GABA例外：

神经递质	C30变化	C15N15变化	意义
乙酰胆碱（ACHO）	↓ ~56%	↓ ~39%	注意与奖赏加工受损
多巴胺（DA）	↓ ~53%	↓ ~36%	运动与情绪调节异常
去甲肾上腺素（NE）	↓ ~56%	↓ ~34%	觉醒与应激反应下降
谷氨酸（Glu）	↓ ~44%	↓ ~16%	兴奋性传递减弱
GABA	↑ ~15%	↑ ~90%	抑制性优势增强

 

核心发现：模拟微重力导致兴奋-抑制平衡向抑制性主导偏移（Glu↓/GABA↑），且GABA在恢复组中进一步升高，提示某些神经化学改变可能具有持续性。

3. 基因表达广泛重编程

（1）多能性/干性标志物显著下调

OCT4、NANOG、SOX2在C30组下降超过85–94%；C15N15组部分恢复，但仍显著低于对照。

（2）脑区身份基因受抑

前脑及腹侧端脑关键调控基因（FOXG1、DLX2、EMX1、LHX6、NKX2.1、SIX6）在C30组大幅下调（最高达97%），C15N15组仅部分恢复。

（3）神经元分化与成熟标志物

MAP2、DCX、VGLUT1在C30组下降>90%，提示神经元成熟受阻。

TUBB3转录本反而增加约25%，可能反映特定神经元亚型的代偿性转换。

SATB2（皮层上层身份决定因子）在C30组显著下调，但在C15N15组完全恢复，表明部分皮层分化程序具有可逆性。

（4）胶质细胞标志物

GFAP（星形胶质细胞标志物）在C15N15组升高5倍以上，提示恢复阶段出现反应性星形胶质细胞增生或胶质激活。

4. 蛋白水平与转录水平分离

尽管SOX2和MAP2的mRNA水平在C30组显著下降，但其蛋白水平未发生显著变化。作者推测这可能与微重力暴露时间相对较短，尚不足以引起可检测的蛋白表达改变有关。

四、讨论与结论

微重力干扰神经发育轨迹：clinostat模拟微重力可破坏类器官的干性维持、区域特化及神经递质平衡，并诱导星形胶质细胞谱系偏移（GFAP↑），提示胶质激活可能是应激适应的一部分。

部分可逆性：恢复正常重力后，部分指标（如SATB2、多数神经递质）可出现恢复，但多能性标志物、区域身份基因及GABA的升高仍持续存在，说明微重力对神经发育具有持久影响。

机制解释：兴奋-抑制失衡（Glu↓/GABA↑）可能与宇航员在轨观察到的睡眠障碍、反应迟缓、认知下降及情绪改变等行为表型存在机制关联。

模型价值：该研究确立了人源大脑类器官作为地面模拟微重力研究的可行平台，可用于筛选神经认知风险生物标志物并测试神经保护对策。

局限性：clinostat并非完全消除重力，而是通过持续随机化重力矢量实现平均效应，观察到的部分效应可能也包含流体剪切力等机械刺激因素。

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总结：利用3D-clinostat模拟微重力可诱导人脑类器官出现神经递质失衡（兴奋-抑制向抑制偏移）、干性丧失、神经元分化受阻及胶质激活，部分改变在恢复重力后可逆，为理解太空环境对大脑的损伤机制及开发防护策略提供了重要的体外模型与分子线索。Please cite this article as: Hyelim Park et al., Life Sciences in Space Research

 

北京基尔比生物公司受邀将于2026年5月15-16日参展ISFO 2026第二届国际类器官大会(展位号：29)，敬请关注！

附：

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