微重力影响细胞生命活动的力学生物学耦合规律研究Word下载.docx

1、1）提出新概念、发现新规律：开展细胞感知和响应规律、细胞间相互作用、组织发生和重建等方面研究，提出动物细胞感知（微）重力以及植物细胞响应（微）重力的新概念和新假说，发现新的内在规律或机制。2）建立力学-生物学耦合系统平台：建立数值模拟、物理实验和生物学验证等平台，预期研制2-4台（套）地基模拟微重力效应的新仪器（设备）；提出空间硬件装置基本框架和主要参数，预期解决2-3种关键技术、研制2-4种关键部件。3）发表科学论文：预期在国际主流学术杂志上发表论文80-90篇，其中IF3或TOP15%的50-60篇，IF10的10-15篇。4）申报科技专利：注重科学研究、定量方法和关键技术中新概念、新方法

2、和新技术的形成和积累，预期申请发明专利10-15项。5）促进人才培养：注重有志于微重力科学和空间生命科学交叉研究的青年人才和研究生培养。培养优秀青年科研骨干10-20名，研究生/博士后90-110名。三、研究方案1、学术思路：本项目学术思路立足于国家重大需求和重大基础科学问题相结合，强调航天科学与空间生命科学的交叉与融合，力求在研究内容设计、课题组织、研究方案制定等方面体现科学研究的前沿性和国家需求的牵引性。项目将以“（微）重力影响细胞生命活动”为主题，以“（微）重力下细胞力学-生物学耦合规律”为主线，开展（微）重力下细胞力学-生物学耦合过程的模型化研究、（动物、植物）细胞对（微）重力的感知、

3、传导、响应规律、（微）重力影响细胞间相互作用的定量规律、（微）重力影响组织发生和重建的基础研究等相关研究，力争在科学研究方面有创新性突破的同时，积极推动相关的新概念、新方法、新技术和新装置研究，加强实验平台与验证体系建设，为未来空间实验任务提供科学储备和技术保障，并促进高新技术的地面应用与产业化。本项目采取数值模拟、物理实验和生物学验证相结合的技术路线，以人类样品、模式动物（大/小鼠）、模式植物（拟南芥）为研究对象、采用典型的细胞模型（骨系细胞、免疫细胞、干细胞、植物细胞），围绕地球生物如何感知（微）重力信号及其信号的转导、地球生物如何适应（微）重力环境、从生命科学与生物技术视角如何利用（微）

4、重力环境资源等三个基本科学问题，开展（微）重力影响细胞生命活动的力学-生物学耦合规律交叉研究，注重新思想和新观点的形成，以及新概念、新方法和新手段的储备。2、技术途径：本项目瞄准（微）重力影响细胞生命活动中的关键科学问题，采用典型细胞及其与基质材料的复合物，结合实验研究与理论模拟、定性与定量手段，开展重力改变下细胞力学-生物学耦合的交叉研究，强调利用数值模拟、力学分析、定量测量等前沿研究手段与先进生物学手段的结合。其总体构思如下图所示： 具体技术途径概述如下：1）模型化研究：物质输运过程：基于流固耦合理论建立模型骨材料内流体输运过程的物理力学模型，通过理论分析和有限元计算析等数值方法研究不同粘

5、性简单流体及复杂流体在复杂多孔结构中的输运特性及规律。模型结构材料制备：利用胶体晶体模板复型技术制备模型结构材料，研究孔道中流体的输运行为、矿化结晶特点，以及力学作用下一维或二维生物特征孔道中流体的输运行为、对生物矿化影响；制备类生物骨的多尺度微孔三维支架材料，研究三维支架材料内部流体输运特征。回转或旋转微重力模拟：针对回转器、旋转壁式生物反应器、旋转式生物反应器、平行或旋转流动式生物反应器开展内部流场流体力学分析，提出合理的几何、流体动力参数和可控的实验模式（转速、回转半径、流速等）。磁悬浮微重力模拟：基于电磁理论建立磁场与细胞（或组织）相互作用的物理力学模型，通过理论分析和数值模拟方法研究

6、磁场分布和极化效应，提出合理的几何、磁场参数和可控的实验模式（磁场强度、梯度等）。细胞力学模型：建立基于细胞结构（细胞膜（壁）、细胞骨架、细胞微粒、细胞核等）的物理力学模型，开展在（微）重力下（动物、植物）细胞运动和变形、细胞器移位、细胞骨架分布、胞质环流，以及植物细胞壁在（微）重力信号转导中作用的理论分析和数值模拟。2）力学作用方式：流体剪切：利用微流控技术并结合流体力学分析量化培养液流动和物质输运条件，建立模拟空间强迫对流下动物细胞生长和分化、细胞运动和变形、细胞间相互作用与分子调控的实验系统。牵拉和受压：采用细胞拉伸显微镜技术（Cell Traction Microscopy）对细胞施加

7、可控的基底拉伸，利用原子力显微镜探针技术和光镊操控技术对细胞施加可控的压力，建立模拟细胞自由面的受拉和细胞基底面的受压等重力效应下细胞生长和分化、细胞运动和变形、细胞间相互作用与分子调控的实验系统。回转或旋转：采用商业化细胞回转器和旋转壁式生物反应器、以及自主研发的旋转式生物反应器（多模态、应力可控），通过上述模型化研究优化旋转速度和旋转半径以避免附加较大的离心力、获得“屏蔽”细胞对重力方向感知的旋转条件，可模拟细胞在空间微重力下的三维、悬浮生长效应；流体剪切对细胞的生物学效应可通过设置对照组加以解析。磁悬浮：采用自主研发的抗磁物质悬浮技术平台，通过上述模型化研究优化梯度强磁场的强度和方向以使

8、细胞所受磁化力与重力大小相等、方向相反，可模拟空间微重力环境下细胞的受力状态；磁场本身对细胞的生物学效应可通过设置对照组加以解析。超重：采用自主研发的超重离心机或商业化的离心机，研究细胞对模拟超重力效应（1-10g）的生物学响应，以提供所需的概念性验证方案。复合载荷：研制可在模拟微重力效应同时对细胞施加不同力学载荷的新方法和新装置，拓展力学作用方式。3）细胞模型与基质材料：细胞模型包括骨系细胞（成骨细胞、破骨细胞、骨细胞）、免疫细胞（淋巴细胞、中性粒细胞）及相关细胞（内皮细胞、肿瘤细胞）、干细胞（真皮来源前体细胞、骨髓间充质干细胞、胚胎干细胞）、拟南芥及其愈伤组织细胞（根、茎与培养细胞）等四类

9、。基质材料包括生物类脱钙骨胶原支架、非生物类（碳酸钙）模拟骨基质支架等两类。4）细胞及组织功能性模型构建：利用微模式化和微制作技术构建形状和面积受控的单个细胞模型、以及具有不同连接方式和尺度的细胞网络模型，并据此建立骨细胞与成骨细胞、骨细胞与破骨细胞的共培养系统；辅之以微流控技术还可建立免疫细胞、内皮细胞、肿瘤细胞间聚集和粘附乃至三种细胞间相互作用的功能模型。通过将骨系细胞或干细胞与基质材料复合、建立细胞与支架的三维共培养体系，辅之以上述力学刺激（剪切、拉、压、回转或旋转、磁悬浮），构建其动态生长体系。5）细胞与亚细胞的力学-生物学响应研究：利用全内反射荧光显微镜（TIRFM）、转盘式扫描共聚

10、焦显微镜，结合荧光相关光谱（FCS）、荧光寿命成像（FLIM）、荧光漂白后恢复（FRAP）等成像技术，辅之以已建立的细胞内膜系统（质膜、内质网、高尔基体、内含体）转运的荧光蛋白报告体系和（细胞器、细胞骨架、蛋白质、胞内钙）特异性标记方法（荧光、量子点），观测不同力学作用下细胞增殖、代谢、分泌和运动、变形以及细胞间聚集、粘附的动力学过程，细胞骨架动态组装和重排，细胞器（淀粉体、线粒体等）移位的运动轨迹、速率、模式及其相关内膜系统转运的动态响应，感知、传递力学信号的关键蛋白的定位和状态（寡聚化、膜驻留时间）及其向生物化学信号（胞质钙离子平衡以及细胞骨架排布）转换、传导的动态规律和分子机制，建立重力

11、改变所致的细胞-亚细胞-分子层次响应机制间的相互关联。6）蛋白质组与信号分子的力学-生物学响应研究：在植物细胞层面，利用双向凝胶电泳和图像分析技术获取重力改变影响拟南芥细胞的相关蛋白质，并开展差异表达蛋白质的质谱分析与鉴定。联合应用拟南芥cDNA测序数据检验相关基因表达的功能，并结合生理学与细胞生物学研究结果，初步确定细胞骨架在植物对重力信号响应中作用的蛋白质组基础。利用荧光探针实时观测植物细胞内H+和Ca2+离子浓度的变化，并结合非损伤离子选择性电极分析植物细胞因重力改变所致的胞外H+、Ca2+的变化。采用不同的钙离子通道抑制剂处理拟南芥细胞，并比较常重力、离心模拟超重效应与回转模拟微重力效

12、应后细胞骨架蛋白组的变化。在动物细胞层面，采用比较蛋白质组学方法筛选细胞对（微）重力敏感的关键蛋白，对所获得的蛋白进行功能验证（包括采用siRNA技术进行体外功能验证，以及采用基因敲除技术、建立细胞及动物模型进行体内功能验证等）。采用激光共聚焦扫描显微镜、RT-PCR、Western等方法研究可控力学作用下关键蛋白在细胞内表达、分布以及修饰及功能的变化，以及组成蛋白和调节蛋白分布、定位及表达的影响，阐明参与重力感知和响应的关键蛋白在力学信号传递与传导中的作用。以细胞外基质-整合素-细胞骨架-细胞器为轴线系统，研究在可控力学作用方式下Rho/ROCK、Wnt/-catenin、钙离子等信号通路在

13、感知、传导以及响应（微）重力中的作用，以及力学因素对细胞物质合成、能量代谢以及信号转导的影响。7）基因组与转基因功能的力学-生物学响应研究：利用基因芯片克隆受重力改变影响的拟南芥细胞基因相互作用关系网中的关键基因、枢纽基因，并构建上述关键基因的转基因植物（过表达、基因表达受干扰的植株）。通过遗传操作的手段改变基因表达量，并对转基因植物进行继代培养，获得纯化且可进一步开展研究的转基因植物。选择上述在重力信号转导途径中起关键调节作用的3-5个基因与报告基因（如GFP、RFP等）构成融合基因，通过转基因方法研究候选基因在过表达时或缺失（利用突变体）时植物细胞对重力的响应、候选基因与信号分子之间的关联

14、性，初步确定（微）重力影响植物细胞骨架信号通路的关键靶点、关键基因与蛋白质，建立改变影响植物基因表达变化的调控网络。同时，开展（微）重力影响拟南芥细胞转录组的研究。8）小RNA的力学-生物学响应研究：利用芯片分析获得（微）重力刺激下拟南芥细胞小RNA表达的动力学变化。通过测序获得大量小RNA序列，并构建小RNA文库用以对比小RNA的差异表达。利用RT-PCR分析小RNA前体的表达量和Northern杂交等手段验证差异表达的小RNA。利用生物信息学方法分析基因作用的靶点并预测其可能的功能，确定与重力感知相关的候选基因。将候选基因克隆、构建载体，在拟南芥中过量表达、观察表型。利用Target Mi

15、micry等方法验证与重力感知相关的小RNA靶基因的功能。研究与重力感应相关的小RNA与生长素响应因子之间的相关性，探索（微）重力在细胞生命活动中的作用及影响。9）细胞间相互作用与组织重建的力学-生物学响应研究：利用全内反射荧光显微镜、转盘式扫描共聚焦显微镜，结合荧光成像技术，观测不同力学作用下细胞间聚集、粘附动力学过程和细胞-细胞（基质）间相互作用模式。制备结构特征（孔隙率及空隙分布、贯通性、表面物理性质）和力学性质（弹性、强度）可控的非生物类（碳酸钙）三维支架材料和小牛松质骨的生物类脱钙骨基质材料，并通过成纤维细胞增殖和凋亡分析来评价其生物相容性。利用免疫组化、显微动态观察等方法考察在二维

16、基质上或三维支架材料内细胞的增殖和分化状态，并通过三维粒子速度成像仪观察与流体力学数值模拟研究细胞周围的物质输运过程。应用免疫组化、流式细胞仪、显微动态观测等方法鉴定干细胞表面标志物和向骨系细胞诱导分化的细胞形态和标志产物（钙沉积、碱性磷酸酶、I型胶原、骨钙素等），分析可控力学作用下干细胞的增殖和凋亡。分别从基因、转录和蛋白质水平考察模拟微重力效应对干细胞分化的力学-生物学耦合作用及其信号通路（整合素、Wnt/-catenin、P63、Notch、NF-B、PKC、Ras-MAPK等），确认（微）重力信号转导的细胞骨架表达改变及其信号途径（FAK、PKC）。了解（微）重力对细胞与骨基质材料粘附

17、的影响以及对三维培养的干细胞分化的传导机制（ERK、P38、JNK等）。将诱导干细胞分化而成的骨系细胞培养于骨基质材料上并移植于小动物骨损伤模型，考察在移植前后施加（微）重力作用下体内骨形成的过程（钙沉积、碱磷酶合成量、形态学观察）。3、创新点与特色：本项目凝炼航天科学与生命科学交叉的重大科学问题，选取国际上处于科学前沿且尚待发展、国内具有较好研究基础的课题开展研究，充分体现多学科交叉优势与特色，课题之间相互有机联系。该项目的顺利实施将为空间生命科学研究和人类空间活动提供新概念、新思想和新方法。其主要特色与创新之处体现在：1）学术思想前沿：本项目针对航天员健康和空间生命生态支持系统等航天科学重

18、要领域，立论于重力环境对地球生物演化的作用及其规律和空间环境对生命体生理稳态的影响规律及其机理等两个重大科学背景，并在细胞这一生命体基本单元层面展开（微）重力影响生命活动基本过程和规律的科学研究。其学术思想的前沿性体现在抓住空间微重力环境影响生命体生命活动的根本原因源自于细胞对（微）重力的感知和响应过程这一关键要素，从分析物质输运过程、量化微重力模拟效应、建立细胞力学模型等方面模型化研究着手，在组织、细胞、蛋白质与基因等层面上由表及里、相互关联、互为验证。2）科学问题核心：本项目所提出的（微）重力下细胞力学-生物学耦合规律是保障航天员健康和构建空间生命生态支持系统的核心和关键问题，同时也是本项

19、目有别于传统空间基础生物学、空间生物技术、空间生命生态支持系统以及空间生理学与医学的特色所在。对动物细胞的研究针对航天员短期飞行适应性和长期飞行生理阈值、对组织发生和重建与干细胞生长和分化研究针对空间胚胎发育与组织发生、对高等植物细胞的研究针对空间生命生态支持系统，并结合空间微重力环境动物骨质流失和免疫功能抑制、拟南芥发育异常等典型生理过程，兼顾有限目标和重大意义的平衡。3）研究方法新颖：本项目采用模型化研究、物理实验与生物学验证相互验证的新研究方法，通过数值模拟可开展任意改变重力水平（零重力、微重力、常重力乃至超重力）的虚拟实验、并比较重力改变所致的细胞生物学效应差异，提出（微）重力影响细胞

20、物质输运规律和物理化学过程的新概念和新思想；进一步，通过建立地基物理实验平台、可从生物力学视角实现对地基重力作用的进行分解（流动剪切、拉、压、悬浮等），并对新概念和新思想展开验证性实验；最终，可通过生物学验证提供实证的支持。这一过程可反复迭代，以期逐步预测、验证并深化对（微）重力下细胞的力学-生物学耦合规律及其机理的认识。4）技术路线交叉：本项目充分体现细胞-分子生物学、系统生物学、生物信息学与力学、物理以及工程科学等的交叉和融合。在课题设计和团队构成上以科学问题（而非研究单位）为目标来组织不同单位、不同学科背景的成员协同攻关，在技术途径采取力学、物理（数值模拟、力学可控、磁悬浮、同步辐射等）

21、与生物学（组学、动力学、生物信息学、细胞-分子生物学等）相结合的先进手段。这一综合、交叉的技术路线对于力学、物理、化学过程显著有别于地球表面的空间环境和多相、多组份、多尺度、复杂体系的生命系统而言，其重要性和必要性显而易见。5）研究手段定量：本项目着重强调对（微）重力下细胞生命活动的定量化。不仅在模型化研究层面，注重通过数值模拟及其虚拟实验开展量化预测、通过物理实验开展定量描述，而且在生物学验证层面，针对现有方法和仪器（回转器、旋转式生物反应器、随机指向装置等）所存在的模拟微重力效应与物质输运过程相互耦合、内部流场复杂且难以控制等问题，通过加强实验平台与验证体系建设，对实验条件、力学参数、物质

22、输运等进行量化和有效控制，使影响微重力下细胞生物学效应的其他因素（如流体剪切）得以逐步剥离或解耦。这与过去仅以地基实验为主但无法量化重力影响的研究方法有显著区别。4、取得重大突破的可行性分析：本项目可行性主要体现在：研究方向与国际本领域发展前沿一致，且具有创新思路；学术思想明确，关键科学技术问题清楚，有限目标适当，技术路线合理；所涉及的实验室具有与国外同类实验室相当的硬件条件和基础设施，其主要设备基本能够满足本项目的需求；研究队伍知识结构合理，交叉互补性强，有良好的研究经验和工作积累。尤其值得一提的是，研究团队多位骨干成员近年来利用神舟飞船、返回式卫星等我国稀少空间资源、以及国际合作的空间资源

23、开展空间飞行实验，积累了宝贵的第一手资料，对空间生命科学和空间生物技术的特征、难点、重点有较清晰的了解和认识。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年1） 调研和分析最新研究进展，尤其关注空间实验研究和地面、空间实验技术的研究成果。分析和评估现有地基微重力、超重力模拟实验装置和细胞力学加载实验装置。2） 建立（动物、植物）细胞生物力学模型，开展数值模拟分析及其虚拟实验。3） 制备脱钙骨胶原或其它生物材料的三维支架，控制和优选材料参数，并评价其生物相容性。4） 建立拟南芥细胞、骨细胞、免疫细胞以及各类干细胞的力学-生物学耦合研究体系。5） 设计、研制新型微重力、超重力地基模拟实验装置和细胞力学加载

24、实验装置。6） 完善细胞抗磁悬浮生长装置，并验证其可用性。7） 启动细胞力学-生物学耦合的生物学验证，初步研究模拟微重力环境下细胞形态、结构等的生物学变化。1） 总结（微）重力影响细胞生命活动的力学-生物学耦合规律研究和技术的最新进展和存在的问题。2） 初步建立不同力学因素与（微）重力环境耦合作用下细胞生物学行为的力学模型。基本完成（微）重力环境下细胞物质输运过程和微重力模拟实验装置的数值分析和模型化研究，为实验设计提供指导。3） 制备出具备良好物质输运环境、适用于不同细胞生长所需的支架材料。4） 获得预实验结果。5） 撰写论文10篇第二1） 建立模型骨组织内流体传输过程的力学模型，研究重力环

25、境改变对模型骨结构内物质输运过程的影响及其定量规律；针对重力环境改变所致的亚细胞结构位形和分布改变，开展数值模拟及其虚拟实验研究。2） 基于拟南芥细胞体系，开展淀粉体响应重力变化的分子-细胞学机制研究，和蛋白质组与信号分子的力学-生物学响应研究，基因组与转基因功能的力学-生物学响应研究，着手构建微重力效应刺激前后的两个小RNA库。3） 基于骨系细胞，建立骨微结构与骨系细胞耦合的生物力学模型，开展（微）重力下流体传输和物质输运过程对骨细胞生物学响应、骨组织生长和重建的验证性研究。应用芯片技术及生物信息学方法，通量筛选骨系细胞中对（微）重力敏感的关键调控分子。研究（微）重力对细胞增殖、分化、凋亡的

26、影响；利用适合干细胞生长的脱钙骨胶原或其它生物材料的三维支架进行模拟体内干细胞生长环境的细胞培养实验。4） 基于免疫细胞模型，考察（微）重力环境与生理流动（血流或淋巴液流动）环境协同作用影响免疫细胞聚集和粘附动力学的耦合规律及其分子调控机制（如选择素、整合素、GTPases等）。5） 发展基于模式化表面、微流控、微制作、磁悬浮等新技术的空间细胞生物力学新方法，建立适用于两类细胞二维和三维可控生长的新型地基研究仪器及空间实验装置。6） 利用旋转培养器和强磁悬浮微重力模拟装置展开实验，研究PKD2、MACF1等分子或通路在细胞响应不同力学因素中的表达特征及生物功能。同时研究钙离子/钙调蛋白、Rho

27、和Wnt/-catenin等信号通路在不同力学因素中的调制变化情况。1） 初步建立骨微结构与骨系细胞耦合的生物力学模型，得到模拟（微）重力下流体传输和物质输运过程特征数据。2） 发展基于模式化表面、微流控、微制作、磁悬浮等新技术的（空间）细胞生物力学新方法，建立适用于两类细胞二维和三维可控生长的新型地基研究仪器及空间实验装置。3） 建立有别于地基常规实验的方法学体系，得到植物向重力性研究的初步数据。4） 获得骨系细胞、免疫细胞、干细胞及相关动物细胞在响应不同力学因素中的表达特征及生物功能实验结果。5） 初步筛选骨系细胞、免疫细胞及相关细胞中对（微）重力敏感的关键调控分子。6） 撰写论文15-2

28、0篇7） 申请专利4-5项。第三1） 基于拟南芥细胞体系，对植物向重力反应中关键蛋白在质膜表面或近膜区的存在状态及其动力学特征进行单分子分析，揭示植物响应重力性分子-细胞学机制。克隆转录组基因相互作用关系网络的关键基因、枢纽基因，并构建上述关键基因的过表达、基因干扰的植株。筛选对重力变化敏感的细胞骨架的关键调控蛋白质分子。大规模分析微重力效应刺激下小RNA表达变化，获取与微重力效应刺激有关的小RNA。2） 观测不同力学作用下细胞增殖、代谢、分泌和运动、变形以及细胞间聚集、粘附的动力学过程，细胞骨架动态组装和重排，细胞器移位的运动轨迹、速率、模式及其相关内膜系统转运的动态响应，感知、传递力学信号

29、的关键蛋白的定位和状态及其向生物化学信号转换、传导的动态规律和分子机制，建立重力改变所致的细胞-亚细胞-分子层次响应机制间的相互关联。3） 分析（微）重力对不同动物细胞分子响应的共性与各自特点，逐步确定（微）重力对动物细胞影响的主要调控网络图。考察不同力学因素作用下单个细胞（动物、植物）生物学响应及其对亚细胞结构位形和分布、以及胞质环流的影响规律。4） 考察模型骨组织在地基模拟微重力与不同力学因素耦合作用下模型骨结构内部物质输运变化规律及其对生物矿化过程影响。5） 开展对重力敏感蛋白的生物学功能分析。研究细胞外基质（ECM）-整合素（Integrin）-细胞骨架（CSK）及其下游力学-化学信号

30、耦合相关分子（如FAK）在（微）重力环境之下的变化。针对部分目标蛋白设计、构建过表达载体或者用于RNA干扰实验的siRNA。6） 基于组学分析结果，挑选部分（微）重力敏感基因进行分子/细胞生物学方法验证，修正（微）重力影响动物细胞调控网络图。7） 通过亚细胞水平观察和分子信号转导途径的研究来阐述（微）重力对干细胞行为变化的影响（包括干细胞非对称分裂、细胞粘附、细胞迁移以及细胞凋亡等）。8） 利用构建的三维支架-干细胞体系考察不同力学因素与生化因子单独或协同作用下干细胞分化的力学-生物学耦合规律，比较微重力与常重力下干细胞分化能力的异同（包括分化方向、速度、效率等）。1） 获取实验、模拟数据，并

31、进一步修正实验方案，分析实验结果。2） 获得检验平衡石假说的实验数据，探讨植物细胞响应（微）重力信号的关键功能分子在植物向重力性变化的主要作用机制。3） 初步建立重力改变所致的细胞-亚细胞-分子层次响应机制间的相互关联。并分析（微）重力对不同动物细胞分子响应的共性与各自特点。4） 初步揭示微重力条件下，三维培养的干细胞的增殖分化规律。进一步明晰微重力条件对干细胞行为的影响。5） 发表论文15-20篇。6） 申请专利4-6项。第四1） 开展生物力学实验和数值模拟及其虚拟实验的比较研究。2） 研究可控力学作用下关键蛋白在细胞内表达、分布以及修饰及功能的变化，以及组成蛋白和调节蛋白分布、定位及表达的影响，了解参与重力感