(微)重力影響細(xì)胞生命活動(dòng)的力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律研究

1、項(xiàng)目名稱：（微）重力影響細(xì)胞生命活動(dòng)的力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律研究首席科學(xué)家：龍勉 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所起止年限：依托部門：中國(guó)科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)： 面向“載人航天與探月工程”的國(guó)家重大需求，在（微）重力影響細(xì)胞生命活動(dòng)領(lǐng)域開拓力學(xué)-生物學(xué)耦合的新研究方向，并力爭(zhēng)在細(xì)胞感知和響應(yīng)規(guī)律、細(xì)胞間相互作用、組織發(fā)生和重建等方面提出新概念、新思想和新方法；建立可在空間生命科學(xué)領(lǐng)域前沿開展高水平研究、數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)和生物學(xué)驗(yàn)證相結(jié)合的系統(tǒng)平臺(tái)；凝聚一支具有國(guó)際影響，整合力學(xué)、物理、生物學(xué)與航天科學(xué)與工程等學(xué)科的交叉研究團(tuán)隊(duì)；在前述三個(gè)基本科學(xué)問題上取得突破性進(jìn)展并發(fā)表重要科學(xué)論文；團(tuán)隊(duì)成員能夠經(jīng)

2、常性地在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)會(huì)議上做重要學(xué)術(shù)報(bào)告，并在相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)組織和刊物編委中任職；最終為在我國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室與空間站上開展科學(xué)目標(biāo)明確的空間生命科學(xué)研究奠定科學(xué)基礎(chǔ)，并為未來深空探測(cè)做好科學(xué)儲(chǔ)備。五年預(yù)期目標(biāo): 1）提出新概念、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律：開展細(xì)胞感知和響應(yīng)規(guī)律、細(xì)胞間相互作用、組織發(fā)生和重建等方面研究，提出動(dòng)物細(xì)胞感知（微）重力以及植物細(xì)胞響應(yīng)（微）重力的新概念和新假說，發(fā)現(xiàn)新的內(nèi)在規(guī)律或機(jī)制。2）建立力學(xué)-生物學(xué)耦合系統(tǒng)平臺(tái)：建立數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)和生物學(xué)驗(yàn)證等平臺(tái)，預(yù)期研制2-4臺(tái)（套）地基模擬微重力效應(yīng)的新儀器（設(shè)備）；提出空間硬件裝置基本框架和主要參數(shù)，預(yù)期解決2-3種關(guān)鍵技術(shù)、

3、研制2-4種關(guān)鍵部件。3）發(fā)表科學(xué)論文：預(yù)期在國(guó)際主流學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表論文80-90篇，其中IF3或TOP15%的50-60篇，IF10的10-15篇。4）申報(bào)科技專利：注重科學(xué)研究、定量方法和關(guān)鍵技術(shù)中新概念、新方法和新技術(shù)的形成和積累，預(yù)期申請(qǐng)發(fā)明專利10-15項(xiàng)。5）促進(jìn)人才培養(yǎng)：注重有志于微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)交叉研究的青年人才和研究生培養(yǎng)。培養(yǎng)優(yōu)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、學(xué)術(shù)思路： 本項(xiàng)目學(xué)術(shù)思路立足于國(guó)家重大需求和重大基礎(chǔ)科學(xué)問題相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)航天科學(xué)與空間生命科學(xué)的交叉與融合，力求在研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)、課題組織、研究方案制定等方面體現(xiàn)科學(xué)研

4、究的前沿性和國(guó)家需求的牽引性。項(xiàng)目將以“（微）重力影響細(xì)胞生命活動(dòng)”為主題，以“（微）重力下細(xì)胞力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律”為主線，開展（微）重力下細(xì)胞力學(xué)-生物學(xué)耦合過程的模型化研究、（動(dòng)物、植物）細(xì)胞對(duì)（微）重力的感知、傳導(dǎo)、響應(yīng)規(guī)律、（微）重力影響細(xì)胞間相互作用的定量規(guī)律、（微）重力影響組織發(fā)生和重建的基礎(chǔ)研究等相關(guān)研究，力爭(zhēng)在科學(xué)研究方面有創(chuàng)新性突破的同時(shí)，積極推動(dòng)相關(guān)的新概念、新方法、新技術(shù)和新裝置研究，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與驗(yàn)證體系建設(shè)，為未來空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)提供科學(xué)儲(chǔ)備和技術(shù)保障，并促進(jìn)高新技術(shù)的地面應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化。本項(xiàng)目采取數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)和生物學(xué)驗(yàn)證相結(jié)合的技術(shù)路線，以人類樣品、模式動(dòng)物（大/

5、小鼠）、模式植物（擬南芥）為研究對(duì)象、采用典型的細(xì)胞模型（骨系細(xì)胞、免疫細(xì)胞、干細(xì)胞、植物細(xì)胞），圍繞地球生物如何感知（微）重力信號(hào)及其信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)、地球生物如何適應(yīng)（微）重力環(huán)境、從生命科學(xué)與生物技術(shù)視角如何利用（微）重力環(huán)境資源等三個(gè)基本科學(xué)問題，開展（微）重力影響細(xì)胞生命活動(dòng)的力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律交叉研究，注重新思想和新觀點(diǎn)的形成，以及新概念、新方法和新手段的儲(chǔ)備。2、技術(shù)途徑： 本項(xiàng)目瞄準(zhǔn)（微）重力影響細(xì)胞生命活動(dòng)中的關(guān)鍵科學(xué)問題，采用典型細(xì)胞及其與基質(zhì)材料的復(fù)合物，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究與理論模擬、定性與定量手段，開展重力改變下細(xì)胞力學(xué)-生物學(xué)耦合的交叉研究，強(qiáng)調(diào)利用數(shù)值模擬、力學(xué)分析、定量測(cè)量

6、等前沿研究手段與先進(jìn)生物學(xué)手段的結(jié)合。其總體構(gòu)思如下圖所示：具體技術(shù)途徑概述如下：1）模型化研究：物質(zhì)輸運(yùn)過程：基于流固耦合理論建立模型骨材料內(nèi)流體輸運(yùn)過程的物理力學(xué)模型，通過理論分析和有限元計(jì)算析等數(shù)值方法研究不同粘性簡(jiǎn)單流體及復(fù)雜流體在復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)中的輸運(yùn)特性及規(guī)律。模型結(jié)構(gòu)材料制備：利用膠體晶體模板復(fù)型技術(shù)制備模型結(jié)構(gòu)材料，研究孔道中流體的輸運(yùn)行為、礦化結(jié)晶特點(diǎn)，以及力學(xué)作用下一維或二維生物特征孔道中流體的輸運(yùn)行為、對(duì)生物礦化影響；制備類生物骨的多尺度微孔三維支架材料，研究三維支架材料內(nèi)部流體輸運(yùn)特征?；剞D(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)微重力模擬：針對(duì)回轉(zhuǎn)器、旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器、平行或旋轉(zhuǎn)流動(dòng)

7、式生物反應(yīng)器開展內(nèi)部流場(chǎng)流體力學(xué)分析，提出合理的幾何、流體動(dòng)力參數(shù)和可控的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑ㄞD(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)半徑、流速等）。磁懸浮微重力模擬：基于電磁理論建立磁場(chǎng)與細(xì)胞（或組織）相互作用的物理力學(xué)模型，通過理論分析和數(shù)值模擬方法研究磁場(chǎng)分布和極化效應(yīng)，提出合理的幾何、磁場(chǎng)參數(shù)和可控的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑ù艌?chǎng)強(qiáng)度、梯度等）。細(xì)胞力學(xué)模型：建立基于細(xì)胞結(jié)構(gòu)（細(xì)胞膜（壁）、細(xì)胞骨架、細(xì)胞微粒、細(xì)胞核等）的物理力學(xué)模型，開展在（微）重力下（動(dòng)物、植物）細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和變形、細(xì)胞器移位、細(xì)胞骨架分布、胞質(zhì)環(huán)流，以及植物細(xì)胞壁在（微）重力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中作用的理論分析和數(shù)值模擬。2）力學(xué)作用方式：流體剪切：利用微流控技術(shù)并結(jié)合流體力學(xué)分析量

8、化培養(yǎng)液流動(dòng)和物質(zhì)輸運(yùn)條件，建立模擬空間強(qiáng)迫對(duì)流下動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)和分化、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和變形、細(xì)胞間相互作用與分子調(diào)控的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。牽拉和受壓：采用細(xì)胞拉伸顯微鏡技術(shù)（Cell Traction Microscopy）對(duì)細(xì)胞施加可控的基底拉伸，利用原子力顯微鏡探針技術(shù)和光鑷操控技術(shù)對(duì)細(xì)胞施加可控的壓力，建立模擬細(xì)胞自由面的受拉和細(xì)胞基底面的受壓等重力效應(yīng)下細(xì)胞生長(zhǎng)和分化、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和變形、細(xì)胞間相互作用與分子調(diào)控的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)：采用商業(yè)化細(xì)胞回轉(zhuǎn)器和旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器、以及自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器（多模態(tài)、應(yīng)力可控），通過上述模型化研究?jī)?yōu)化旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)半徑以避免附加較大的離心力、獲得“屏蔽”細(xì)

9、胞對(duì)重力方向感知的旋轉(zhuǎn)條件，可模擬細(xì)胞在空間微重力下的三維、懸浮生長(zhǎng)效應(yīng)；流體剪切對(duì)細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)可通過設(shè)置對(duì)照組加以解析。磁懸?。翰捎米灾餮邪l(fā)的抗磁物質(zhì)懸浮技術(shù)平臺(tái)，通過上述模型化研究?jī)?yōu)化梯度強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向以使細(xì)胞所受磁化力與重力大小相等、方向相反，可模擬空間微重力環(huán)境下細(xì)胞的受力狀態(tài)；磁場(chǎng)本身對(duì)細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)可通過設(shè)置對(duì)照組加以解析。超重：采用自主研發(fā)的超重離心機(jī)或商業(yè)化的離心機(jī)，研究細(xì)胞對(duì)模擬超重力效應(yīng)（1-10g）的生物學(xué)響應(yīng)，以提供所需的概念性驗(yàn)證方案。復(fù)合載荷：研制可在模擬微重力效應(yīng)同時(shí)對(duì)細(xì)胞施加不同力學(xué)載荷的新方法和新裝置，拓展力學(xué)作用方式。3）細(xì)胞模型與基質(zhì)材料：細(xì)胞模

10、型包括骨系細(xì)胞（成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞）、免疫細(xì)胞（淋巴細(xì)胞、中性粒細(xì)胞）及相關(guān)細(xì)胞（內(nèi)皮細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞）、干細(xì)胞（真皮來源前體細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞）、擬南芥及其愈傷組織細(xì)胞（根、莖與培養(yǎng)細(xì)胞）等四類?；|(zhì)材料包括生物類脫鈣骨膠原支架、非生物類（碳酸鈣）模擬骨基質(zhì)支架等兩類。4）細(xì)胞及組織功能性模型構(gòu)建：利用微模式化和微制作技術(shù)構(gòu)建形狀和面積受控的單個(gè)細(xì)胞模型、以及具有不同連接方式和尺度的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型，并據(jù)此建立骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的共培養(yǎng)系統(tǒng)；輔之以微流控技術(shù)還可建立免疫細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞間聚集和粘附乃至三種細(xì)胞間相互作用的功能模型。通過將骨系細(xì)胞或干細(xì)

11、胞與基質(zhì)材料復(fù)合、建立細(xì)胞與支架的三維共培養(yǎng)體系，輔之以上述力學(xué)刺激（剪切、拉、壓、回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)、磁懸?。瑯?gòu)建其動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)體系。5）細(xì)胞與亞細(xì)胞的力學(xué)-生物學(xué)響應(yīng)研究：利用全內(nèi)反射熒光顯微鏡（TIRFM）、轉(zhuǎn)盤式掃描共聚焦顯微鏡，結(jié)合熒光相關(guān)光譜（FCS）、熒光壽命成像（FLIM）、熒光漂白后恢復(fù)（FRAP）等成像技術(shù)，輔之以已建立的細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)（質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、內(nèi)含體）轉(zhuǎn)運(yùn)的熒光蛋白報(bào)告體系和（細(xì)胞器、細(xì)胞骨架、蛋白質(zhì)、胞內(nèi)鈣）特異性標(biāo)記方法（熒光、量子點(diǎn)），觀測(cè)不同力學(xué)作用下細(xì)胞增殖、代謝、分泌和運(yùn)動(dòng)、變形以及細(xì)胞間聚集、粘附的動(dòng)力學(xué)過程，細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)組裝和重排，細(xì)胞器（淀粉體、線粒

12、體等）移位的運(yùn)動(dòng)軌跡、速率、模式及其相關(guān)內(nèi)膜系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，感知、傳遞力學(xué)信號(hào)的關(guān)鍵蛋白的定位和狀態(tài)（寡聚化、膜駐留時(shí)間）及其向生物化學(xué)信號(hào)（胞質(zhì)鈣離子平衡以及細(xì)胞骨架排布）轉(zhuǎn)換、傳導(dǎo)的動(dòng)態(tài)規(guī)律和分子機(jī)制，建立重力改變所致的細(xì)胞-亞細(xì)胞-分子層次響應(yīng)機(jī)制間的相互關(guān)聯(lián)。6）蛋白質(zhì)組與信號(hào)分子的力學(xué)-生物學(xué)響應(yīng)研究：在植物細(xì)胞層面，利用雙向凝膠電泳和圖像分析技術(shù)獲取重力改變影響擬南芥細(xì)胞的相關(guān)蛋白質(zhì)，并開展差異表達(dá)蛋白質(zhì)的質(zhì)譜分析與鑒定。聯(lián)合應(yīng)用擬南芥cDNA測(cè)序數(shù)據(jù)檢驗(yàn)相關(guān)基因表達(dá)的功能，并結(jié)合生理學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究結(jié)果，初步確定細(xì)胞骨架在植物對(duì)重力信號(hào)響應(yīng)中作用的蛋白質(zhì)組基礎(chǔ)。利用熒光探針

13、實(shí)時(shí)觀測(cè)植物細(xì)胞內(nèi)H+和Ca2+離子濃度的變化，并結(jié)合非損傷離子選擇性電極分析植物細(xì)胞因重力改變所致的胞外H+、Ca2+的變化。采用不同的鈣離子通道抑制劑處理擬南芥細(xì)胞，并比較常重力、離心模擬超重效應(yīng)與回轉(zhuǎn)模擬微重力效應(yīng)后細(xì)胞骨架蛋白組的變化。在動(dòng)物細(xì)胞層面，采用比較蛋白質(zhì)組學(xué)方法篩選細(xì)胞對(duì)（微）重力敏感的關(guān)鍵蛋白，對(duì)所獲得的蛋白進(jìn)行功能驗(yàn)證（包括采用siRNA技術(shù)進(jìn)行體外功能驗(yàn)證，以及采用基因敲除技術(shù)、建立細(xì)胞及動(dòng)物模型進(jìn)行體內(nèi)功能驗(yàn)證等）。采用激光共聚焦掃描顯微鏡、RT-PCR、Western等方法研究可控力學(xué)作用下關(guān)鍵蛋白在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)、分布以及修飾及功能的變化，以及組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白分布

14、、定位及表達(dá)的影響，闡明參與重力感知和響應(yīng)的關(guān)鍵蛋白在力學(xué)信號(hào)傳遞與傳導(dǎo)中的作用。以細(xì)胞外基質(zhì)-整合素-細(xì)胞骨架-細(xì)胞器為軸線系統(tǒng)，研究在可控力學(xué)作用方式下Rho/ROCK、Wnt/b-catenin、鈣離子等信號(hào)通路在感知、傳導(dǎo)以及響應(yīng)（微）重力中的作用，以及力學(xué)因素對(duì)細(xì)胞物質(zhì)合成、能量代謝以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響。7）基因組與轉(zhuǎn)基因功能的力學(xué)-生物學(xué)響應(yīng)研究：利用基因芯片克隆受重力改變影響的擬南芥細(xì)胞基因相互作用關(guān)系網(wǎng)中的關(guān)鍵基因、樞紐基因，并構(gòu)建上述關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)基因植物（過表達(dá)、基因表達(dá)受干擾的植株）。通過遺傳操作的手段改變基因表達(dá)量，并對(duì)轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行繼代培養(yǎng)，獲得純化且可進(jìn)一步開展研究的轉(zhuǎn)

15、基因植物。選擇上述在重力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用的3-5個(gè)基因與報(bào)告基因（如GFP、RFP等）構(gòu)成融合基因，通過轉(zhuǎn)基因方法研究候選基因在過表達(dá)時(shí)或缺失（利用突變體）時(shí)植物細(xì)胞對(duì)重力的響應(yīng)、候選基因與信號(hào)分子之間的關(guān)聯(lián)性，初步確定（微）重力影響植物細(xì)胞骨架信號(hào)通路的關(guān)鍵靶點(diǎn)、關(guān)鍵基因與蛋白質(zhì)，建立改變影響植物基因表達(dá)變化的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，開展（微）重力影響擬南芥細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的研究。8）小RNA的力學(xué)-生物學(xué)響應(yīng)研究：利用芯片分析獲得（微）重力刺激下擬南芥細(xì)胞小RNA表達(dá)的動(dòng)力學(xué)變化。通過測(cè)序獲得大量小RNA序列，并構(gòu)建小RNA文庫(kù)用以對(duì)比小RNA的差異表達(dá)。利用RT-PCR分析小RNA前體的表

16、達(dá)量和Northern雜交等手段驗(yàn)證差異表達(dá)的小RNA。利用生物信息學(xué)方法分析基因作用的靶點(diǎn)并預(yù)測(cè)其可能的功能，確定與重力感知相關(guān)的候選基因。將候選基因克隆、構(gòu)建載體，在擬南芥中過量表達(dá)、觀察表型。利用Target Mimicry等方法驗(yàn)證與重力感知相關(guān)的小RNA靶基因的功能。研究與重力感應(yīng)相關(guān)的小RNA與生長(zhǎng)素響應(yīng)因子之間的相關(guān)性，探索（微）重力在細(xì)胞生命活動(dòng)中的作用及影響。9）細(xì)胞間相互作用與組織重建的力學(xué)-生物學(xué)響應(yīng)研究：利用全內(nèi)反射熒光顯微鏡、轉(zhuǎn)盤式掃描共聚焦顯微鏡，結(jié)合熒光成像技術(shù)，觀測(cè)不同力學(xué)作用下細(xì)胞間聚集、粘附動(dòng)力學(xué)過程和細(xì)胞-細(xì)胞（基質(zhì)）間相互作用模式。制備結(jié)構(gòu)特征（孔隙率及

17、空隙分布、貫通性、表面物理性質(zhì)）和力學(xué)性質(zhì)（彈性、強(qiáng)度）可控的非生物類（碳酸鈣）三維支架材料和小牛松質(zhì)骨的生物類脫鈣骨基質(zhì)材料，并通過成纖維細(xì)胞增殖和凋亡分析來評(píng)價(jià)其生物相容性。利用免疫組化、顯微動(dòng)態(tài)觀察等方法考察在二維基質(zhì)上或三維支架材料內(nèi)細(xì)胞的增殖和分化狀態(tài)，并通過三維粒子速度成像儀觀察與流體力學(xué)數(shù)值模擬研究細(xì)胞周圍的物質(zhì)輸運(yùn)過程。應(yīng)用免疫組化、流式細(xì)胞儀、顯微動(dòng)態(tài)觀測(cè)等方法鑒定干細(xì)胞表面標(biāo)志物和向骨系細(xì)胞誘導(dǎo)分化的細(xì)胞形態(tài)和標(biāo)志產(chǎn)物（鈣沉積、堿性磷酸酶、I型膠原、骨鈣素等），分析可控力學(xué)作用下干細(xì)胞的增殖和凋亡。分別從基因、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)水平考察模擬微重力效應(yīng)對(duì)干細(xì)胞分化的力學(xué)-生物學(xué)耦合

18、作用及其信號(hào)通路（整合素、Wnt/b-catenin、P63、Notch、NF-kB、PKC、Ras-MAPK等），確認(rèn)（微）重力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞骨架表達(dá)改變及其信號(hào)途徑（FAK、PKC）。了解（微）重力對(duì)細(xì)胞與骨基質(zhì)材料粘附的影響以及對(duì)三維培養(yǎng)的干細(xì)胞分化的傳導(dǎo)機(jī)制（ERK、P38、JNK等）。將誘導(dǎo)干細(xì)胞分化而成的骨系細(xì)胞培養(yǎng)于骨基質(zhì)材料上并移植于小動(dòng)物骨損傷模型，考察在移植前后施加（微）重力作用下體內(nèi)骨形成的過程（鈣沉積、堿磷酶合成量、形態(tài)學(xué)觀察）。3、創(chuàng)新點(diǎn)與特色： 本項(xiàng)目凝煉航天科學(xué)與生命科學(xué)交叉的重大科學(xué)問題，選取國(guó)際上處于科學(xué)前沿且尚待發(fā)展、國(guó)內(nèi)具有較好研究基礎(chǔ)的課題開展研究，充分

19、體現(xiàn)多學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)與特色，課題之間相互有機(jī)聯(lián)系。該項(xiàng)目的順利實(shí)施將為空間生命科學(xué)研究和人類空間活動(dòng)提供新概念、新思想和新方法。其主要特色與創(chuàng)新之處體現(xiàn)在：1）學(xué)術(shù)思想前沿：本項(xiàng)目針對(duì)航天員健康和空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)等航天科學(xué)重要領(lǐng)域，立論于重力環(huán)境對(duì)地球生物演化的作用及其規(guī)律和空間環(huán)境對(duì)生命體生理穩(wěn)態(tài)的影響規(guī)律及其機(jī)理等兩個(gè)重大科學(xué)背景，并在細(xì)胞這一生命體基本單元層面展開（微）重力影響生命活動(dòng)基本過程和規(guī)律的科學(xué)研究。其學(xué)術(shù)思想的前沿性體現(xiàn)在抓住空間微重力環(huán)境影響生命體生命活動(dòng)的根本原因源自于細(xì)胞對(duì)（微）重力的感知和響應(yīng)過程這一關(guān)鍵要素，從分析物質(zhì)輸運(yùn)過程、量化微重力模擬效應(yīng)、建立細(xì)胞力學(xué)模型

20、等方面模型化研究著手，在組織、細(xì)胞、蛋白質(zhì)與基因等層面上由表及里、相互關(guān)聯(lián)、互為驗(yàn)證。2）科學(xué)問題核心：本項(xiàng)目所提出的（微）重力下細(xì)胞力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律是保障航天員健康和構(gòu)建空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵問題，同時(shí)也是本項(xiàng)目有別于傳統(tǒng)空間基礎(chǔ)生物學(xué)、空間生物技術(shù)、空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)以及空間生理學(xué)與醫(yī)學(xué)的特色所在。對(duì)動(dòng)物細(xì)胞的研究針對(duì)航天員短期飛行適應(yīng)性和長(zhǎng)期飛行生理閾值、對(duì)組織發(fā)生和重建與干細(xì)胞生長(zhǎng)和分化研究針對(duì)空間胚胎發(fā)育與組織發(fā)生、對(duì)高等植物細(xì)胞的研究針對(duì)空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)，并結(jié)合空間微重力環(huán)境動(dòng)物骨質(zhì)流失和免疫功能抑制、擬南芥發(fā)育異常等典型生理過程，兼顧有限目標(biāo)和重大意義的平衡。

21、3）研究方法新穎：本項(xiàng)目采用模型化研究、物理實(shí)驗(yàn)與生物學(xué)驗(yàn)證相互驗(yàn)證的新研究方法，通過數(shù)值模擬可開展任意改變重力水平（零重力、微重力、常重力乃至超重力）的虛擬實(shí)驗(yàn)、并比較重力改變所致的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)差異，提出（微）重力影響細(xì)胞物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律和物理化學(xué)過程的新概念和新思想；進(jìn)一步，通過建立地基物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、可從生物力學(xué)視角實(shí)現(xiàn)對(duì)地基重力作用的進(jìn)行分解（流動(dòng)剪切、拉、壓、懸浮等），并對(duì)新概念和新思想展開驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；最終，可通過生物學(xué)驗(yàn)證提供實(shí)證的支持。這一過程可反復(fù)迭代，以期逐步預(yù)測(cè)、驗(yàn)證并深化對(duì)（微）重力下細(xì)胞的力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律及其機(jī)理的認(rèn)識(shí)。4）技術(shù)路線交叉：本項(xiàng)目充分體現(xiàn)細(xì)胞-分子生物學(xué)、

22、系統(tǒng)生物學(xué)、生物信息學(xué)與力學(xué)、物理以及工程科學(xué)等的交叉和融合。在課題設(shè)計(jì)和團(tuán)隊(duì)構(gòu)成上以科學(xué)問題（而非研究單位）為目標(biāo)來組織不同單位、不同學(xué)科背景的成員協(xié)同攻關(guān)，在技術(shù)途徑采取力學(xué)、物理（數(shù)值模擬、力學(xué)可控、磁懸浮、同步輻射等）與生物學(xué)（組學(xué)、動(dòng)力學(xué)、生物信息學(xué)、細(xì)胞-分子生物學(xué)等）相結(jié)合的先進(jìn)手段。這一綜合、交叉的技術(shù)路線對(duì)于力學(xué)、物理、化學(xué)過程顯著有別于地球表面的空間環(huán)境和多相、多組份、多尺度、復(fù)雜體系的生命系統(tǒng)而言，其重要性和必要性顯而易見。5）研究手段定量：本項(xiàng)目著重強(qiáng)調(diào)對(duì)（微）重力下細(xì)胞生命活動(dòng)的定量化。不僅在模型化研究層面，注重通過數(shù)值模擬及其虛擬實(shí)驗(yàn)開展量化預(yù)測(cè)、通過物理實(shí)驗(yàn)開展定

23、量描述，而且在生物學(xué)驗(yàn)證層面，針對(duì)現(xiàn)有方法和儀器（回轉(zhuǎn)器、旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器、隨機(jī)指向裝置等）所存在的模擬微重力效應(yīng)與物質(zhì)輸運(yùn)過程相互耦合、內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜且難以控制等問題，通過加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與驗(yàn)證體系建設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件、力學(xué)參數(shù)、物質(zhì)輸運(yùn)等進(jìn)行量化和有效控制，使影響微重力下細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的其他因素（如流體剪切）得以逐步剝離或解耦。這與過去僅以地基實(shí)驗(yàn)為主但無法量化重力影響的研究方法有顯著區(qū)別。4、取得重大突破的可行性分析： 本項(xiàng)目可行性主要體現(xiàn)在：研究方向與國(guó)際本領(lǐng)域發(fā)展前沿一致，且具有創(chuàng)新思路；學(xué)術(shù)思想明確，關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題清楚，有限目標(biāo)適當(dāng)，技術(shù)路線合理；所涉及的實(shí)驗(yàn)室具有與國(guó)外同類實(shí)驗(yàn)室相當(dāng)?shù)挠?/p>

24、件條件和基礎(chǔ)設(shè)施，其主要設(shè)備基本能夠滿足本項(xiàng)目的需求；研究隊(duì)伍知識(shí)結(jié)構(gòu)合理，交叉互補(bǔ)性強(qiáng)，有良好的研究經(jīng)驗(yàn)和工作積累。尤其值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)多位骨干成員近年來利用神舟飛船、返回式衛(wèi)星等我國(guó)稀少空間資源、以及國(guó)際合作的空間資源開展空間飛行實(shí)驗(yàn)，積累了寶貴的第一手資料，對(duì)空間生命科學(xué)和空間生物技術(shù)的特征、難點(diǎn)、重點(diǎn)有較清晰的了解和認(rèn)識(shí)。四、年度計(jì)劃年度研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年1） 調(diào)研和分析最新研究進(jìn)展，尤其關(guān)注空間實(shí)驗(yàn)研究和地面、空間實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究成果。分析和評(píng)估現(xiàn)有地基微重力、超重力模擬實(shí)驗(yàn)裝置和細(xì)胞力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)裝置。2） 建立（動(dòng)物、植物）細(xì)胞生物力學(xué)模型，開展數(shù)值模擬分析及其虛擬實(shí)驗(yàn)。3

25、） 制備脫鈣骨膠原或其它生物材料的三維支架，控制和優(yōu)選材料參數(shù)，并評(píng)價(jià)其生物相容性。4） 建立擬南芥細(xì)胞、骨細(xì)胞、免疫細(xì)胞以及各類干細(xì)胞的力學(xué)-生物學(xué)耦合研究體系。5） 設(shè)計(jì)、研制新型微重力、超重力地基模擬實(shí)驗(yàn)裝置和細(xì)胞力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)裝置。6） 完善細(xì)胞抗磁懸浮生長(zhǎng)裝置，并驗(yàn)證其可用性。7） 啟動(dòng)細(xì)胞力學(xué)-生物學(xué)耦合的生物學(xué)驗(yàn)證，初步研究模擬微重力環(huán)境下細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)等的生物學(xué)變化。1） 總結(jié)（微）重力影響細(xì)胞生命活動(dòng)的力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律研究和技術(shù)的最新進(jìn)展和存在的問題。2） 初步建立不同力學(xué)因素與（微）重力環(huán)境耦合作用下細(xì)胞生物學(xué)行為的力學(xué)模型?；就瓿桑ㄎⅲ┲亓Νh(huán)境下細(xì)胞物質(zhì)輸運(yùn)過程和微重

26、力模擬實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)值分析和模型化研究，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。3） 制備出具備良好物質(zhì)輸運(yùn)環(huán)境、適用于不同細(xì)胞生長(zhǎng)所需的支架材料。4） 獲得預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。5） 撰寫論文10篇第二年1） 建立模型骨組織內(nèi)流體傳輸過程的力學(xué)模型，研究重力環(huán)境改變對(duì)模型骨結(jié)構(gòu)內(nèi)物質(zhì)輸運(yùn)過程的影響及其定量規(guī)律；針對(duì)重力環(huán)境改變所致的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)位形和分布改變，開展數(shù)值模擬及其虛擬實(shí)驗(yàn)研究。2） 基于擬南芥細(xì)胞體系，開展淀粉體響應(yīng)重力變化的分子-細(xì)胞學(xué)機(jī)制研究，和蛋白質(zhì)組與信號(hào)分子的力學(xué)-生物學(xué)響應(yīng)研究，基因組與轉(zhuǎn)基因功能的力學(xué)-生物學(xué)響應(yīng)研究，著手構(gòu)建微重力效應(yīng)刺激前后的兩個(gè)小RNA庫(kù)。3） 基于骨系細(xì)胞，建立骨微結(jié)構(gòu)與骨系

27、細(xì)胞耦合的生物力學(xué)模型，開展（微）重力下流體傳輸和物質(zhì)輸運(yùn)過程對(duì)骨細(xì)胞生物學(xué)響應(yīng)、骨組織生長(zhǎng)和重建的驗(yàn)證性研究。應(yīng)用芯片技術(shù)及生物信息學(xué)方法，通量篩選骨系細(xì)胞中對(duì)（微）重力敏感的關(guān)鍵調(diào)控分子。研究（微）重力對(duì)細(xì)胞增殖、分化、凋亡的影響；利用適合干細(xì)胞生長(zhǎng)的脫鈣骨膠原或其它生物材料的三維支架進(jìn)行模擬體內(nèi)干細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境的細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。4） 基于免疫細(xì)胞模型，考察（微）重力環(huán)境與生理流動(dòng)（血流或淋巴液流動(dòng)）環(huán)境協(xié)同作用影響免疫細(xì)胞聚集和粘附動(dòng)力學(xué)的耦合規(guī)律及其分子調(diào)控機(jī)制（如選擇素、整合素、GTPases等）。5） 發(fā)展基于模式化表面、微流控、微制作、磁懸浮等新技術(shù)的空間細(xì)胞生物力學(xué)新方法，建立適用

28、于兩類細(xì)胞二維和三維可控生長(zhǎng)的新型地基研究?jī)x器及空間實(shí)驗(yàn)裝置。6） 利用旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)器和強(qiáng)磁懸浮微重力模擬裝置展開實(shí)驗(yàn)，研究PKD2、MACF1等分子或通路在細(xì)胞響應(yīng)不同力學(xué)因素中的表達(dá)特征及生物功能。同時(shí)研究鈣離子/鈣調(diào)蛋白、Rho和Wnt/-catenin等信號(hào)通路在不同力學(xué)因素中的調(diào)制變化情況。1） 初步建立骨微結(jié)構(gòu)與骨系細(xì)胞耦合的生物力學(xué)模型，得到模擬（微）重力下流體傳輸和物質(zhì)輸運(yùn)過程特征數(shù)據(jù)。2） 發(fā)展基于模式化表面、微流控、微制作、磁懸浮等新技術(shù)的（空間）細(xì)胞生物力學(xué)新方法，建立適用于兩類細(xì)胞二維和三維可控生長(zhǎng)的新型地基研究?jī)x器及空間實(shí)驗(yàn)裝置。3） 建立有別于地基常規(guī)實(shí)驗(yàn)的方法學(xué)體系，

29、得到植物向重力性研究的初步數(shù)據(jù)。4） 獲得骨系細(xì)胞、免疫細(xì)胞、干細(xì)胞及相關(guān)動(dòng)物細(xì)胞在響應(yīng)不同力學(xué)因素中的表達(dá)特征及生物功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果。5） 初步篩選骨系細(xì)胞、免疫細(xì)胞及相關(guān)細(xì)胞中對(duì)（微）重力敏感的關(guān)鍵調(diào)控分子。6） 撰寫論文15-20篇7） 申請(qǐng)專利4-5項(xiàng)。第三年1） 基于擬南芥細(xì)胞體系，對(duì)植物向重力反應(yīng)中關(guān)鍵蛋白在質(zhì)膜表面或近膜區(qū)的存在狀態(tài)及其動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行單分子分析，揭示植物響應(yīng)重力性分子-細(xì)胞學(xué)機(jī)制?？寺∞D(zhuǎn)錄組基因相互作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基因、樞紐基因，并構(gòu)建上述關(guān)鍵基因的過表達(dá)、基因干擾的植株。篩選對(duì)重力變化敏感的細(xì)胞骨架的關(guān)鍵調(diào)控蛋白質(zhì)分子。大規(guī)模分析微重力效應(yīng)刺激下小RNA表達(dá)變化，

30、獲取與微重力效應(yīng)刺激有關(guān)的小RNA。2） 觀測(cè)不同力學(xué)作用下細(xì)胞增殖、代謝、分泌和運(yùn)動(dòng)、變形以及細(xì)胞間聚集、粘附的動(dòng)力學(xué)過程，細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)組裝和重排，細(xì)胞器移位的運(yùn)動(dòng)軌跡、速率、模式及其相關(guān)內(nèi)膜系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，感知、傳遞力學(xué)信號(hào)的關(guān)鍵蛋白的定位和狀態(tài)及其向生物化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳導(dǎo)的動(dòng)態(tài)規(guī)律和分子機(jī)制，建立重力改變所致的細(xì)胞-亞細(xì)胞-分子層次響應(yīng)機(jī)制間的相互關(guān)聯(lián)。3） 分析（微）重力對(duì)不同動(dòng)物細(xì)胞分子響應(yīng)的共性與各自特點(diǎn)，逐步確定（微）重力對(duì)動(dòng)物細(xì)胞影響的主要調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖?？疾觳煌W(xué)因素作用下單個(gè)細(xì)胞（動(dòng)物、植物）生物學(xué)響應(yīng)及其對(duì)亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)位形和分布、以及胞質(zhì)環(huán)流的影響規(guī)律。4） 考察模型骨組

31、織在地基模擬微重力與不同力學(xué)因素耦合作用下模型骨結(jié)構(gòu)內(nèi)部物質(zhì)輸運(yùn)變化規(guī)律及其對(duì)生物礦化過程影響。5） 開展對(duì)重力敏感蛋白的生物學(xué)功能分析。研究細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）-整合素（Integrin）-細(xì)胞骨架（CSK）及其下游力學(xué)-化學(xué)信號(hào)耦合相關(guān)分子（如FAK）在（微）重力環(huán)境之下的變化。針對(duì)部分目標(biāo)蛋白設(shè)計(jì)、構(gòu)建過表達(dá)載體或者用于RNA干擾實(shí)驗(yàn)的siRNA。6） 基于組學(xué)分析結(jié)果，挑選部分（微）重力敏感基因進(jìn)行分子/細(xì)胞生物學(xué)方法驗(yàn)證，修正（微）重力影響動(dòng)物細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖。7） 通過亞細(xì)胞水平觀察和分子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究來闡述（微）重力對(duì)干細(xì)胞行為變化的影響（包括干細(xì)胞非對(duì)稱分裂、細(xì)胞粘附、細(xì)胞遷

32、移以及細(xì)胞凋亡等）。8） 利用構(gòu)建的三維支架-干細(xì)胞體系考察不同力學(xué)因素與生化因子單獨(dú)或協(xié)同作用下干細(xì)胞分化的力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律，比較微重力與常重力下干細(xì)胞分化能力的異同（包括分化方向、速度、效率等）。1） 獲取實(shí)驗(yàn)、模擬數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步修正實(shí)驗(yàn)方案，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2） 獲得檢驗(yàn)平衡石假說的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討植物細(xì)胞響應(yīng)（微）重力信號(hào)的關(guān)鍵功能分子在植物向重力性變化的主要作用機(jī)制。3） 初步建立重力改變所致的細(xì)胞-亞細(xì)胞-分子層次響應(yīng)機(jī)制間的相互關(guān)聯(lián)。并分析（微）重力對(duì)不同動(dòng)物細(xì)胞分子響應(yīng)的共性與各自特點(diǎn)。4） 初步揭示微重力條件下，三維培養(yǎng)的干細(xì)胞的增殖分化規(guī)律。進(jìn)一步明晰微重力條件對(duì)干細(xì)胞行為

33、的影響。5） 發(fā)表論文15-20篇。6） 申請(qǐng)專利4-6項(xiàng)。第四年1） 開展生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬及其虛擬實(shí)驗(yàn)的比較研究。2） 研究可控力學(xué)作用下關(guān)鍵蛋白在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)、分布以及修飾及功能的變化，以及組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白分布、定位及表達(dá)的影響，了解參與重力感知和響應(yīng)的關(guān)鍵蛋白在力學(xué)信號(hào)傳遞與傳導(dǎo)中的作用。以細(xì)胞外基質(zhì)-整合素-細(xì)胞骨架-細(xì)胞器為軸線系統(tǒng)，研究在可控力學(xué)作用方式下Rho/ROCK、Wnt/b-catenin、鈣離子等信號(hào)通路在感知、傳導(dǎo)以及響應(yīng)（微）重力中的作用，以及力學(xué)因素對(duì)細(xì)胞物質(zhì)合成、能量代謝以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的影響。3） 通過構(gòu)建關(guān)鍵基因的過表達(dá)、基因干擾的植株，研究相關(guān)關(guān)鍵基因的

34、功能和（微）重力對(duì)其調(diào)控的機(jī)理，探索（微）重力的作用機(jī)理和生物學(xué)效應(yīng)。分析與（微）重力感知和響應(yīng)相關(guān)的小RNA與生長(zhǎng)素響應(yīng)因子之間的相關(guān)性，探索（微）重力在細(xì)胞生命活動(dòng)中的作用及影響。利用熒光探針實(shí)時(shí)檢測(cè)不同重力條件下細(xì)胞內(nèi)外H+和 Ca2+離子濃度的變化，對(duì)關(guān)鍵調(diào)控蛋白質(zhì)在重力信號(hào)傳導(dǎo)中的功能進(jìn)行驗(yàn)證。4） 研究粘著斑激酶FERM及其相關(guān)分子、細(xì)胞骨架、細(xì)胞膜以及胞外基質(zhì)等力學(xué)信號(hào)的感受器相關(guān)的蛋白在骨細(xì)胞力學(xué)特性、成骨細(xì)胞功能、免疫細(xì)胞活性中的生物學(xué)作用。5） 利用微模式化和微制作技術(shù)構(gòu)建形狀和面積受控的單個(gè)細(xì)胞模型、以及具有不同連接方式和尺度的細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)模型，并據(jù)此建立骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞、骨

35、細(xì)胞與破骨細(xì)胞的共培養(yǎng)系統(tǒng)；輔之以微流控技術(shù)還可建立免疫細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞間聚集和粘附乃至三種細(xì)胞間相互作用的功能模型。通過將骨系細(xì)胞或干細(xì)胞與基質(zhì)材料復(fù)合、建立細(xì)胞與支架的三維共培養(yǎng)體系，輔之以上述力學(xué)刺激（剪切、拉、壓、回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)、磁懸浮），構(gòu)建其動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)體系。6） 將誘導(dǎo)干細(xì)胞分化而成的骨系細(xì)胞培養(yǎng)于骨基質(zhì)材料上并移植于小動(dòng)物骨損傷模型，考察在移植前后施加（微）重力作用下體內(nèi)骨形成的過程（鈣沉積、堿磷酶合成量、形態(tài)學(xué)觀察）。1） 實(shí)驗(yàn)、模擬結(jié)果的對(duì)比分析、補(bǔ)充與完善。2） 進(jìn)一步了解參與重力感知和響應(yīng)的關(guān)鍵蛋白在力學(xué)信號(hào)傳遞與傳導(dǎo)中的作用，以及相關(guān)關(guān)鍵基因的功能和（微）重力對(duì)其調(diào)控的機(jī)理，探索（微）重力的作用機(jī)理和生物學(xué)效應(yīng)。3） 初步建立（微）重力下組織層次的研究體系。4） 發(fā)表論文20篇。5） 申請(qǐng)專利1-2項(xiàng)。第五年1） 通過移植動(dòng)物模型，深入探討微重力對(duì)骨組織形成和發(fā)生的影響，完成已開展的實(shí)驗(yàn)工作，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。重點(diǎn)總結(jié)分植物細(xì)胞對(duì)（微）重力的感知、傳導(dǎo)與響應(yīng)規(guī)律及其發(fā)生的關(guān)鍵分子網(wǎng)絡(luò)。2） 全面總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析（微）重力對(duì)不同動(dòng)物細(xì)胞分子響應(yīng)的共性與各自特點(diǎn)，以及動(dòng)物細(xì)胞對(duì)（微）重力的感知、傳導(dǎo)與響