人多能干細胞（hPSCs）在微重力環(huán)境下的生長和發(fā)育呈現(xiàn)出與地面環(huán)境不同的特性，這些變化既涉及細胞形態(tài)、增殖分化的調(diào)控，也涉及基因表達和信號通路的重塑。以下從多個維度解析其影響及機制，并結合研究案例說明潛在應用價值。

一、微重力對 hPSCs 生長特性的影響

1. 細胞形態(tài)與三維結構形成

• 地面環(huán)境：hPSCs 通常以貼壁方式生長，形成扁平的克隆集落，依賴細胞外基質(zhì)（如 Matrigel）維持多能性。

• 微重力環(huán)境：

• 細胞傾向于懸浮生長，自發(fā)形成三維球體（擬胚體，EBs），無需人工誘導。例如，在旋轉生物反應器（RCCS）中培養(yǎng)的 hPSCs 可形成直徑均勻的球體，內(nèi)部細胞間連接更緊密（如 E - 鈣粘蛋白表達上調(diào)）。

• 三維結構可能模擬早期胚胎發(fā)育的微環(huán)境，促進細胞間信號傳導（如 Wnt/β - catenin 通路激活），進而影響多能性維持。

  
  

2. 增殖與多能性維持

• 增殖速率：部分研究顯示，微重力可輕度抑制 hPSCs 的增殖速率，但延長培養(yǎng)時間后，細胞總數(shù)與地面組無顯著差異，可能與細胞周期調(diào)控基因（如 Cyclin D1、p21）的動態(tài)平衡有關。

• 多能性標志物：

• 核心轉錄因子（Oct4、Sox2、Nanog）表達水平維持穩(wěn)定，但表觀遺傳修飾（如 DNA 甲基化、組蛋白乙酰化）可能改變。例如，太空實驗中 hPSCs 的 Oct4 啟動子區(qū)域甲基化水平降低，提示多能性狀態(tài)更易維持。

• 糖酵解代謝增強：微重力下 hPSCs 更依賴糖酵解供能，而非線粒體氧化磷酸化，這與胚胎干細胞的代謝特征相似，可能與其多能性維持相關。

  
  

二、微重力對 hPSCs 分化潛能的調(diào)控

1. 三胚層分化偏向性

• 神經(jīng)外胚層分化增強：
  在模擬微重力環(huán)境（如隨機定位機 RPM）中，hPSCs 向神經(jīng)外胚層（Nestin+、Pax6 + 細胞）的分化效率顯著提高，可能與 BMP 信號通路抑制和 Wnt 通路激活有關。例如，國際空間站實驗顯示，hPSCs 衍生的神經(jīng)前體細胞比例較地面組增加 30%。

• 中胚層分化調(diào)控差異：

• 心血管前體細胞（CPCs）分化：微重力可促進 hPSCs 向 CPCs 分化，伴隨 Isl1、Flk1 等標志物表達上調(diào)，可能與 YAP/TAZ 機械敏感通路激活有關。

• 造血分化：部分研究發(fā)現(xiàn)微重力抑制 hPSCs 向造血譜系分化，推測與細胞骨架微管解聚導致 SCF/c - Kit 信號傳導受阻有關。

• 內(nèi)胚層分化無顯著差異：向肝、胰腺等內(nèi)胚層細胞的分化能力在微重力下未觀察到明顯變化，但腸道類器官形成效率可能因三維結構優(yōu)化而提升。

  
  

2. 定向分化的功能成熟度

• 心肌細胞分化：
  hPSCs 衍生的心肌細胞（hiPSC - CMs）在微重力下表現(xiàn)出更成熟的電生理特性，如動作電位時程延長、鈣瞬變幅度增加，可能與肌小節(jié)結構組裝更完善相關。美國 NASA 的 “Cardiac Cells in Space” 實驗證實，太空培養(yǎng)的 hiPSC - CMs 收縮力提高 15%。

• 神經(jīng)元功能整合：
  微重力環(huán)境下分化的神經(jīng)元網(wǎng)絡形成更快，突觸密度增加，且對谷氨酸刺激的反應更敏感，提示其功能成熟度接近體內(nèi)水平，這為神經(jīng)退行性疾病模型構建提供了新方向。

  
  

三、分子機制：機械信號與基因表達重塑

1. 細胞骨架與機械轉導通路

• 微管解聚與 YAP/TAZ 激活：
  微重力誘導微管蛋白去乙酰化，導致細胞骨架軟化，機械敏感蛋白 YAP/TAZ 從細胞質(zhì)轉位至細胞核，調(diào)控多能性和分化相關基因（如調(diào)控 Nanog 維持多能性，或調(diào)控 Mesp1 促進中胚層分化）。

• 整合素信號通路抑制：
  貼壁依賴的整合素 α5β1 信號減弱，細胞轉向依賴非整合素黏附分子（如鈣粘蛋白），這可能觸發(fā) “懸浮應激” 反應，激活 p38 MAPK 通路，促進細胞向神經(jīng)外胚層命運決定。

2. 表觀遺傳與基因表達譜

• 染色質(zhì)重塑：
  微重力可降低組蛋白 H3K27me3 修飾水平，使神經(jīng)外胚層相關基因（如 Sox1、Pax6）染色質(zhì)區(qū)域更開放，促進轉錄激活。

• 非編碼 RNA 調(diào)控：
  太空實驗中發(fā)現(xiàn)，hPSCs 的 miR - 302 家族表達上調(diào)，靶向抑制細胞周期蛋白（CDK4/6），可能解釋增殖速率的輕度下降；同時，lncRNA HOTAIR 表達降低，與中胚層分化抑制相關。

  
  

微重力環(huán)境通過重塑細胞機械感知、信號通路和表觀遺傳狀態(tài)，顯著影響人多能干細胞的生長模式和分化潛能。這些特性不僅為解析人類早期發(fā)育和疾病機制提供了幫助，也為干細胞治療、器官芯片等領域開辟了新路徑。隨著地空聯(lián)動研究的深入，微重力三維培養(yǎng)系統(tǒng)有望成為連接基礎研究與臨床轉化的關鍵技術平臺。