人多能干細(xì)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(xì)胞形態(tài)、增殖分化的調(diào)控，也涉及基因表達(dá)和信號通路的重塑。以下從多個(gè)維度解析其影響及機(jī)制，并結(jié)合研究案例說明潛在應(yīng)用價(jià)值。

一、微重力對 hPSCs 生長特性的影響

1. 細(xì)胞形態(tài)與三維結(jié)構(gòu)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(xì)胞外基質(zhì)（如 Matrigel）維持多能性。

• 微重力環(huán)境：

• 細(xì)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(dǎo)。例如，在旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器（RCCS）中培養(yǎng)的 hPSCs 可形成直徑均勻的球體，內(nèi)部細(xì)胞間連接更緊密（如 E - 鈣粘蛋白表達(dá)上調(diào)）。

• 三維結(jié)構(gòu)可能模擬早期胚胎發(fā)育的微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞間信號傳導(dǎo)（如 Wnt/β - catenin 通路激活），進(jìn)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(shí)間后，細(xì)胞總數(shù)與地面組無顯著差異，可能與細(xì)胞周期調(diào)控基因（如 Cyclin D1、p21）的動(dòng)態(tài)平衡有關(guān)。

• 多能性標(biāo)志物：

• 核心轉(zhuǎn)錄因子（Oct4、Sox2、Nanog）表達(dá)水平維持穩(wěn)定，但表觀遺傳修飾（如 DNA 甲基化、組蛋白乙?；┛赡芨淖儭＠?，太空實(shí)驗(yàn)中 hPSCs 的 Oct4 啟動(dòng)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(qiáng)：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(xì)胞的代謝特征相似，可能與其多能性維持相關(guān)。

  
  

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(qiáng)：
  在模擬微重力環(huán)境（如隨機(jī)定位機(jī) RPM）中，hPSCs 向神經(jīng)外胚層（Nestin+、Pax6 + 細(xì)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(guān)。例如，國際空間站實(shí)驗(yàn)顯示，hPSCs 衍生的神經(jīng)前體細(xì)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(xì)胞（CPCs）分化：微重力可促進(jìn) hPSCs 向 CPCs 分化，伴隨 Isl1、Flk1 等標(biāo)志物表達(dá)上調(diào)，可能與 YAP/TAZ 機(jī)械敏感通路激活有關(guān)。

• 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(xì)胞骨架微管解聚導(dǎo)致 SCF/c - Kit 信號傳導(dǎo)受阻有關(guān)。

• 內(nèi)胚層分化無顯著差異：向肝、胰腺等內(nèi)胚層細(xì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化而提升。

  
  

2. 定向分化的功能成熟度

• 心肌細(xì)胞分化：
  hPSCs 衍生的心肌細(xì)胞（hiPSC - CMs）在微重力下表現(xiàn)出更成熟的電生理特性，如動(dòng)作電位時(shí)程延長、鈣瞬變幅度增加，可能與肌小節(jié)結(jié)構(gòu)組裝更完善相關(guān)。美國 NASA 的 “Cardiac Cells in Space" 實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(luò)形成更快，突觸密度增加，且對谷氨酸刺激的反應(yīng)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(gòu)建提供了新方向。

  
  

三、分子機(jī)制：機(jī)械信號與基因表達(dá)重塑

1. 細(xì)胞骨架與機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

• 微管解聚與 YAP/TAZ 激活：
  微重力誘導(dǎo)微管蛋白去乙?；瑢?dǎo)致細(xì)胞骨架軟化，機(jī)械敏感蛋白 YAP/TAZ 從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核，調(diào)控多能性和分化相關(guān)基因（如調(diào)控 Nanog 維持多能性，或調(diào)控 Mesp1 促進(jìn)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(xì)胞轉(zhuǎn)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(yīng)激" 反應(yīng)，激活 p38 MAPK 通路，促進(jìn)細(xì)胞向神經(jīng)外胚層命運(yùn)決定。

2. 表觀遺傳與基因表達(dá)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(guān)基因（如 Sox1、Pax6）染色質(zhì)區(qū)域更開放，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄激活。

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

  
  

微重力環(huán)境通過重塑細(xì)胞機(jī)械感知、信號通路和表觀遺傳狀態(tài)，顯著影響人多能干細(xì)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(jī)制提供了幫助，也為干細(xì)胞治療、器官芯片等領(lǐng)域開辟了新路徑。隨著地空聯(lián)動(dòng)研究的深入，微重力三維培養(yǎng)系統(tǒng)有望成為連接基礎(chǔ)研究與臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)平臺。