微重力条件下骨髓间充质干细胞的骨细胞定向分化效应及其分子机制研究

Serious changes in human bone resulted from space microgravity is due to the decrease of bone tissue formation and development and the increase of bone loss. The major case of osseous changes may be attributable to that micorgravity inhibits osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells, and this inhibiting effect results in the unbalanced development of bone cells in skeletal system. The experimental results from SJ-10 satellite, cyclotron bioreactor and the rat tail suspension simulation showed that both real and simulated microgravity decreased the potential of ostoegenic differentiation and resulted in the trans-differentiation of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells from osteogenesis to adipogenesis. However, the relative molecular mechanism and key signaling molecules need to be further studied. We have performed the space experiments of osteogenic differentiation from human bone marrow mesenchymal stem cells (hBMSCs) with the space stem cell culture cassette in SJ-10 scientific satellite. In this study, we will explore the effects of space microgravity on signaling pathways special for osteogenesis/adipogenesis during osteogenic differentiation from hBMSCs, as well as the relative molecular mechanisms and key molecules by using cell samples collected from the re-entry module of SJ-10 scientific satellite. This study may establish a certain theoretical basis for regulating the potentials of osteogenic and adipogenic differentiation and improving the homeostasis of human skeletal system under space microgravity conditions.

太空微重力环境造成的严重骨质变化与骨细胞生成能力降低及骨质丢失增加有着重要关系。骨髓间充质干细胞是骨细胞的前体细胞，微重力造成骨髓间充质干细胞向骨细胞分化能力的降低，是导致骨骼系统失去骨细胞发育平衡的原因之一。不同的微重力效应实验研究已证实微重力环境可导致骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的潜能下降，并转向分化脂肪细胞。然而，微重力环境导致这种分化转向的分子机制有待于深入研究。我们已在实践十号返回式科学卫星的空间干细胞培养盒开展了人骨髓间充质干细胞定向诱导分化成骨细胞的实验。本项目拟在此基础上，通过天、地实验对比分析，研究在成骨细胞定向诱导分化条件下成骨/成脂分化相关的细胞信号通路变化，分析导致相关细胞信号通路活性改变的分子机制以及在调节相关细胞信号通路活性中发挥重要作用的关键信号分子，为将来研究空间微重力条件下调节和平衡成骨/成脂分化潜能、提高太空环境下人类骨骼系统内稳态性奠定理论基础。

骨髓间充质干细胞是成骨细胞的前体细胞，微重力造成骨髓间充质干细胞向骨细胞分化能力的降低，是导致骨骼系统失去骨细胞发育平衡的原因之一。不同的微重力效应实验研究已证实微重力环境可导致骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的潜能下降，并转向分化脂肪细胞。然而，微重力环境导致这种分化转向的分子机制有待于深入研究。我们已在实践十号返回式科学卫星的空间干细胞培养盒开展了人骨髓间充质干细胞定向诱导分化成骨细胞的实验。在此基础上，我们通过天/地实验对比，结合地面模拟微重力实验的结果，探究了微重力对成骨/成脂分化的潜能及相关基因表达谱的影响。结果发现，与地面正常重力条件相比，空间微重力条件或者模拟微重力条件皆抑制了成骨分化，促进了成脂分化。进一步分析基因表达谱发现与正常重力条件比较，空间微重力下成骨诱导两天的人间充质干细胞中546个基因的表达出现了显著的差异，其中243个基因上调，303个基因下调。对这些显著差异表达的基因分析表明胞外基质，细胞分裂等相关功能的基因表达明显下调，而一些细胞应急，细胞凋亡及信号转导方面基因有所上调。而模拟微重力结果也表明，微重力抑制了细胞分裂相关的信号通路。在此基础上，我们分析了微重力条件下成骨和成脂相关蛋白激酶与细胞信号分子活性的变化以及关键分子靶点及相关细胞信号通路的变化，结果表明，空间微重力分别通过 BMP2/Smad 通路和integrin/FAK/ERK 通路降低 RUNX2 的表达和活性， 从而抑制成骨分化。 而空间微重力促进了AKT/P38 MAPK的活化进而促进成脂相关基因的表达。同时，我们发现TRIB3有可能做为空间微重力的关键响应蛋白，促进了空间微重力条件下的成脂分化，FAK在其中起关键的作用。TRIB3的表达受FAK活性的调控，而空间微重力对FAK的活化抑制可能导致TRIB3的表达下调，从而解除TRIB3对AKT的抑制效应，促进成脂分化。本项目研究为后续进一步研究小分子药物调控空间微重力影响骨细胞分化相关的关键分子靶点以及相关药物的研发提供了科学基础。相关成果已发表在国际权威杂志上。