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

1、項目名稱：（微）重力影響細(xì)胞生命活動的力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律研究首席科學(xué)家：龍勉 中國科學(xué)院力學(xué)研究所起止年限：2010.9至2015.9依托部門：中國科學(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”的國家重大需求，在（微）重力影響細(xì)胞生命活動領(lǐng)域開拓力學(xué)-生物學(xué)耦合的新研究方向，并力爭在細(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、物理實驗和生物學(xué)驗證相結(jié)合的系統(tǒng)平臺；凝聚一支具有國際影響，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；在前述三個基本科學(xué)問題上取得突破性進(jìn)展并發(fā)表重

2、要科學(xué)論文；團(tuán)隊成員能夠經(jīng)常性地在國際權(quán)威學(xué)術(shù)會議上做重要學(xué)術(shù)報告，并在相關(guān)領(lǐng)域的國際權(quán)威學(xué)術(shù)組織和刊物編委中任職；最終為在我國空間實驗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)，并為未來深空探測做好科學(xué)儲備。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：建立數(shù)值模擬、物理實驗和生物學(xué)驗證等平臺，預(yù)期研制2-4臺（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)，

3、預(yù)期解決2-3種關(guān)鍵技術(shù)、研制2-4種關(guān)鍵部件。3）發(fā)表科學(xué)論文：預(yù)期在國際主流學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表論文80-90篇，其中IF>3或TOP15%的50-60篇，IF>10的10-15篇。4）申報科技專利：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)期申請發(fā)明專利10-15項。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： 本項目學(xué)術(shù)思路立足于國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，力求在研究內(nèi)容設(shè)

4、計、課題組織、研究方案制定等方面體現(xiàn)科學(xué)研究的前沿性和國家需求的牽引性。項目將以“（微）重力影響細(xì)胞生命活動”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、（動物、植物）細(xì)胞對（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，力爭在科學(xué)研究方面有創(chuàng)新性突破的同時，積極推動相關(guān)的新概念、新方法、新技術(shù)和新裝置研究，加強(qiáng)實驗平臺與驗證體系建設(shè)，為未來空間實驗任務(wù)提供科學(xué)儲備和技術(shù)保障，并促進(jìn)高新技術(shù)的地面應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化。本項目采取數(shù)值模擬、物理實驗和生物學(xué)驗證相

5、結(jié)合的技術(shù)路線，以人類樣品、模式動物（大/小鼠）、模式植物（擬南芥）為研究對象、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）重力信號及其信號的轉(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)境資源等三個基本科學(xué)問題，開展（微）重力影響細(xì)胞生命活動的力學(xué)-生物學(xué)耦合規(guī)律交叉研究，注重新思想和新觀點的形成，以及新概念、新方法和新手段的儲備。2、技術(shù)途徑： 本項目瞄準(zhǔn)（微）重力影響細(xì)胞生命活動中的關(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)合實驗研究與理論模擬、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

6、研究，強(qiáng)調(diào)利用數(shù)值模擬、力學(xué)分析、定量測量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算析等數(shù)值方法研究不同粘性簡單流體及復(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，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：針對回轉(zhuǎn)器、旋轉(zhuǎn)壁式生

7、物反應(yīng)器、旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器、平行或旋轉(zhuǎn)流動式生物反應(yīng)器開展內(nèi)部流場流體力學(xué)分析，提出合理的幾何、流體動力參數(shù)和可控的實驗?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分布和極化效應(yīng)，提出合理的幾何、磁場參數(shù)和可控的實驗?zāi)Ｊ剑ù艌鰪?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（動物、植物）細(xì)胞運(yùn)動和變形、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

8、體剪切：利用微流控技術(shù)并結(jié)合流體力學(xué)分析量化培養(yǎng)液流動和物質(zhì)輸運(yùn)條件，建立模擬空間強(qiáng)迫對流下動物細(xì)胞生長和分化、細(xì)胞運(yùn)動和變形、細(xì)胞間相互作用與分子調(diào)控的實驗系統(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)胞生長和分化、細(xì)胞運(yùn)動和變形、細(xì)胞間相互作用與分子調(diào)控的實驗系統(tǒng)?；剞D(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優(yōu)化旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)

9、半徑以避免附加較大的離心力、獲得“屏蔽”細(xì)胞對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、懸浮生長效應(yīng)；流體剪切對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)可通過設(shè)置對照組加以解析。磁懸?。翰捎米灾餮邪l(fā)的抗磁物質(zhì)懸浮技術(shù)平臺，通過上述模型化研究優(yōu)化梯度強(qiáng)磁場的強(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)；磁場本身對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)可通過設(shè)置對照組加以解析。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)胞對模擬超重力效應(yīng)（1-10×g）的生物學(xué)響應(yīng)，以提供所需的概念性驗證方案。復(fù)合載荷：研制可在模擬微重力效應(yīng)同時對細(xì)胞施加不同力學(xué)載荷的新方法和新

10、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。基質(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

11、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?。?，構(gòu)建其動態(tài)生長體系。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），觀測不同力學(xué)作用下細(xì)胞增殖、代謝、分泌和運(yùn)動、變形以及細(xì)胞間聚集、粘附的動

12、力學(xué)過程，細(xì)胞骨架動態(tài)組裝和重排，細(xì)胞器（淀粉體、線粒體等）移位的運(yùn)動軌跡、速率、模式及其相關(guān)內(nèi)膜系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)的動態(tài)響應(yīng)，感知、傳遞力學(xué)信號的關(guān)鍵蛋白的定位和狀態(tài)（寡聚化、膜駐留時間）及其向生物化學(xué)信號（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測序數(shù)據(jù)檢驗相關(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

13、在植物對重力信號響應(yīng)中作用的蛋白質(zhì)組基礎(chǔ)。利用熒光探針實時觀測植物細(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（微）重力敏感的關(guān)鍵蛋白，對所獲得的蛋白進(jìn)行功能驗證（包括采用siRNA技術(shù)進(jìn)行體外功能驗證，以及采用基因敲除技術(shù)、建立細(xì)胞及動物模型進(jìn)行體內(nèi)功能驗證等）。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)

14、、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，闡明參與重力感知和響應(yīng)的關(guān)鍵蛋白在力學(xué)信號傳遞與傳導(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)因素對細(xì)胞物質(zhì)合成、能量代謝以及信號轉(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

15、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)基因植物。選擇上述在重力信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用的3-5個基因與報告基因（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)時或缺失（利用突變體）時植物細(xì)胞對重力的響應(yīng)、候選基因與信號分子之間的關(guān)聯(lián)性，初步確定（微）重力影響植物細(xì)胞骨架信號通路的關(guān)鍵靶點、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，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)的動力學(xué)變化。通過測序獲得大量小RNA序列，并構(gòu)建小RNA文庫用以對比小

16、RNA的差異表達(dá)。利用RT-PCR分析小RNA前體的表達(dá)量和Northern雜交等手段驗證差異表達(dá)的小RNA。利用生物信息學(xué)方法分析基因作用的靶點并預(yù)測其可能的功能，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)，觀測不同力學(xué)作用下細(xì)胞間聚集、粘附動力學(xué)過程和細(xì)

17、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價其生物相容性。利用免疫組化、顯微動態(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、顯微動態(tài)觀測等方法鑒定干細(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

18、質(zhì)水平考察模擬微重力效應(yīng)對干細(xì)胞分化的力學(xué)-生物學(xué)耦合作用及其信號通路（整合素、Wnt/b-catenin、P63、Notch、NF-kB、PKC、Ras-MAPK等），確認(rèn)（微）重力信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞骨架表達(dá)改變及其信號途徑（FAK、PKC）。了解（微）重力對細(xì)胞與骨基質(zhì)材料粘附的影響以及對三維培養(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)新點與特色： 本項目凝煉航天科學(xué)與生命科學(xué)交叉的重大科學(xué)問題，選取國際上處于科學(xué)前

19、沿且尚待發(fā)展、國內(nèi)具有較好研究基礎(chǔ)的課題開展研究，充分體現(xiàn)多學(xué)科交叉優(yōu)勢與特色，課題之間相互有機(jī)聯(lián)系。該項目的順利實施將為空間生命科學(xué)研究和人類空間活動提供新概念、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：本項目針對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)境對地球生物演化的作用及其規(guī)律和空間環(huán)境對生命體生理穩(wěn)態(tài)的影響規(guī)律及其機(jī)理等兩個重大科學(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的根本原因源自于細(xì)胞對（微）重力的感知和響應(yīng)過程這一關(guān)鍵要素，從

20、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)、互為驗證。2）科學(xué)問題核心：本項目所提出的（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，同時也是本項目有別于傳統(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。對動物細(xì)胞的研究針對航天員短期飛行適應(yīng)性和長期飛行生理閾值、對組織發(fā)生和重建與干細(xì)胞生長和分化研究針對空間胚胎發(fā)育與組織發(fā)生、對高等植物細(xì)胞的研究針對空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)，并結(jié)合空間微重力環(huán)境動物骨質(zhì)流失和免疫功能抑制、擬南芥

21、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。3）研究方法新穎：本項目采用模型化研究、物理實驗與生物學(xué)驗證相互驗證的新研究方法，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）的虛擬實驗、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驗平臺、可從生物力學(xué)視角實現(xiàn)對地基重力作用的進(jìn)行分解（流動剪切、拉、壓、懸浮等），并對新概念和新思想展開驗證性實驗；最終，可通過生物學(xué)驗證提供實證的支持。這一過程可反復(fù)迭代，以期逐步預(yù)測、驗證并深化對（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)

22、識。4）技術(shù)路線交叉：本項目充分體現(xiàn)細(xì)胞-分子生物學(xué)、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)計和團(tuán)隊構(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：本項目著重強(qiáng)調(diào)對（微）重力下細(xì)胞生命活動的定量化。不僅在模型化研究層面，注重通

23、過數(shù)值模擬及其虛擬實驗開展量化預(yù)測、通過物理實驗開展定量描述，而且在生物學(xué)驗證層面，針對現(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)部流場復(fù)雜且難以控制等問題，通過加強(qiáng)實驗平臺與驗證體系建設(shè)，對實驗條件、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驗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： 本項目可行性主要體現(xiàn)在：研究方向與國際本領(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

24、術(shù)路線合理；所涉及的實驗室具有與國外同類實驗室相當(dāng)?shù)挠布l件和基礎(chǔ)設(shè)施，其主要設(shè)備基本能夠滿足本項目的需求；研究隊伍知識結(jié)構(gòu)合理，交叉互補(bǔ)性強(qiáng)，有良好的研究經(jīng)驗和工作積累。尤其值得一提的是，研究團(tuán)隊多位骨干成員近年來利用神舟飛船、返回式衛(wèi)星等我國稀少空間資源、以及國際合作的空間資源開展空間飛行實驗，積累了寶貴的第一手資料，對空間生命科學(xué)和空間生物技術(shù)的特征、難點、重點有較清晰的了解和認(rèn)識。四、年度計劃年度研究內(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)注空間實驗研究和地面、空間實驗技術(shù)的研究成果。分析和評估現(xiàn)有地基微重力、超重力模擬實驗裝置和細(xì)胞力學(xué)加載實驗裝置。2） 建立（動物、植

25、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驗。3） 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)，并評價其生物相容性。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、研制新型微重力、超重力地基模擬實驗裝置和細(xì)胞力學(xué)加載實驗裝置。6） 完善細(xì)胞抗磁懸浮生長裝置，并驗證其可用性。7） 啟動細(xì)胞力學(xué)-生物學(xué)耦合的生物學(xué)驗證，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

26、學(xué)模型?；就瓿桑ㄎⅲ┲亓Νh(huán)境下細(xì)胞物質(zhì)輸運(yùn)過程和微重力模擬實驗裝置的數(shù)值分析和模型化研究，為實驗設(shè)計提供指導(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)胞生長所需的支架材料。4） 獲得預(yù)實驗結(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)值模擬及其虛擬實驗研究。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

27、激前后的兩個小RNA庫。3） 基于骨系細(xì)胞，建立骨微結(jié)構(gòu)與骨系細(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)過程對骨細(xì)胞生物學(xué)響應(yīng)、骨組織生長和重建的驗證性研究。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（微）重力敏感的關(guān)鍵調(diào)控分子。研究（微）重力對細(xì)胞增殖、分化、凋亡的影響；利用適合干細(xì)胞生長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)胞生長環(huán)境的細(xì)胞培養(yǎng)實驗。4） 基于免疫細(xì)胞模型，考察（微）重力環(huán)境與生理流動（血流或淋巴液流動）環(huán)境協(xié)同作用影響免疫細(xì)胞聚集和粘附動力學(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

28、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的新型地基研究儀器及空間實驗裝置。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驗，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。同時研究鈣離子/鈣調(diào)蛋白、Rho和Wnt/-catenin等信號通路在不同力學(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的新型地基研究

29、儀器及空間實驗裝置。3） 建立有別于地基常規(guī)實驗的方法學(xué)體系，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)特征及生物功能實驗結(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（微）重力敏感的關(guān)鍵調(diào)控分子。6） 撰寫論文15-20篇7） 申請專利4-5項。第三年1） 基于擬南芥細(xì)胞體系，對植物向重力反應(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。篩選對重力變化敏感的細(xì)胞骨架的關(guān)

30、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，獲取與微重力效應(yīng)刺激有關(guān)的小RNA。2） 觀測不同力學(xué)作用下細(xì)胞增殖、代謝、分泌和運(yùn)動、變形以及細(xì)胞間聚集、粘附的動力學(xué)過程，細(xì)胞骨架動態(tài)組裝和重排，細(xì)胞器移位的運(yùn)動軌跡、速率、模式及其相關(guān)內(nèi)膜系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)的動態(tài)響應(yīng)，感知、傳遞力學(xué)信號的關(guān)鍵蛋白的定位和狀態(tài)及其向生物化學(xué)信號轉(zhuǎn)換、傳導(dǎo)的動態(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）重力對不同動物細(xì)胞分子響應(yīng)的共性與各自特點，逐步確定（微）重力對動物細(xì)胞影響的主要調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖。考察不同力學(xué)因素作用下單個細(xì)胞（動物、植物）生物學(xué)響應(yīng)及其對亞

31、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)律及其對生物礦化過程影響。5） 開展對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)信號耦合相關(guān)分子（如FAK）在（微）重力環(huán)境之下的變化。針對部分目標(biāo)蛋白設(shè)計、構(gòu)建過表達(dá)載體或者用于RNA干擾實驗的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)方法驗證，修正（微）重力影響動物細(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轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究來闡述（微）重力

32、對干細(xì)胞行為變化的影響（包括干細(xì)胞非對稱分裂、細(xì)胞粘附、細(xì)胞遷移以及細(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） 獲取實驗、模擬數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步修正實驗方案，分析實驗結(jié)果。2） 獲得檢驗平衡石假說的實驗數(shù)據(jù)，探討植物細(xì)胞響應(yīng)（微）重力信號的關(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）重力對不同動物細(xì)胞分子響應(yīng)的共性與各自特點。4） 初步揭示微重力條件下，三

33、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干細(xì)胞行為的影響。5） 發(fā)表論文>15-20篇。6） 申請專利4-6項。第四年1） 開展生物力學(xué)實驗和數(shù)值模擬及其虛擬實驗的比較研究。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)因素對細(xì)胞物質(zhì)合成、能量代謝以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的影

34、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)鍵基因的功能和（微）重力對其調(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)胞生命活動中的作用及影響。利用熒光探針實時檢測不同重力條件下細(xì)胞內(nèi)外H+和 Ca2+離子濃度的變化，對關(guān)鍵調(diào)控蛋白質(zhì)在重力信號傳導(dǎo)中的功能進(jìn)行驗證。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細(xì)胞模型、以

35、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)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?。?，構(gòu)建其動態(tài)生長體系。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） 實驗、模擬結(jié)果的對比分析、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） 申請專利1-2項。第五年1） 通過移植動物模型，深入探討微重力對骨組織形成和發(fā)生的影響，完成已開展的實驗工作，進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析。重點總結(jié)分植物細(xì)胞對（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)實驗結(jié)果，分析（微）重力對不同動物細(xì)胞分子響應(yīng)的共性與各自特點，以及動物細(xì)胞對（微）重力的感知、傳導(dǎo)與響