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1、项目名称： （微）重力影响细胞生命活动的力学（微）重力影响细胞生命活动的力学- -生物学耦合规律研究生物学耦合规律研究首席科学家： 龙勉龙勉 中国科学院力学研究所中国科学院力学研究所起止年限： 2010.92010.9 至至 2015.92015.9依托部门： 中国科学院中国科学院二、预期目标总总体目体目标标： ： 面向“载人航天与探月工程”的国家重大需求，在（微）重力影响细胞生命活动领域开拓力学-生物学耦合的新研究方向，并力争在细胞感知和响应规律、细胞间相互作用、组织发生和重建等方面提出新概念、新思想和新方法；建立可在空间生命科学领域前沿开展高水平研究、数值模拟、物理实验和生物学验证相结合的
2、系统平台；凝聚一支具有国际影响，整合力学、物理、生物学与航天科学与工程等学科的交叉研究团队；在前述三个基本科学问题上取得突破性进展并发表重要科学论文；团队成员能够经常性地在国际权威学术会议上做重要学术报告，并在相关领域的国际权威学术组织和刊物编委中任职；最终为在我国空间实验室与空间站上开展科学目标明确的空间生命科学研究奠定科学基础，并为未来深空探测做好科学储备。五年五年预预期目期目标标: 1）提出新概念、发现新规律：开展细胞感知和响应规律、细胞间相互作用、组织发生和重建等方面研究，提出动物细胞感知（微）重力以及植物细胞响应（微）重力的新概念和新假说，发现新的内在规律或机制。2）建立力学-生物学
3、耦合系统平台：建立数值模拟、物理实验和生物学验证等平台，预期研制 2-4 台（套）地基模拟微重力效应的新仪器（设备）；提出空间硬件装置基本框架和主要参数，预期解决 2-3 种关键技术、研制 2-4 种关键部件。3）发表科学论文：预期在国际主流学术杂志上发表论文 80-90 篇，其中 IF3 或TOP15%的 50-60 篇，IF10 的 10-15 篇。4）申报科技专利：注重科学研究、定量方法和关键技术中新概念、新方法和新技术的形成和积累，预期申请发明专利 10-15 项。5）促进人才培养：注重有志于微重力科学和空间生命科学交叉研究的青年人才和研究生培养。培养优秀青年科研骨干 10-20 名，
4、研究生/博士后 90-110 名。三、研究方案1、学、学术术思路：思路： 本项目学术思路立足于国家重大需求和重大基础科学问题相结合，强调航天科学与空间生命科学的交叉与融合，力求在研究内容设计、课题组织、研究方案制定等方面体现科学研究的前沿性和国家需求的牵引性。项目将以“（微）重力影响细胞生命活动”为主题，以“（微）重力下细胞力学-生物学耦合规律”为主线，开展（微）重力下细胞力学-生物学耦合过程的模型化研究、（动物、植物）细胞对（微）重力的感知、传导、响应规律、（微）重力影响细胞间相互作用的定量规律、（微）重力影响组织发生和重建的基础研究等相关研究，力争在科学研究方面有创新性突破的同时，积极推动
5、相关的新概念、新方法、新技术和新装置研究，加强实验平台与验证体系建设，为未来空间实验任务提供科学储备和技术保障，并促进高新技术的地面应用与产业化。本项目采取数值模拟、物理实验和生物学验证相结合的技术路线，以人类样品、模式动物（大/小鼠）、模式植物（拟南芥）为研究对象、采用典型的细胞模型（骨系细胞、免疫细胞、干细胞、植物细胞），围绕地球生物如何感知（微）重力信号及其信号的转导、地球生物如何适应（微）重力环境、从生命科学与生物技术视角如何利用（微）重力环境资源等三个基本科学问题，开展（微）重力影响细胞生命活动的力学-生物学耦合规律交叉研究，注重新思想和新观点的形成，以及新概念、新方法和新手段的储备
6、。2、技、技术术途径：途径： 本项目瞄准（微）重力影响细胞生命活动中的关键科学问题，采用典型细胞及其与基质材料的复合物，结合实验研究与理论模拟、定性与定量手段，开展重力改变下细胞力学-生物学耦合的交叉研究，强调利用数值模拟、力学分析、定量测量等前沿研究手段与先进生物学手段的结合。其总体构思如下图所示：具体技术途径概述如下：1）模型化研究：物物质输质输运运过过程程：基于流固耦合理论建立模型骨材料内流体输运过程的物理力学模型，通过理论分析和有限元计算析等数值方法研究不同粘性简单流体及复杂流体在复杂多孔结构中的输运特性及规律。模型模型结结构材料制构材料制备备：利用胶体晶体模板复型技术制备模型结构材料
7、，研究孔道中流体的输运行为、矿化结晶特点，以及力学作用下一维或二维生物特征孔道中流体的输运行为、对生物矿化影响；制备类生物骨的多尺度微孔三维支架材料，研究三维支架材料内部流体输运特征。回回转转或旋或旋转转微重力模微重力模拟拟：针对回转器、旋转壁式生物反应器、旋转式生物反应器、平行或旋转流动式生物反应器开展内部流场流体力学分析，提出合理的几何、流体动力参数和可控的实验模式（转速、回转半径、流速等）。磁磁悬悬浮浮微重力模微重力模拟拟：基于电磁理论建立磁场与细胞（或组织）相互作用的物理力学模型，通过理论分析和数值模拟方法研究磁场分布和极化效应，提出合理的几何、磁场参数和可控的实验模式（磁场强度、梯度
8、等）。细细胞力学模型胞力学模型：建立基于细胞结构（细胞膜（壁）、细胞骨架、细胞微粒、细胞核等）的物理力学模型，开展在（微）重力下（动物、植物）细胞运动和变形、细胞器移位、细胞骨架分布、胞质环流，以及植物细胞壁在（微）重力信号转导中作用的理论分析和数值模拟。2）力学作用方式：流体剪切流体剪切：利用微流控技术并结合流体力学分析量化培养液流动和物质输运条件，建立模拟空间强迫对流下动物细胞生长和分化、细胞运动和变形、细胞间相互作用与分子调控的实验系统。牵牵拉和受拉和受压压：采用细胞拉伸显微镜技术（Cell Traction Microscopy）对细胞施加可控的基底拉伸，利用原子力显微镜探针技术和光镊
9、操控技术对细胞施加可控的压力，建立模拟细胞自由面的受拉和细胞基底面的受压等重力效应下细胞生长和分化、细胞运动和变形、细胞间相互作用与分子调控的实验系统。回回转转或旋或旋转转：采用商业化细胞回转器和旋转壁式生物反应器、以及自主研发的旋转式生物反应器（多模态、应力可控），通过上述模型化研究优化旋转速度和旋转半径以避免附加较大的离心力、获得“屏蔽”细胞对重力方向感知的旋转条件，可模拟细胞在空间微重力下的三维、悬浮生长效应；流体剪切对细胞的生物学效应可通过设置对照组加以解析。磁磁悬悬浮浮：采用自主研发的抗磁物质悬浮技术平台，通过上述模型化研究优化梯度强磁场的强度和方向以使细胞所受磁化力与重力大小相等、
10、方向相反，可模拟空间微重力环境下细胞的受力状态；磁场本身对细胞的生物学效应可通过设置对照组加以解析。超重超重：采用自主研发的超重离心机或商业化的离心机，研究细胞对模拟超重力效应（1-10g）的生物学响应，以提供所需的概念性验证方案。复合复合载载荷荷：研制可在模拟微重力效应同时对细胞施加不同力学载荷的新方法和新装置，拓展力学作用方式。3）细胞模型与基质材料：细胞模型包括骨系细胞（成骨细胞、破骨细胞、骨细胞）、免疫细胞（淋巴细胞、中性粒细胞）及相关细胞（内皮细胞、肿瘤细胞）、干细胞（真皮来源前体细胞、骨髓间充质干细胞、胚胎干细胞）、拟南芥及其愈伤组织细胞（根、茎与培养细胞）等四类。基质材料包括生物
11、类脱钙骨胶原支架、非生物类（碳酸钙）模拟骨基质支架等两类。4）细胞及组织功能性模型构建：利用微模式化和微制作技术构建形状和面积受控的单个细胞模型、以及具有不同连接方式和尺度的细胞网络模型，并据此建立骨细胞与成骨细胞、骨细胞与破骨细胞的共培养系统；辅之以微流控技术还可建立免疫细胞、内皮细胞、肿瘤细胞间聚集和粘附乃至三种细胞间相互作用的功能模型。通过将骨系细胞或干细胞与基质材料复合、建立细胞与支架的三维共培养体系，辅之以上述力学刺激（剪切、拉、压、回转或旋转、磁悬浮），构建其动态生长体系。5）细胞与亚细胞的力学-生物学响应研究：利用全内反射荧光显微镜（TIRFM）、转盘式扫描共聚焦显微镜，结合荧光
12、相关光谱（FCS）、荧光寿命成像（FLIM）、荧光漂白后恢复（FRAP）等成像技术，辅之以已建立的细胞内膜系统（质膜、内质网、高尔基体、内含体）转运的荧光蛋白报告体系和（细胞器、细胞骨架、蛋白质、胞内钙）特异性标记方法（荧光、量子点），观测不同力学作用下细胞增殖、代谢、分泌和运动、变形以及细胞间聚集、粘附的动力学过程，细胞骨架动态组装和重排，细胞器（淀粉体、线粒体等）移位的运动轨迹、速率、模式及其相关内膜系统转运的动态响应，感知、传递力学信号的关键蛋白的定位和状态（寡聚化、膜驻留时间）及其向生物化学信号（胞质钙离子平衡以及细胞骨架排布）转换、传导的动态规律和分子机制，建立重力改变所致的细胞-亚
13、细胞-分子层次响应机制间的相互关联。6）蛋白质组与信号分子的力学-生物学响应研究：在植物在植物细细胞胞层层面面，利用双向凝胶电泳和图像分析技术获取重力改变影响拟南芥细胞的相关蛋白质，并开展差异表达蛋白质的质谱分析与鉴定。联合应用拟南芥 cDNA 测序数据检验相关基因表达的功能，并结合生理学与细胞生物学研究结果，初步确定细胞骨架在植物对重力信号响应中作用的蛋白质组基础。利用荧光探针实时观测植物细胞内H+和Ca2+离子浓度的变化，并结合非损伤离子选择性电极分析植物细胞因重力改变所致的胞外H+、Ca2+的变化。采用不同的钙离子通道抑制剂处理拟南芥细胞，并比较常重力、离心模拟超重效应与回转模拟微重力效
14、应后细胞骨架蛋白组的变化。在在动动物物细细胞胞层层面面，采用比较蛋白质组学方法筛选细胞对（微）重力敏感的关键蛋白，对所获得的蛋白进行功能验证（包括采用 siRNA 技术进行体外功能验证，以及采用基因敲除技术、建立细胞及动物模型进行体内功能验证等）。采用激光共聚焦扫描显微镜、RT-PCR、Western 等方法研究可控力学作用下关键蛋白在细胞内表达、分布以及修饰及功能的变化，以及组成蛋白和调节蛋白分布、定位及表达的影响，阐明参与重力感知和响应的关键蛋白在力学信号传递与传导中的作用。以细胞外基质-整合素-细胞骨架-细胞器为轴线系统，研究在可控力学作用方式下 Rho/ROCK、Wnt/-cateni
15、n、钙离子等信号通路在感知、传导以及响应（微）重力中的作用，以及力学因素对细胞物质合成、能量代谢以及信号转导的影响。7）基因组与转基因功能的力学-生物学响应研究：利用基因芯片克隆受重力改变影响的拟南芥细胞基因相互作用关系网中的关键基因、枢纽基因，并构建上述关键基因的转基因植物（过表达、基因表达受干扰的植株）。通过遗传操作的手段改变基因表达量，并对转基因植物进行继代培养，获得纯化且可进一步开展研究的转基因植物。选择上述在重力信号转导途径中起关键调节作用的 3-5 个基因与报告基因（如 GFP、RFP 等）构成融合基因，通过转基因方法研究候选基因在过表达时或缺失（利用突变体）时植物细胞对重力的响应
16、、候选基因与信号分子之间的关联性，初步确定（微）重力影响植物细胞骨架信号通路的关键靶点、关键基因与蛋白质，建立改变影响植物基因表达变化的调控网络。同时，开展（微）重力影响拟南芥细胞转录组的研究。8）小 RNA 的力学-生物学响应研究：利用芯片分析获得（微）重力刺激下拟南芥细胞小 RNA 表达的动力学变化。通过测序获得大量小 RNA 序列，并构建小 RNA 文库用以对比小 RNA 的差异表达。利用 RT-PCR 分析小 RNA 前体的表达量和Northern 杂交等手段验证差异表达的小 RNA。利用生物信息学方法分析基因作用的靶点并预测其可能的功能，确定与重力感知相关的候选基因。将候选基因克隆、构建载体，在拟南芥中过量表达、观察表型。利用 Target Mimicry 等方法验证与重力感知相关的小 RNA 靶基因的功能。研究与重力感应相关的小 RNA 与生长素响应因子之间的相关性，探索（微）重力在细胞生命活动中的作用及影响。9）细胞间相互作用与组织重建的力学-生物学响应研究：利用全内反射荧光显微镜、转盘式扫描共聚焦显微镜，结合荧光成像技术，观测不同力学作用下细胞
