(微)重力影響細胞生命活動的力學-生物學耦合規(guī)律研究

1、項目名稱：（微）重力影響細胞生命活動的力學-生物學耦合規(guī)律研究首席科學家：龍勉 中國科學院力學研究所起止年限：依托部門：中國科學院二、預期目標總體目標： 面向“載人航天與探月工程”的國家重大需求，在（微）重力影響細胞生命活動領域開拓力學-生物學耦合的新研究方向，并力爭在細胞感知和響應規(guī)律、細胞間相互作用、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領域前沿開展高水平研究、數(shù)值模擬、物理實驗和生物學驗證相結合的系統(tǒng)平臺；凝聚一支具有國際影響，整合力學、物理、生物學與航天科學與工程等學科的交叉研究團隊；在前述三個基本科學問題上取得突破性進展并發(fā)表重要科學論文；團隊成員能夠經(jīng)

2、常性地在國際權威學術會議上做重要學術報告，并在相關領域的國際權威學術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目標明確的空間生命科學研究奠定科學基礎，并為未來深空探測做好科學儲備。五年預期目標: 1）提出新概念、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律：開展細胞感知和響應規(guī)律、細胞間相互作用、組織發(fā)生和重建等方面研究，提出動物細胞感知（微）重力以及植物細胞響應（微）重力的新概念和新假說，發(fā)現(xiàn)新的內(nèi)在規(guī)律或機制。2）建立力學-生物學耦合系統(tǒng)平臺：建立數(shù)值模擬、物理實驗和生物學驗證等平臺，預期研制2-4臺（套）地基模擬微重力效應的新儀器（設備）；提出空間硬件裝置基本框架和主要參數(shù)，預期解決2-3種關鍵技術、

3、研制2-4種關鍵部件。3）發(fā)表科學論文：預期在國際主流學術雜志上發(fā)表論文80-90篇，其中IF3或TOP15%的50-60篇，IF10的10-15篇。4）申報科技專利：注重科學研究、定量方法和關鍵技術中新概念、新方法和新技術的形成和積累，預期申請發(fā)明專利10-15項。5）促進人才培養(yǎng)：注重有志于微重力科學和空間生命科學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、學術思路： 本項目學術思路立足于國家重大需求和重大基礎科學問題相結合，強調(diào)航天科學與空間生命科學的交叉與融合，力求在研究內(nèi)容設計、課題組織、研究方案制定等方面體現(xiàn)科學研

4、究的前沿性和國家需求的牽引性。項目將以“（微）重力影響細胞生命活動”為主題，以“（微）重力下細胞力學-生物學耦合規(guī)律”為主線，開展（微）重力下細胞力學-生物學耦合過程的模型化研究、（動物、植物）細胞對（微）重力的感知、傳導、響應規(guī)律、（微）重力影響細胞間相互作用的定量規(guī)律、（微）重力影響組織發(fā)生和重建的基礎研究等相關研究，力爭在科學研究方面有創(chuàng)新性突破的同時，積極推動相關的新概念、新方法、新技術和新裝置研究，加強實驗平臺與驗證體系建設，為未來空間實驗任務提供科學儲備和技術保障，并促進高新技術的地面應用與產(chǎn)業(yè)化。本項目采取數(shù)值模擬、物理實驗和生物學驗證相結合的技術路線，以人類樣品、模式動物（大/

5、小鼠）、模式植物（擬南芥）為研究對象、采用典型的細胞模型（骨系細胞、免疫細胞、干細胞、植物細胞），圍繞地球生物如何感知（微）重力信號及其信號的轉導、地球生物如何適應（微）重力環(huán)境、從生命科學與生物技術視角如何利用（微）重力環(huán)境資源等三個基本科學問題，開展（微）重力影響細胞生命活動的力學-生物學耦合規(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、技術途徑： 本項目瞄準（微）重力影響細胞生命活動中的關鍵科學問題，采用典型細胞及其與基質材料的復合物，結合實驗研究與理論模擬、定性與定量手段，開展重力改變下細胞力學-生物學耦合的交叉研究，強調(diào)利用數(shù)值模擬、力學分析、定量測量

6、等前沿研究手段與先進生物學手段的結合。其總體構思如下圖所示：具體技術途徑概述如下：1）模型化研究：物質輸運過程：基于流固耦合理論建立模型骨材料內(nèi)流體輸運過程的物理力學模型，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雜流體在復雜多孔結構中的輸運特性及規(guī)律。模型結構材料制備：利用膠體晶體模板復型技術制備模型結構材料，研究孔道中流體的輸運行為、礦化結晶特點，以及力學作用下一維或二維生物特征孔道中流體的輸運行為、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)部流體輸運特征?；剞D或旋轉微重力模擬：針對回轉器、旋轉壁式生物反應器、旋轉式生物反應器、平行或旋轉流動

7、式生物反應器開展內(nèi)部流場流體力學分析，提出合理的幾何、流體動力參數(shù)和可控的實驗模式（轉速、回轉半徑、流速等）。磁懸浮微重力模擬：基于電磁理論建立磁場與細胞（或組織）相互作用的物理力學模型，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，提出合理的幾何、磁場參數(shù)和可控的實驗模式（磁場強度、梯度等）。細胞力學模型：建立基于細胞結構（細胞膜（壁）、細胞骨架、細胞微粒、細胞核等）的物理力學模型，開展在（微）重力下（動物、植物）細胞運動和變形、細胞器移位、細胞骨架分布、胞質環(huán)流，以及植物細胞壁在（微）重力信號轉導中作用的理論分析和數(shù)值模擬。2）力學作用方式：流體剪切：利用微流控技術并結合流體力學分析量

8、化培養(yǎng)液流動和物質輸運條件，建立模擬空間強迫對流下動物細胞生長和分化、細胞運動和變形、細胞間相互作用與分子調(diào)控的實驗系統(tǒng)。牽拉和受壓：采用細胞拉伸顯微鏡技術（Cell Traction Microscopy）對細胞施加可控的基底拉伸，利用原子力顯微鏡探針技術和光鑷操控技術對細胞施加可控的壓力，建立模擬細胞自由面的受拉和細胞基底面的受壓等重力效應下細胞生長和分化、細胞運動和變形、細胞間相互作用與分子調(diào)控的實驗系統(tǒng)?；剞D或旋轉：采用商業(yè)化細胞回轉器和旋轉壁式生物反應器、以及自主研發(fā)的旋轉式生物反應器（多模態(tài)、應力可控），通過上述模型化研究優(yōu)化旋轉速度和旋轉半徑以避免附加較大的離心力、獲得“屏蔽”細

9、胞對重力方向感知的旋轉條件，可模擬細胞在空間微重力下的三維、懸浮生長效應；流體剪切對細胞的生物學效應可通過設置對照組加以解析。磁懸?。翰捎米灾餮邪l(fā)的抗磁物質懸浮技術平臺，通過上述模型化研究優(yōu)化梯度強磁場的強度和方向以使細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)境下細胞的受力狀態(tài)；磁場本身對細胞的生物學效應可通過設置對照組加以解析。超重：采用自主研發(fā)的超重離心機或商業(yè)化的離心機，研究細胞對模擬超重力效應（1-10g）的生物學響應，以提供所需的概念性驗證方案。復合載荷：研制可在模擬微重力效應同時對細胞施加不同力學載荷的新方法和新裝置，拓展力學作用方式。3）細胞模型與基質材料：細胞模

10、型包括骨系細胞（成骨細胞、破骨細胞、骨細胞）、免疫細胞（淋巴細胞、中性粒細胞）及相關細胞（內(nèi)皮細胞、腫瘤細胞）、干細胞（真皮來源前體細胞、骨髓間充質干細胞、胚胎干細胞）、擬南芥及其愈傷組織細胞（根、莖與培養(yǎng)細胞）等四類。基質材料包括生物類脫鈣骨膠原支架、非生物類（碳酸鈣）模擬骨基質支架等兩類。4）細胞及組織功能性模型構建：利用微模式化和微制作技術構建形狀和面積受控的單個細胞模型、以及具有不同連接方式和尺度的細胞網(wǎng)絡模型，并據(jù)此建立骨細胞與成骨細胞、骨細胞與破骨細胞的共培養(yǎng)系統(tǒng)；輔之以微流控技術還可建立免疫細胞、內(nèi)皮細胞、腫瘤細胞間聚集和粘附乃至三種細胞間相互作用的功能模型。通過將骨系細胞或干細

11、胞與基質材料復合、建立細胞與支架的三維共培養(yǎng)體系，輔之以上述力學刺激（剪切、拉、壓、回轉或旋轉、磁懸?。瑯嫿ㄆ鋭討B(tài)生長體系。5）細胞與亞細胞的力學-生物學響應研究：利用全內(nèi)反射熒光顯微鏡（TIRFM）、轉盤式掃描共聚焦顯微鏡，結合熒光相關光譜（FCS）、熒光壽命成像（FLIM）、熒光漂白后恢復（FRAP）等成像技術，輔之以已建立的細胞內(nèi)膜系統(tǒng)（質膜、內(nèi)質網(wǎng)、高爾基體、內(nèi)含體）轉運的熒光蛋白報告體系和（細胞器、細胞骨架、蛋白質、胞內(nèi)鈣）特異性標記方法（熒光、量子點），觀測不同力學作用下細胞增殖、代謝、分泌和運動、變形以及細胞間聚集、粘附的動力學過程，細胞骨架動態(tài)組裝和重排，細胞器（淀粉體、線粒

12、體等）移位的運動軌跡、速率、模式及其相關內(nèi)膜系統(tǒng)轉運的動態(tài)響應，感知、傳遞力學信號的關鍵蛋白的定位和狀態(tài)（寡聚化、膜駐留時間）及其向生物化學信號（胞質鈣離子平衡以及細胞骨架排布）轉換、傳導的動態(tài)規(guī)律和分子機制，建立重力改變所致的細胞-亞細胞-分子層次響應機制間的相互關聯(lián)。6）蛋白質組與信號分子的力學-生物學響應研究：在植物細胞層面，利用雙向凝膠電泳和圖像分析技術獲取重力改變影響擬南芥細胞的相關蛋白質，并開展差異表達蛋白質的質譜分析與鑒定。聯(lián)合應用擬南芥cDNA測序數(shù)據(jù)檢驗相關基因表達的功能，并結合生理學與細胞生物學研究結果，初步確定細胞骨架在植物對重力信號響應中作用的蛋白質組基礎。利用熒光探針

13、實時觀測植物細胞內(nèi)H+和Ca2+離子濃度的變化，并結合非損傷離子選擇性電極分析植物細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胞，并比較常重力、離心模擬超重效應與回轉模擬微重力效應后細胞骨架蛋白組的變化。在動物細胞層面，采用比較蛋白質組學方法篩選細胞對（微）重力敏感的關鍵蛋白，對所獲得的蛋白進行功能驗證（包括采用siRNA技術進行體外功能驗證，以及采用基因敲除技術、建立細胞及動物模型進行體內(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作用下關鍵蛋白在細胞內(nèi)表達、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

14、、定位及表達的影響，闡明參與重力感知和響應的關鍵蛋白在力學信號傳遞與傳導中的作用。以細胞外基質-整合素-細胞骨架-細胞器為軸線系統(tǒng)，研究在可控力學作用方式下Rho/ROCK、Wnt/b-catenin、鈣離子等信號通路在感知、傳導以及響應（微）重力中的作用，以及力學因素對細胞物質合成、能量代謝以及信號轉導的影響。7）基因組與轉基因功能的力學-生物學響應研究：利用基因芯片克隆受重力改變影響的擬南芥細胞基因相互作用關系網(wǎng)中的關鍵基因、樞紐基因，并構建上述關鍵基因的轉基因植物（過表達、基因表達受干擾的植株）。通過遺傳操作的手段改變基因表達量，并對轉基因植物進行繼代培養(yǎng)，獲得純化且可進一步開展研究的轉

15、基因植物。選擇上述在重力信號轉導途徑中起關鍵調(diào)節(jié)作用的3-5個基因與報告基因（如GFP、RFP等）構成融合基因，通過轉基因方法研究候選基因在過表達時或缺失（利用突變體）時植物細胞對重力的響應、候選基因與信號分子之間的關聯(lián)性，初步確定（微）重力影響植物細胞骨架信號通路的關鍵靶點、關鍵基因與蛋白質，建立改變影響植物基因表達變化的調(diào)控網(wǎng)絡。同時，開展（微）重力影響擬南芥細胞轉錄組的研究。8）小RNA的力學-生物學響應研究：利用芯片分析獲得（微）重力刺激下擬南芥細胞小RNA表達的動力學變化。通過測序獲得大量小RNA序列，并構建小RNA文庫用以對比小RNA的差異表達。利用RT-PCR分析小RNA前體的表

16、達量和Northern雜交等手段驗證差異表達的小RNA。利用生物信息學方法分析基因作用的靶點并預測其可能的功能，確定與重力感知相關的候選基因。將候選基因克隆、構建載體，在擬南芥中過量表達、觀察表型。利用Target Mimicry等方法驗證與重力感知相關的小RNA靶基因的功能。研究與重力感應相關的小RNA與生長素響應因子之間的相關性，探索（微）重力在細胞生命活動中的作用及影響。9）細胞間相互作用與組織重建的力學-生物學響應研究：利用全內(nèi)反射熒光顯微鏡、轉盤式掃描共聚焦顯微鏡，結合熒光成像技術，觀測不同力學作用下細胞間聚集、粘附動力學過程和細胞-細胞（基質）間相互作用模式。制備結構特征（孔隙率及

17、空隙分布、貫通性、表面物理性質）和力學性質（彈性、強度）可控的非生物類（碳酸鈣）三維支架材料和小牛松質骨的生物類脫鈣骨基質材料，并通過成纖維細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上或三維支架材料內(nèi)細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數(shù)值模擬研究細胞周圍的物質輸運過程。應用免疫組化、流式細胞儀、顯微動態(tài)觀測等方法鑒定干細胞表面標志物和向骨系細胞誘導分化的細胞形態(tài)和標志產(chǎn)物（鈣沉積、堿性磷酸酶、I型膠原、骨鈣素等），分析可控力學作用下干細胞的增殖和凋亡。分別從基因、轉錄和蛋白質水平考察模擬微重力效應對干細胞分化的力學-生物學耦合

18、作用及其信號通路（整合素、Wnt/b-catenin、P63、Notch、NF-kB、PKC、Ras-MAPK等），確認（微）重力信號轉導的細胞骨架表達改變及其信號途徑（FAK、PKC）。了解（微）重力對細胞與骨基質材料粘附的影響以及對三維培養(yǎng)的干細胞分化的傳導機制（ERK、P38、JNK等）。將誘導干細胞分化而成的骨系細胞培養(yǎng)于骨基質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)學觀察）。3、創(chuàng)新點與特色： 本項目凝煉航天科學與生命科學交叉的重大科學問題，選取國際上處于科學前沿且尚待發(fā)展、國內(nèi)具有較好研究基礎的課題開展研究，充分

19、體現(xiàn)多學科交叉優(yōu)勢與特色，課題之間相互有機聯(lián)系。該項目的順利實施將為空間生命科學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）學術思想前沿：本項目針對航天員健康和空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)等航天科學重要領域，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)律及其機理等兩個重大科學背景，并在細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)律的科學研究。其學術思想的前沿性體現(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胞對（微）重力的感知和響應過程這一關鍵要素，從分析物質輸運過程、量化微重力模擬效應、建立細胞力學模型

20、等方面模型化研究著手，在組織、細胞、蛋白質與基因等層面上由表及里、相互關聯(lián)、互為驗證。2）科學問題核心：本項目所提出的（微）重力下細胞力學-生物學耦合規(guī)律是保障航天員健康和構建空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)的核心和關鍵問題，同時也是本項目有別于傳統(tǒng)空間基礎生物學、空間生物技術、空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)以及空間生理學與醫(yī)學的特色所在。對動物細胞的研究針對航天員短期飛行適應性和長期飛行生理閾值、對組織發(fā)生和重建與干細胞生長和分化研究針對空間胚胎發(fā)育與組織發(fā)生、對高等植物細胞的研究針對空間生命生態(tài)支持系統(tǒng)，并結合空間微重力環(huán)境動物骨質流失和免疫功能抑制、擬南芥發(fā)育異常等典型生理過程，兼顧有限目標和重大意義的平衡。

21、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胞生物學效應差異，提出（微）重力影響細胞物質輸運規(guī)律和物理化學過程的新概念和新思想；進一步，通過建立地基物理實驗平臺、可從生物力學視角實現(xiàn)對地基重力作用的進行分解（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，可通過生物學驗證提供實證的支持。這一過程可反復迭代，以期逐步預測、驗證并深化對（微）重力下細胞的力學-生物學耦合規(guī)律及其機理的認識。4）技術路線交叉：本項目充分體現(xiàn)細胞-分子生物學、

22、系統(tǒng)生物學、生物信息學與力學、物理以及工程科學等的交叉和融合。在課題設計和團隊構成上以科學問題（而非研究單位）為目標來組織不同單位、不同學科背景的成員協(xié)同攻關，在技術途徑采取力學、物理（數(shù)值模擬、力學可控、磁懸浮、同步輻射等）與生物學（組學、動力學、生物信息學、細胞-分子生物學等）相結合的先進手段。這一綜合、交叉的技術路線對于力學、物理、化學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：本項目著重強調(diào)對（微）重力下細胞生命活動的定量化。不僅在模型化研究層面，注重通過數(shù)值模擬及其虛擬實驗開展量化預測、通過物理實驗開展定

23、量描述，而且在生物學驗證層面，針對現(xiàn)有方法和儀器（回轉器、旋轉式生物反應器、隨機指向裝置等）所存在的模擬微重力效應與物質輸運過程相互耦合、內(nèi)部流場復雜且難以控制等問題，通過加強實驗平臺與驗證體系建設，對實驗條件、力學參數(shù)、物質輸運等進行量化和有效控制，使影響微重力下細胞生物學效應的其他因素（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域發(fā)展前沿一致，且具有創(chuàng)新思路；學術思想明確，關鍵科學技術問題清楚，有限目標適當，技術路線合理；所涉及的實驗室具有與國外同類實驗室相當?shù)挠?/p>

24、件條件和基礎設施，其主要設備基本能夠滿足本項目的需求；研究隊伍知識結構合理，交叉互補性強，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，對空間生命科學和空間生物技術的特征、難點、重點有較清晰的了解和認識。四、年度計劃年度研究內(nèi)容預期目標第一年1） 調(diào)研和分析最新研究進展，尤其關注空間實驗研究和地面、空間實驗技術的研究成果。分析和評估現(xiàn)有地基微重力、超重力模擬實驗裝置和細胞力學加載實驗裝置。2） 建立（動物、植物）細胞生物力學模型，開展數(shù)值模擬分析及其虛擬實驗。3

25、） 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） 建立擬南芥細胞、骨細胞、免疫細胞以及各類干細胞的力學-生物學耦合研究體系。5） 設計、研制新型微重力、超重力地基模擬實驗裝置和細胞力學加載實驗裝置。6） 完善細胞抗磁懸浮生長裝置，并驗證其可用性。7） 啟動細胞力學-生物學耦合的生物學驗證，初步研究模擬微重力環(huán)境下細胞形態(tài)、結構等的生物學變化。1） 總結（微）重力影響細胞生命活動的力學-生物學耦合規(guī)律研究和技術的最新進展和存在的問題。2） 初步建立不同力學因素與（微）重力環(huán)境耦合作用下細胞生物學行為的力學模型?；就瓿桑ㄎⅲ┲亓Νh(huán)境下細胞物質輸運過程和微重

26、力模擬實驗裝置的數(shù)值分析和模型化研究，為實驗設計提供指導。3） 制備出具備良好物質輸運環(huán)境、適用于不同細胞生長所需的支架材料。4） 獲得預實驗結果。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模型，研究重力環(huán)境改變對模型骨結構內(nèi)物質輸運過程的影響及其定量規(guī)律；針對重力環(huán)境改變所致的亞細胞結構位形和分布改變，開展數(shù)值模擬及其虛擬實驗研究。2） 基于擬南芥細胞體系，開展淀粉體響應重力變化的分子-細胞學機制研究，和蛋白質組與信號分子的力學-生物學響應研究，基因組與轉基因功能的力學-生物學響應研究，著手構建微重力效應刺激前后的兩個小RNA庫。3） 基于骨系細胞，建立骨微結構與骨系

27、細胞耦合的生物力學模型，開展（微）重力下流體傳輸和物質輸運過程對骨細胞生物學響應、骨組織生長和重建的驗證性研究。應用芯片技術及生物信息學方法，通量篩選骨系細胞中對（微）重力敏感的關鍵調(diào)控分子。研究（微）重力對細胞增殖、分化、凋亡的影響；利用適合干細胞生長的脫鈣骨膠原或其它生物材料的三維支架進行模擬體內(nèi)干細胞生長環(huán)境的細胞培養(yǎng)實驗。4） 基于免疫細胞模型，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)同作用影響免疫細胞聚集和粘附動力學的耦合規(guī)律及其分子調(diào)控機制（如選擇素、整合素、GTPases等）。5） 發(fā)展基于模式化表面、微流控、微制作、磁懸浮等新技術的空間細胞生物力學新方法，建立適用

28、于兩類細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） 利用旋轉培養(yǎng)器和強磁懸浮微重力模擬裝置展開實驗，研究PKD2、MACF1等分子或通路在細胞響應不同力學因素中的表達特征及生物功能。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因素中的調(diào)制變化情況。1） 初步建立骨微結構與骨系細胞耦合的生物力學模型，得到模擬（微）重力下流體傳輸和物質輸運過程特征數(shù)據(jù)。2） 發(fā)展基于模式化表面、微流控、微制作、磁懸浮等新技術的（空間）細胞生物力學新方法，建立適用于兩類細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。3） 建立有別于地基常規(guī)實驗的方法學體系，

29、得到植物向重力性研究的初步數(shù)據(jù)。4） 獲得骨系細胞、免疫細胞、干細胞及相關動物細胞在響應不同力學因素中的表達特征及生物功能實驗結果。5） 初步篩選骨系細胞、免疫細胞及相關細胞中對（微）重力敏感的關鍵調(diào)控分子。6） 撰寫論文15-20篇7） 申請專利4-5項。第三年1） 基于擬南芥細胞體系，對植物向重力反應中關鍵蛋白在質膜表面或近膜區(qū)的存在狀態(tài)及其動力學特征進行單分子分析，揭示植物響應重力性分子-細胞學機制?？寺∞D錄組基因相互作用關系網(wǎng)絡的關鍵基因、樞紐基因，并構建上述關鍵基因的過表達、基因干擾的植株。篩選對重力變化敏感的細胞骨架的關鍵調(diào)控蛋白質分子。大規(guī)模分析微重力效應刺激下小RNA表達變化，

30、獲取與微重力效應刺激有關的小RNA。2） 觀測不同力學作用下細胞增殖、代謝、分泌和運動、變形以及細胞間聚集、粘附的動力學過程，細胞骨架動態(tài)組裝和重排，細胞器移位的運動軌跡、速率、模式及其相關內(nèi)膜系統(tǒng)轉運的動態(tài)響應，感知、傳遞力學信號的關鍵蛋白的定位和狀態(tài)及其向生物化學信號轉換、傳導的動態(tài)規(guī)律和分子機制，建立重力改變所致的細胞-亞細胞-分子層次響應機制間的相互關聯(lián)。3） 分析（微）重力對不同動物細胞分子響應的共性與各自特點，逐步確定（微）重力對動物細胞影響的主要調(diào)控網(wǎng)絡圖。考察不同力學因素作用下單個細胞（動物、植物）生物學響應及其對亞細胞結構位形和分布、以及胞質環(huán)流的影響規(guī)律。4） 考察模型骨組

31、織在地基模擬微重力與不同力學因素耦合作用下模型骨結構內(nèi)部物質輸運變化規(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功能分析。研究細胞外基質（ECM）-整合素（Integrin）-細胞骨架（CSK）及其下游力學-化學信號耦合相關分子（如FAK）在（微）重力環(huán)境之下的變化。針對部分目標蛋白設計、構建過表達載體或者用于RNA干擾實驗的siRNA。6） 基于組學分析結果，挑選部分（微）重力敏感基因進行分子/細胞生物學方法驗證，修正（微）重力影響動物細胞調(diào)控網(wǎng)絡圖。7） 通過亞細胞水平觀察和分子信號轉導途徑的研究來闡述（微）重力對干細胞行為變化的影響（包括干細胞非對稱分裂、細胞粘附、細胞遷

32、移以及細胞凋亡等）。8） 利用構建的三維支架-干細胞體系考察不同力學因素與生化因子單獨或協(xié)同作用下干細胞分化的力學-生物學耦合規(guī)律，比較微重力與常重力下干細胞分化能力的異同（包括分化方向、速度、效率等）。1） 獲取實驗、模擬數(shù)據(jù)，并進一步修正實驗方案，分析實驗結果。2） 獲得檢驗平衡石假說的實驗數(shù)據(jù)，探討植物細胞響應（微）重力信號的關鍵功能分子在植物向重力性變化的主要作用機制。3） 初步建立重力改變所致的細胞-亞細胞-分子層次響應機制間的相互關聯(lián)。并分析（微）重力對不同動物細胞分子響應的共性與各自特點。4） 初步揭示微重力條件下，三維培養(yǎng)的干細胞的增殖分化規(guī)律。進一步明晰微重力條件對干細胞行為

33、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） 研究可控力學作用下關鍵蛋白在細胞內(nèi)表達、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、定位及表達的影響，了解參與重力感知和響應的關鍵蛋白在力學信號傳遞與傳導中的作用。以細胞外基質-整合素-細胞骨架-細胞器為軸線系統(tǒng)，研究在可控力學作用方式下Rho/ROCK、Wnt/b-catenin、鈣離子等信號通路在感知、傳導以及響應（微）重力中的作用，以及力學因素對細胞物質合成、能量代謝以及信號轉導的影響。3） 通過構建關鍵基因的過表達、基因干擾的植株，研究相關關鍵基因的

34、功能和（微）重力對其調(diào)控的機理，探索（微）重力的作用機理和生物學效應。分析與（微）重力感知和響應相關的小RNA與生長素響應因子之間的相關性，探索（微）重力在細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胞內(nèi)外H+和 Ca2+離子濃度的變化，對關鍵調(diào)控蛋白質在重力信號傳導中的功能進行驗證。4） 研究粘著斑激酶FERM及其相關分子、細胞骨架、細胞膜以及胞外基質等力學信號的感受器相關的蛋白在骨細胞力學特性、成骨細胞功能、免疫細胞活性中的生物學作用。5） 利用微模式化和微制作技術構建形狀和面積受控的單個細胞模型、以及具有不同連接方式和尺度的細胞網(wǎng)絡模型，并據(jù)此建立骨細胞與成骨細胞、骨

35、細胞與破骨細胞的共培養(yǎng)系統(tǒng)；輔之以微流控技術還可建立免疫細胞、內(nèi)皮細胞、腫瘤細胞間聚集和粘附乃至三種細胞間相互作用的功能模型。通過將骨系細胞或干細胞與基質材料復合、建立細胞與支架的三維共培養(yǎng)體系，輔之以上述力學刺激（剪切、拉、壓、回轉或旋轉、磁懸?。瑯嫿ㄆ鋭討B(tài)生長體系。6） 將誘導干細胞分化而成的骨系細胞培養(yǎng)于骨基質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)學觀察）。1） 實驗、模擬結果的對比分析、補充與完善。2） 進一步了解參與重力感知和響應的關鍵蛋白在力學信號傳遞與傳導中的作用，以及相關關鍵基因的功能和（微）重力對其調(diào)控的機理，探索（微）重力的作用機理和生物學效應。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，進行實驗數(shù)據(jù)分析。重點總結分植物細胞對（微）重力的感知、傳導與響應規(guī)律及其發(fā)生的關鍵分子網(wǎng)絡。2） 全面總結實驗結果，分析（微）重力對不同動物細胞分子響應的共性與各自特點，以及動物細胞對（微）重力的感知、傳導與響