全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第10期
2010年10月
Vol. 22, No. 10
Oct., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)10-1047-06
收稿日期：2010-05-18；修回日期：2010-06-30
基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目子课题
(KGCX1-YW-24) ；中国科学院知识创新工程重要方
向性项目(KJCX2-YW-L08)
*通讯作者：E-mail: duane@ioz.ac.cn；Tel：010-
64807308
微重力条件下细胞培养和组织工程研究进展
雷晓华，宁立娜，曹宇静，段恩奎*
(中国科学院动物研究所生殖生物学国家重点实验室, 北京 100101)
摘　要：随着空间生命科学研究的发展，人们将细胞、组织培养技术与微重力环境相结合产生了组织
工程研究的一个新领域——微重力组织工程。模拟微重力条件下细胞培养和组织构建研究表明，微重力
环境有利于细胞的三维生长，形成具有功能的组织样结构，培养后的三维组织无论从形态上还是基因表
达上都更接近于正常的机体组织。这种微重力对细胞的作用效应，将可能为未来组织工程和再生医学研
究提供一条新途径。该文概述了近十年来国内外微重力组织工程相关研究的最新进展。
关键词：微重力；生物反应器；细胞培养；组织工程
中图分类号：R329.28; R329.3 文献标识码：A
Advances in cell culture and tissue engineering under microgravity
LEI Xiao-hua, NING Li-na, CAO Yu-jing, DUAN En-kui*
(State Key Laboratory of Reproductive Biology, Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract: Along with the development of space biology, the technique of tissue and cell culture under
microgravity is becoming a new research filed, which has been known as microgravity tissue engineering. The
study of microgravity or simulated microgravity on cells and tissues culture indicated that microgravity could offer
special effects on forming three-dimension (3-D) tissue structure and functional tissues. The 3-D tissue con-
structs generated on microgravity condition exhibit more similar phenotypes in either morphous or gene expres-
sion profiles to those in normal tissues. This review summarizes the recent advances of microgravity tissue
engineering in the past 10 years.
Key words: microgravity ; bioreactor; cell culture; tissue engineering
“组织工程”概念是由加利福尼亚大学圣地亚
哥分校的Fung教授于1987年在美国国家科学基金会
(NSF)会议上提出并确定下来的，是利用生命科学
和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物正常
及病理两种状态下组织结构与功能关系的基础上，
研究、开发用于修复、维持和改善损伤组织功能的
组织替代物的一门学科[1]。组织工程研究的主要问
题是如何更好地产生一个具有生物功能的三维组织
结构，达到适用于体外科学研究和适用于病损器官
替换的目的。长期以来，研究者一直都在致力于探
索离体细胞的组织重建，实现机体组织和器官人工
构建的梦想，然而，由于离体环境与体内环境存在
巨大的差别，加上人们对细胞的分化、细胞与细胞
相互作用以及细胞与组织微环境相互作用等问题的
认识还不深，体外组织的重建遇到很大困难[2]。近
年来人们逐渐认识到一些化学信号、物理信号在组
织重建过程中起着重要作用[3]。特别是伴随人类空
间探索的广泛开展，人们发现空间独特的微重力环
境对机体细胞和组织产生了许多完全有别于地面正
常重力条件下的作用。随着近年来空间生命科学的
1048 生命科学 第22卷
发展，人们将细胞培养技术与空间微重力环境相结
合研究组织发生和重建过程，研究发现微重力条件
较之地面重力条件更有利于细胞三维生长形成组织
器官，由此开创了组织工程研究的一个新领域——
微重力组织工程。本文概述了近十年来国内外微重
力组织工程研究的最新进展及今后的发展趋势。
1　空间组织工程的研究进展
1.1　微重力培养：一种新的细胞培养环境
多年来离体细胞的体外培养研究囿于技术的桎
梏，多局限于二维的平面培养，这与细胞在机体内
所处的三维立体环境存在很大的不同。人们试图最
大限度地模拟体内细胞所处的真实微环境，提供物
质输运的动态过程，从而研究细胞生长、分化和组
织形成的生物规律，这就需要建立三维培养体系。
组织的构建和装配要求给细胞与细胞间相互作
用提供一个良好的环境，同时应该避免高剪切力的
负作用。微重力理论上可以提供这样一个条件[4]。
在微重力情况下可以实现轻重不分、上下无别、沉
浮和对流消失等物理现象，因此，不同密度的流体
可以均匀混合，不同沉降率的细胞或组织可以共同
培养和相互作用，形成三维聚集物。细胞或组织内
部任何部分与培养液之间缺乏压力(或者压力差)都与
微重力环境密切有关，细胞或组织的形态改变及其
结构力学应力的消失是微重力影响的主要作用机
制。Kim 等[5]研究表明微重力可以为细胞与细胞之
间相互作用和组织构建提供一个良好的微环境。
微重力组织工程的核心是建立哺乳动物细胞三
维培养体系，包括由高分子可降解聚合物支架构成
的三维培养系统。与单层培养相比，三维组织培养
系统可以含有高密度细胞，对细胞分化和正常功能
维持都具有重要影响[6]。在组织工程研究领域，微
重力环境有助于细胞和组织体外三维培养体系在基
因和细胞水平的应答[7]。
1.2　微重力细胞、组织培养生物反应器
为了充分发挥微重力所带来的潜在作用，美国
航空航天局(NASA)科学家研制了转壁式生物反应器
(RWVB)，并进行了部分类型细胞三维组织构建的
研究，结果表明，采用 R W V B 生物反应器进行的
细胞三维组织构建，其组织特性和基因表达明显有
别于正常重力条件下培养二维组织的结果[8]，但与
机体自身组织的基因表达非常接近。这些研究结果
提示我们，微重力环境可能有利于细胞的增殖和分
化，从而适用于组织的三维构建。这为微重力组织
工程的研究奠定了基础。
微重力生物反应器除了应配合不同细胞的特性
及需求外，还需满足一些基本的要求。生物反应器
的设计应方便培养液的均匀混合，并提供精确的控
制，使各营养成分和培养液的 pH 值尽量均一，此
动态培养方式可使组织块(由附着于生物支架的细胞
生长形成)内的氧及营养传质更充分，代谢产物更容
易排出，细胞表型更充分地表达[9]。培养液混合方
式应使剪应力对细胞的损伤降到最低。倘若大量进
行干细胞的分化，必须注意精准控制干细胞在不同
的分化阶段所需不同的生长因子浓度[10]。微重力生
物反应器设计要使在其中培养的细胞和组织尽可能接
近体内的发育情况，而体内各种组织和器官所处环
境各异，某些种类细胞要求反应器能提供一定的机
械应力，如肌腱在体内主要承受张应力[11]，而骨骼
主要承担压应力[12]，心血管主要承受脉动式应力[13]。
因此，微重力生物反应器的设计必须能应不同组织
的需求，提供专一性设计。目前应用的微重力生物
反应器主要包括，旋转式三维生物反应器(rotating
vessel)[14]、三维回转器(3D clinostat)[15,16]，灌流生物
反应器(perfused chamber)[17]以及灌注旋转生物反应器
(perfused RCCS)[18](表1)。针对各种不同细胞和组织
的培养特性，各生物反应器的性能不同。
1.3　微重力条件下组织构建
培养在微重力生物反应器中的细胞集聚体或组
织由于受到模拟微重力的作用，细胞得到较好的生
长和分化，其分化主要受低剪切应力和随机微重力
这两个因素的相互作用，从而影响细胞的基因表
达，促进了细胞与细胞间相互作用以及细胞间信号
的自分泌和旁分泌效应[19]。微重力生物反应器已被
广泛应用于多种细胞(如软骨细胞、成骨细胞、间
充质祖细胞、心肌细胞、胰岛 β 细胞、干细胞以
及角质细胞等)和生物可降解支架混合(聚乙醇酸、聚
乳酸-乙醇酸共聚物)培养，构建人工三维组织[9]。
目前已开展了地面模拟微重力条件下组织构建以及
空间微重力条件下组织构建研究。
1.3.1　微重力条件下骨和软骨组织构建
骨和软骨组织工程主要致力于骨和软骨的形成及
再生，通过建立细胞与生物材料的三维复合物，构
建具有生物活性的组织，进而对受损的骨和软骨组织
进行形态结构和功能的重建以求达到永久性替代[20]。
研究表明模拟微重力生物反应器适用于培养组织工
程骨和软骨。Qiu等[21]用可降解的中空生物陶瓷微
球作为支架，在 R W V B 中培养成骨细胞的前体细
1049第10期 雷晓华，等：微重力条件下细胞培养和组织工程研究进展
胞，获得了三维骨组织，并成功进行了骨移植实
验。Rucci等[22]利用RWVB研究了成骨样细胞的生长
及细胞响应机制，结果显示微重力条件下成骨细胞
表现出高水平的碱性磷酸酶活性，细胞骨桥蛋白、
骨钙素以及骨形成蛋白的表达增加，而对照组细胞
的表达量并没有明显的改变。模拟微重力可能是通
过整联蛋白介导的信号通路来增加成骨的分化[23]。
最近，Jin等[24]在模拟微重力条件下成功构建了三维
组织工程骨结构。然而，Nishikawa等[16]研究表明，
3D回转培养(3D clinostat)会抑制新生骨的形成，这
种抑制作用是由于骨髓基质细胞向成骨细胞的分化受
限所致。
哺乳动物软骨组织的修复和再生能力弱，软骨
缺损的修复一直是临床上亟待解决的一个难题。而
困扰临床应用的关键因素是人工构建的软骨组织存
在细胞老化的问题。微重力组织和细胞培养可以提
供解决这些难题的一种方法。Freed 等[25]首次建立
了微重力条件下小牛软骨细胞三维培养模型，软骨
细胞可以生长在葡聚糖包被的微载体上，长达四个
月并保持细胞活力。此后，Freed等[26]于 1997年发
表了他们在空间微重力环境下构建软骨组织的研究
结果显示，空间微重力环境条件下能够构建软骨组
织，构建组织可以在空间中存活7 个月并保持细胞
活力，空间微重力条件下构建的组织与地面对照组
比较呈现更圆、更小的结构，但是生物机械能力要
差一些。Klement 等[27]研究认为RWVB 条件下软骨
构建的前期，细胞的生长受到抑制，容易引发一些
不正常的下游基因表达，但在软骨构建的晚期
R W V B 有利于软骨细胞的生长和发育。此外，
Hwang 等[28]采用鼠胚胎干细胞、藻酸盐胶囊和3D
旋转生物反应器进行骨组织构建，取得了较好的效
果。Hahn等[29]认为微重力环境可以作为动物内耳组
织发育、生长调控、器官分化和病理研究的一个很
好的体外培养模型。Song等[30]利用新型转壁式生物
反应器构建了三维组织工程骨，朱立新等[31]采用改
良纤维蛋白胶软骨膜块在模拟微重力条件下培养修
复关节软骨缺损。
由于在空间微重力环境下进行实验的机会较
少，因此前期的研究工作大多是在模拟微重力环境
下进行的，对空间微重力环境与地面模拟微重力环
境 组 织 构 建 差 异 的 认 识 还 很 肤 浅 。 最 近 ，
Stamenkovic等[32]研究比较了国际空间站(ISS)、地
面模拟微重力以及正常重力条件下新生软骨组织的
构建，结果显示ISS微重力条件下构建的新生软骨
组织较模拟微重力和正常重力条件下，呈现出较弱
的细胞外基质染色及较强的I/II型胶原表达；正常
重力下构建的组织聚集体其蛋白聚糖基因表达谱系
要高于其他两组；模拟微重力条件下构建的组织形
态大小介于两者之间。
骨髓间充质干细胞是骨髓来源的具有多向分化
潜能的干细胞，在一定条件下，如在骨形成蛋白
(BMP)等调控因子的调控下可以分化形成成骨细胞，
参与骨的形成，因此许多学者开始将其作为研究微
重力条件下骨形成的优选种子细胞[33]。Terai等[34]应
用旋转式生物反应器培养骨髓间充质干细胞与聚乳
酸羟基乙酸(PGLA)，并进行组织工程骨构建，培
表 1 微重力生物反应器性能比较
旋转式容器 三维回转器 灌注室 灌注旋转室
(Rotating vessel) (3D Clinostat) (Perfused Chamber) (Perfused RCCS)
常用生物反应器
(Bioreactor)
体积 (cm3) 10、50或110 不确定 3、10或30 50或100
适用组织类型 心血管、软骨、拟胚体、 胚胎、骨、上皮、肝等 软骨、骨组织 软骨、骨骼、心肌、
　胰岛、皮肤等 心血管组织等
剪应力 很小 很小 中等 强
传质 弱 弱 中等 强
培养方式 悬浮、微载体、三维支 悬浮、贴壁、微载体、 贴壁、悬浮、微载 悬浮、微载体、三维
　架材料 三维支架 体、三维支架材料 支架材料、太空
1050 生命科学 第22卷
养 2 周后即出现钙化现象，培养7 周时细胞已被形
成的骨样组织包裹。模拟微重力环境中流体应力对
破骨细胞的功能特别重要，流体应力可以增加破骨
细胞标志分子的表达，改善三维支架内细胞基质的
空间分布。微重力灌注培养有利于骨髓基质细胞向
破骨细胞分化、增殖以及矿化物质的产生，此外，
生物机械力的刺激还有益于骨髓基质细胞向成骨细
胞分化，改善骨组织构建[35,36]。王常勇等[37]应用旋
转生物反应器和微载体技术体外大规模扩增了人骨髓
间充质干细胞。利用模拟微重力条件可促进人间充
质干细胞体外高效增殖[38]。
1.3.2　微重力条件下心肌组织构建
采用模拟微重力旋转生物反应器体外构建可供
移植的心肌组织对治疗心脏疾患具有重要的临床意
义，此外，构建的心肌组织还可作为心脏药物筛
选、心肌生理研究以及心脏发育和功能等研究的模
型。因此，微重力心肌组织工程研究开始受到国内
外学者的关注。近年来，在心肌组织工程的研究
中，刘兴茂等[39]利用旋转式细胞生物反应器模拟微
重力条件进行心肌细胞的体外培养，取得了较好的
实验结果，构建了具有同步自律收缩的三维组织。
Akins[8]等研究显示在微重力旋转生物反应器中培养
的新生大鼠心肌细胞三维聚集体的形态发生表现出
不同的表达模式，其血管的发生路径与体内心脏发
育类似。Akins 等[40]进一步证实，与二维生长的心
肌细胞相比，三维培养的多细胞聚集体 mRNA 表达
谱发生变化；内皮细胞的迁移通路上调；初始基
因(Nppa和Ankrd1)的表达下降，对三甲碘腺原氨酸
的敏感性增加。
1.3.3　微重力条件下胰岛的体外培养
体外扩增产生足够的可供移植用的胰岛细胞是
糖尿病治疗的一种理想方法，胰岛细胞移植可以有
效地纠正糖尿病患者的代谢紊乱，但如何获得足够
数量有功能的胰岛细胞一直是制约其发展的主要因
素。模拟微重力条件似乎有可能解决体外胰岛细胞
的三维扩增问题。微重力条件下培养的胰岛细胞结
构更接近于机体自身胰岛，且分泌功能优于普通培
养组，此外，胰岛在微重力条件下培养可降低移植
引起的免疫排斥反应，进而延长移植物体内存活时
间[41,42]。Murray等[43]研究认为旋转细胞培养系统可
以作为人胰岛和胰腺 β 细胞很好的体外培养工具，
培养的人胰腺可以长期保持对葡萄糖刺激的敏感作
用 。
Rutzkyl等[44]比较了静止常规培养和模拟微重力
生物反应器中培养的小鼠胰岛的特性，并分别移植
到由链脲菌素诱导产生糖尿病的小鼠体内。结果显
示，静止条件下或微重力条件下培养的同种异体胰
岛较新鲜胰岛存活期长100 d，而新鲜胰岛在15 d
内即被排斥。胰岛滴定实验显示要使移植后血糖达
到正常，新鲜胰岛或静止条件下培养的胰岛需要
250单位，而微重力条件下培养的胰岛仅需要30～
120 单位。此外，糖耐量测试也显示在移植 30 d
后，微重力条件下培养的胰岛优于另外两者，免疫
染色法和透射电镜分析发现，两种培养条件下，在
培养过程中，胰岛内的树突细胞会逐渐消失，而且
微重力条件下培养的胰岛的超微结构与静止条件下
培养的胰岛相比，前者更接近新鲜胰岛。
1.3.4　微重力条件下其它细胞的培养及组织重建
微重力条件同样对原代培养的肝细胞的生长，
对血管内皮细胞的生长及对角质细胞的生长和三维
组织构建具有很大的优势。有研究报道微重力条件
会影响干细胞的生长和分化[45]。Kawahara等[46]采用
3 D 回转器模拟微重力条件培养小鼠胚胎干细胞，
发现小鼠胚胎干细胞在无饲养层、无血清、不添加
LIF 的条件下培养仍可以保持干细胞特性，维持干
细胞向三个胚层分化的潜能。Cao 等[47]利用 NASA
研制的旋转器来模拟微重力研究了小鼠早期胚胎的
体外培养，取得了满意的结果。此外，我们利用
旋转器进行人表皮干细胞体外扩增及三维皮肤组织
构建，也取得了优于常规培养的结果。
2　空间组织工程研究存在的问题
尽管目前的研究表明，无论模拟微重力还是空
间微重力条件，都有可能成为构建组织工程器官的
良好环境；但是，微重力组织工程研究目前还存在
众多难题有待于克服。首先，地面模拟微重力生物
反应器产生的并非完全意义上的微重力环境，无论
是回转或旋转方法只能模拟局部微重力效应；其
次，细胞在回转或旋转培养的过程中受到众多因素
的影响，如细胞的相互碰撞、流体的剪切力等[48] ；
再次，从空间微重力环境组织构建来分析，需要证
明的是取自空间的三维工程化组织，一旦离开培养环
境能否依然维持组织的完整性，并保持正常的组织功
能。此外，我们知道空间环境复杂，空间中增加的
辐射可能会引起细胞DNA 的损伤，而DNA 过多的损
伤将造成空间环境下生成的组织发生基因突变[49]。
由此看来，微重力条件下构建的三维工程化组
织，其功能和生物学特性还得经过更精确的科学和
1051第10期 雷晓华，等：微重力条件下细胞培养和组织工程研究进展
临床验证。
3　空间组织工程研究发展趋势及应用前景
无论是地球上模拟微重力还是空间微重力环
境，都有可能为工程化组织分化提供产生条件。在
此条件下，一些在体内尚难生长的细胞(如神经细
胞和血管内皮细胞)亦能旺盛生长，而这些人工组
织作为潜在的组织替代物具有重要的临床意义，可
能为解决供体组织器官不足问题做出贡献。同样，
这些人工组织还可作为肿瘤学、毒理学、药物学等
不同领域的实验测试材料。目前，世界航天大国，
如美国、俄罗斯、欧州、日本等均把微重力生物
技术，尤其是组织工程技术研究作为其空间生命科
学的研究热点。美国国家科学委员会(NRC)在 2001
年提出的21世纪空间生命科学研究重点项目中就包
括认识微重力环境对细胞生长和组织形成基本性质
的影响。欧州航空局在2007年公布的微重力实验研
究概况中，也将空间细胞与分子生物学实验放入重
点研究项目之列。由日本政府、日本航天局、大
学和企业的科研人员组成的“宇宙再生医疗技术研
究会”召开研讨会，着手利用空间的微重力环境研
究开发人体器官和组织的再生技术。他们认为，以
培养和移植组织工程器官为主要手段的再生医学是
刚刚兴起的医疗技术，具有广阔的发展前景。
我国空间生命科学与空间生物技术的研究始于
二十世纪八十年代末，在863-2 和载人航天等国家
计划的支持下开展了一系列空间组织工程相关的地
基模拟和太空微重力实验研究，取得了开展空间细
胞和组织培养研究的直接经验，获得了一批科学研
究和空间实验硬件装置的研究成果。目前正在进行
的研究包括软骨细胞、肝细胞、心肌细胞、皮肤
干细胞、神经干细胞和杂交瘤细胞等多种细胞的微
重力三维培养。
微重力环境影响细胞的生命活动的作用机理尚
未完全揭示，不同类型细胞对微重力的生物学响应
也不相同，还有待于进一步深入地探讨和研究。但
可以预期的是，微重力条件下哺乳动物细胞三维培
养体系的成功建立，不仅能够为空间生物技术提供
科学研究和实验技术的创新平台，同时也有可能为
人类器官或组织移植提供丰富的材料来源，为组织
工程和再生医学的发展开辟新途径。
[参　考　文　献]
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