研究人员指南 ： 细胞生物学

细胞生物学国家航空航天局研究人员指南 ： 本国际空间站 （ ISS ） 研究人员指南由 NASA ISS 计划科学办公室出版。作者:Richard Mains ， Sharon Reynolds ， Mains Associates ， 加利福尼亚州伯克利。Tacey Baker ， Wyle 综合科学与工程 ， NASA 约翰逊航天中心 Kevin Sato ， 洛克希德马丁公司 / NASA 艾姆斯研究中心执行编辑 ： Amelia Rai 技术编辑 ： Neesha Hosein 设计师 ： Cory Duke盖和后盖:a.这张照片是来自干细胞实验的荧光显微镜图像 ， 该实验检查了干细胞组织祖细胞的机械转导 ； 肌动蛋白纤维是红色的 ， 粘着斑是绿色的。 （ 图片来源 ： Eduardo Almeida ）b.封底 ： 生物培养系统飞行硬件 ， 用于在国际空间站进行细胞培养实验。 (图片来源 ： NASA / Dominic Hart)c.封底 ： 培养的心肌细胞将在生物培养系统硬件中生长。 (图片来源 ： NASA / Elizabeth Blaber)2 实验室是开放的国际空间站计划的任务是推进科学和技术研究，扩大人类知识，激励和教育下一代，促进太空的商业发展，并展示实现近地轨道 （ LEO ） 以外的未来探索任务的能力。这本小册子是 ISS 的 15 个研究人员指南系列之一，旨在为未来的研究人员介绍 ISS 的能力，特征，资源，过程，经验教训和在细胞生物学的一般主题领域获得的知识。科学家约翰 · 弗里曼为航天实验准备了模式生物拟南芥的幼苗 ， 以检查基因表达的变化。 (图片来源 ： NASA / Dominic Hart) 44 1. 微重力,2. 极端条件3. 低地球轨道5国际空间站研究环境的独特特征1.微重力失重或失重改变了物理和生命科学中许多可观察到的现象。受微重力影响的系统和过程包括表面润湿和界面张力，多相流和传热，多相系统动力学，凝固以及火灾现象和燃烧。微重力诱导了从细菌到人类的生物体的大量变化，包括。基因表达的整体改变和细胞三维聚集成组织样结构。2.极端条件在国际空间站的空间环境中 ， 包括暴露于极端的高温和低温循环 ， 超真空 ， 原子氧和高能辐射。对暴露在这些极端条件下的材料进行测试和鉴定提供了数据 ， 使人们能够制造在地球上以及世界上最先进的卫星和航天器部件中使用的长寿命可靠部件。3. 低地球轨道倾斜 51 度和 90 分钟的轨道为国际空间站提供了一个独特的有利位置 ， 高度约为 240 英里 （ 400 公里 ） ， 轨道路径超过地球人口的 90 ％ 。与典型的地球遥感卫星的太阳同步轨道相比 ， 这可以提供更高的空间分辨率和可变的照明条件。5 目录为什么使用 ISS 作为细胞生物学研究的实验室 ：问题和区域7区域7过去的结果Research10国际空间站研究的机会 ：NASA 和空间科学促进中心 （ CASIS ）16NASA16Funding17在国际空间站和国际空间站上进行细胞生物学实验的设施如何选择他们18(ABRS)18模块)19(BSTC)19(CGBA)20设施22Lessons已学习23ISS 有效载荷 / 实验物流和运营Scenarios23实施 ISS 运营的优化策略 ：生物文化系统24旋转壁容器 （ RWV ） ： 微重力模型系统26发展与飞行研究ISS28Conditions28微重力28曝光28压力29ISS29实验30职责30职责31实验31要求31Testing32控件32测试32项目集成测试32进行太空飞行实验 ： 有效载荷飞行Operations32融资机会 / 点联系人34引文35附录39List396首字母缩略词47 7为什么使用 ISS 作为细胞实验室生物学研究 ： 问题与领域用于本 ISS 研究指南的细胞生物学定义包括细胞培养，组织培养和相关的微生物 （ 单细胞生物 ） 实验。这些基于细胞的微重力研究支持空间探索和地球应用的许多基础和应用研究领域。这样的研究允许进行具有许多重复的实验，对各种任务场景的适应性，自动化许多过程的能力以及对实时结果分析的适应性。此外，可以使用许多建模的微重力方法来定义和完善飞行实验，从而增加太空实验成功的可能性。本系列的补充研究指南已被开发 ， 名为《国际空间站微生物研究人员指南》 ， 重点关注与 ISS 相关的人类宿主微生物 / 毒理学 / 药物相互作用 （ Castro 等人 ， 2013 年 ） 。研究领域在过去的 40 亿年中 ， 生命随着地球上许多物理和环境变化而进化和适应。然而 ， 一个关键特征是重力加速度为 9.8 米 / 秒 2 (米 / 秒平方) 时没有变化。因此，由于平台在地球周围的连续自由落体，国际空间站上的微重力为细胞和组织适应的新发现提供了独特的机会。这些新发现可用于理解长期太空飞行过程中人类健康的变化以及生物医学研究，组织工程，宿主 - 毒素相互作用，宿主 - 病原体相互作用，疫苗开发，药物敏感性测定和药物发现。使用重力作为变量可以进行两大类空间细胞生物学研究 ： （ a ） 了解生命对重力变化的反应的基本机制，以及 （ b ） 使用重力作为工具来促进依赖于体外组织培养和新兴的生物应用组织工程领域。 8在过去的 40 年中，由 NASA 太空生物学和生命科学计划领导的基本细胞生物学实验已经为细胞系统如何应对太空飞行提供了大量知识基础。在基因表达变化，细胞形态，运动，跨膜信号传导，代谢和细胞 - 细胞缔合的变化中已经看到了适应。分析能力的进步，加上利用重力作为变量，已经产生了许多同行评审的航天实验出版物。此外，3D 细胞培养系统已在世界范围内用于模拟微重力，并已成为有价值的飞行前实验模型，飞行中实验控制和基于地面的研究能力，从而产生了大量的知识 （ NASA，2010 ； 国家研究委员会 [U.S.]，2011 ； 迈尔斯等人。， 2013) 。ISS 国家实验室为微重力环境中的细胞生物学研究，新发现和创新提供了宝贵的平台和环境。机会领域包括细胞生物学和组织培养研究，使用 3 - D 组织模型的组织工程研究，生物制药生产，宿主 - 微生物相互作用，宿主 - 毒理学相互作用以及宿主 - 药物敏感性和耐药性。对于最后两个机会，与 3 - D 组织模型有很强的联系，这些问题说明了空间细胞生物学和之间的一些重叠。微生物研究。 9研究问题主题区域潜在的研究问题细胞对微重力和微重力引起的物理力变化的响应微重力诱导的细胞形状 ， 细胞结构 ， 功能 ， 基因表达或其他改变如何有助于理解细胞和组织对微重力的反应 ？这些新信息如何有助于长期太空飞行和地球医学 ？ 特别感兴趣的领域是 ：•细胞和微生物复制包括遗传和代谢调节。•真核细胞产生 / 维持其内部细胞结构的能力。•细胞分裂和分化 ； 细胞间相互作用和通讯 ； 细胞内信号传导。•基因表达 / 染色体研究。•免疫细胞反应。•“组学 ” 研究。•澄清由于传质减少和 / 或细胞上的物理力变化而引起的微重力效应。•联合航天环境对微重力和辐射细胞的影响。三维组织模型的组织工程如何利用微重力来改善组织工程、癌症和再生医学中的天基研究和地球研究的三维组织模型的生长 ？ 增加微生物生物膜形成和相关的潜在疾病的因素是什么 ？ 使用模拟慢性空间飞行环境条件的三维组织模型可以进行什么样的地面辐射研究 ？宿主 - 微生物相互作用微重力诱导的改变对病原体和有益微生物与细胞和组织模型的相互作用有什么影响 ？ 如何将这些信息应用于长期太空飞行和地球医学的操作 ？宿主 - 毒理学相互作用和宿主 - 药物敏感性和耐药性毒素和药物与细胞组织模型的相互作用有什么影响 ？ 如何将这些信息应用于长期太空飞行 ， 地球医学和商业应用的操作 ？表 1 ： ISS 细胞生物学研究的机会。 10过去的结果Research过去的航天实验结果表明，哺乳动物细胞可以通过深刻的形状变化，基因表达改变，跨膜信号传导减弱，分化改变，次级代谢增加和组织形态发生改变来响应。变化的基础被认为是细胞对重力变化或细胞培养条件的直接响应。微重力创造的环境。前者可以调用细胞内的内在响应结构。后者将暗示重力驱动的对流和静水压力梯度的损失，传质方式的后续变化以及作为细胞反应病因的强制形状变化。这些替代品在微重力科学中提出了关键问题，对太空中的生物科学和人类健康都有影响。了解细胞中基因表达的变化有助于理解在组织水平 ， 器官 ， 系统以及最终生物体本身发生的变化的基础。这种方法支持平行研究在人类健康，基础生物学以及基于地球的生物医学和生物技术研究与开发中。了解细胞对微重力的反应可以揭示细胞功能的潜在机制，可以增加基础知识，并为生物技术和商业发展提供独特的机会。组织形态发生的观察结果增强了后者的前景。对微生物 ， 即细菌和真菌的早期研究表明 ， 在微重力条件下生长时 ， 它们的种群密度高于在地面上相似条件下生长培养物的种群密度。较高的细胞密度这可能是由于细胞在培养基中更均匀的分布，与地面上发生的细胞沉降不同。这些研究还表明，太空飞行导致一些细菌物种变得对普通抗生素更具抗性 （ 克劳斯和霍华德，2006 ） 。通过对注射了太空飞行细菌的小鼠进行的地面研究证实了毒力的增加 （ Wilso 等人。， 2007) 。最近，一项太空飞行实验发现，病原体鼠伤寒沙门氏菌的太空培养培养物的毒力明显高于地面上的可比培养物 （ Wilso 等人。， 2007) 。核糖核酸 （ RNA ） 微阵列分析显示，超过 160 个基因转录本的基因表达发生变化，其中之一是跨物种，保守，RNA 结合，调节蛋白，Hfq，。 11参与 RNA 转录。已发现 Hfq 在几种致病菌的微生物毒力中起作用。这些数据表明，Hfq 可以在细菌的太空飞行反应中发挥关键的调节作用，并观察到毒力增加，这一结果对长期太空飞行具有深远的意义。由于宇航员和宇航员在封闭环境中居住的时间更长，并使用循环水和空气，因此微生物污染的可能性增加，这可能会影响他们的健康，安全和性能。更令人担忧的是，不断有报道称太空飞行会抑制免疫功能，这表明在长时间太空飞行期间和之后，疾病因素可能更难治疗。太空飞行的植物也显示出显著水平的基因表达改变 (Pal 等人。， 2013 [Salmi 和 Rox，2008]) 。同样，类似于动物的免疫功能受到抑制，进行太空飞行的植物中细胞壁组成的改变可能导致太空中生长的植物对病原体攻击的敏感性增加 （ Ryba - White 等人。， 2001) 。已显示太空飞行会影响多种哺乳动物细胞类型，包括骨骼，骨髓细胞，软骨和肌腱，从而导致基质产生减少或基质组成改变 （ Doty 等人。， 1992 年，1999 年) 。航天飞行如何影响骨细胞还没有很好的理解。例如，细胞如何感知和响应重力的变化 ？ 一些科学家认为，某些细胞类型在暴露于微重力时，会降低其活动或代谢以及通常产生的新蛋白质的数量。这种暴露于微重力可能会影响成熟的分化细胞 （ 特定器官样骨的最终细胞类型 ），使得细胞在太空飞行期间产生 “信号 ”，使其进入“ 静止 ” 阶段。另一种可能性是细胞分裂周期被延迟。细胞发育成分化状态比正常细胞慢得多。一系列太空飞行实验表明，太空飞行抑制了巨噬细胞的造血分化 ； 其他实验表明，使用鼠原代巨噬细胞培养物在微重力下的骨髓细胞分化注意到骨髓细胞亚群的表型变化 （ Chapes 等人。, 1999).在太空中飞行的人肾细胞培养物 （ Hammond 等人 ， 1999 年 ） 对微重力的遗传反应超出了所有预期。根据与地面对照相比的航天培养物的 RNA 微阵列分析 ， 在检查的 10, 000 个基因中 ， 有 1, 600 多个显示出在太空飞行细胞中的变化。研究人员现在开始关注受影响的特定基因组 12微重力。这种细胞生物学研究的 NASA 衍生产品 ， 即旋转壁容器 （ RWV ） 生物反应器 ， 被开发用于在模拟颗粒在实际微重力下生长的培养物中经历的自由落体的环境中培养细胞。这种独特的生物反