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太空细胞培养技术有何应用前景?

来源:中国航天科普网
发布时间:2020-12-30
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    细胞培养技术有两个科学目标,一是生物制药,利用某种特定细胞在生长、繁殖过程中的代谢分泌产物,研发预防和治疗某些疑难疾病的特效药物。二是从细胞学角度认识生命过程,乃至探索人造生物器官、生物部件,调控生物正常生长过程和再生过程等,服务于现代医学中的组织修复治疗,提高人类的健康水平。

    在地面研究中发现,从人体组织中分离的离体正常细胞只能二维、平面地生长为细胞单层,具有“接触抑制性”。换句话说,在地面上,离体细胞只能二维、平面地生长,很难实现体外培养一个可供使用的生物组织器官,这限制了生物技术组织工程的实用化发展。而在空间实验中发现,微重力环境下,细胞生长的“接触抑制性”趋于消失。通过设计合理的空间生物反应器,有望在空间生长出三维、立体的离体细胞和组织器官,从而提供用于组织修复的工程化组织和用于药物筛选的肿瘤模式组织。图1即为在模拟微重力效应条件下生长的人肝癌细胞团块。人的身体由100多万亿个细胞组成,这些细胞构成了各种组织,组织进一步形成了各种器官。1885年,W·鲁克斯(W.Roux)用温生理盐水在体外培养分离的鸡胚组织存活数月,开创了组织细胞培养的先河。近年来,国际上正在兴起一门新的学科——组织工程,它标志着医学将走出器官移植的范畴,步入制造组织器官的新时代。

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在模拟微重力效应条件下生长的人肝癌细胞团块

    就像苹果总是从树上往下掉那样,由于地球引力的作用,通常进行组织细胞培养时,培养物往往会自然沉降到培养器皿的底部,在二维方向上贴壁生长。然而,人体内组织细胞相互间的关系是三维的或立体的,单层或二维细胞培养技术很难获得与人体内真实状况相似或相同的组织细胞,无法实现由离体细胞重建组织这一构想。

    组织工程也称为“再生医学”或“人体零部件加工厂”,是运用生命科学和工程学的原理与技术,研究、开发组织器官的生物替代物,用于修复、重建和改善因病变或损伤而丧失或衰竭的组织器官的功能,其核心是动物细胞三维培养技术。

    在太空,由于处于微重力环境,大大小小不同的组织细胞可以均匀悬浮,在三维方向自由生长,不会因为密度的不同导致不同的沉降速度,影响彼此间的接触与沟通。20世纪80年代末,美国研究人员开创了微重力组织工程,迄今已对广泛类群的细胞开展了空间研究,并取得了可喜的进展。2007年,以色列科学家采用三维培养技术研制出世界上第一颗会搏动的“微型心脏”。由此可见,细胞三维培养与组织工程正在不断绽放出灿烂的花朵。

    我国科学家在神舟号飞船上对4种细胞进行了培养,着重于细胞分泌产物的药用价值研究和细胞组织培养技术研究。 由实验结果可知,NK92细胞在空间生长得又快又好,能聚集成较地面更大的团块。此外,我国科学家还利用地面微重力效应模拟装置建立了软骨、骨和肝组织等的三维培养模型 

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神舟号飞船上培养的NK92细胞团块

    可以预见,哺乳动物细胞和组织三维培养体系的成功建立,将为人类组织细胞移植提供丰富的材料,摆脱依赖人类机体移植的种种限制。有朝一日,如果有人失去了耳朵,不用担心,科学家可以帮他重新长出一只耳朵;肝脏坏了,也可以给他安装一个通过移植肝细胞和合成纤维制造的“新器官”;糖尿病患者无须再频繁地注射胰岛素,因为他们有了可用的生物替代“胰腺”……这不是幻想,而是在科学家的努力下正在逐步成为现实。

知识点问答
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世界上第一颗会搏动的“微型心脏”是()科学家采用三维培养技术研制出的。
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