微重力對(duì)免疫細(xì)胞影響的分子機(jī)制

由于存在巨大的差異，尤其是微重力環(huán)境，人類可以長期留在空中。然而，自阿波羅號(hào)首次空飛以來，大約一半的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌和病毒等疾病。這項(xiàng)研究表明，在微重力條件下，病微生物易于突變，毒力增強(qiáng)。此外，越來越多的研究表明，微重力環(huán)境也是器官功能下降的重要原因之一，這讓患者更容易將不同的革蘭氏病從人類的社會(huì)保障系統(tǒng)中分離出來。人類社會(huì)保障系統(tǒng)是由許多免疫細(xì)胞組成的巨大網(wǎng)絡(luò)防御障礙，主要包括適應(yīng)性免疫和固有性免疫，在身體的抗感染防御中發(fā)揮著非常重要的作用。微重力環(huán)境對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的防御有重要影響。本文深入研究了微重力對(duì)各種免疫細(xì)胞功能的影響，并進(jìn)一步闡明了其作用機(jī)制。預(yù)防和控制未來人類對(duì)太空飛行運(yùn)動(dòng)的隨后感染，對(duì)于預(yù)防和控制未來的太空飛行運(yùn)動(dòng)具有非常重要的理論意義。目前，這項(xiàng)研究主要是在模擬微重力（如太空飛行和太空飛行）和在基本狀態(tài)下模擬微重力效應(yīng)的條件下進(jìn)行的。1飛行對(duì)機(jī)體免疫細(xì)胞功能的影響到目前為止,世界上已有大約幾百名宇航員經(jīng)歷了太空飛行,但是人類所掌握的關(guān)于機(jī)體免疫系統(tǒng)對(duì)太空飛行適應(yīng)方面的信息還非常有限,多數(shù)的研究數(shù)據(jù)是通過分析返回地面的宇航員或?qū)嶒?yàn)動(dòng)物的體液及組織標(biāo)本而獲得的.我們通過綜合分析近二十多年的相關(guān)研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)著陸后各種免疫細(xì)胞在體內(nèi)的分布和功能改變?cè)谌祟惡褪箢悇?dòng)物研究中差異較大(表1和2).在經(jīng)歷太空飛行后,無論人類還是鼠類,外周CD3+T細(xì)胞比例都有所降低,且飛行時(shí)間越長,降低越明顯;外周血中性粒細(xì)胞的數(shù)量則顯著升高[13~17].在鼠類,CD4+及CD8+T亞群細(xì)胞、B細(xì)胞、單核細(xì)胞的比例或數(shù)量都明顯低于地面對(duì)照組,而經(jīng)歷不同飛行任務(wù)后的宇航員體內(nèi)這些外周淋巴細(xì)胞亞群或沒有明顯變化,或出現(xiàn)升高或下降現(xiàn)象[12,13,14,15,16,18,19,20].免疫細(xì)胞功能檢測數(shù)據(jù)顯示(表2),太空飛行使機(jī)體外周T細(xì)胞在活化后分泌白介素2(interleukin,IL-2)能力降低,而產(chǎn)生干擾素uf067(interferonuf067,IFN-γ)的能力則依據(jù)不同的刺激因子、不同的種屬而不同,而且人體不同T細(xì)胞亞群在IFN-g分泌方面對(duì)太空飛行的敏感性也有所不同,其中CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生IFN-γ明顯減少,CD8+T細(xì)胞IFN-g產(chǎn)生則沒有明顯變化.太空飛行導(dǎo)致的免疫細(xì)胞分布和功能的改變除了與機(jī)體所處的重力環(huán)境改變有關(guān)之外,還與空間輻射環(huán)境、機(jī)體營養(yǎng)狀態(tài)以及在起飛、飛行及著陸過程中生理及心理應(yīng)激方面的改變有關(guān),如此眾多的影響因素可能是造成上述研究結(jié)果在人類之間及人類與鼠類動(dòng)物之間出現(xiàn)差異的原因之一.此外,每次飛行特點(diǎn)不同、人類機(jī)體相對(duì)復(fù)雜及每次參與飛行的人數(shù)較少等可能是造成研究結(jié)果存在較大差異的重要原因.經(jīng)歷9~14d太空飛行的17名宇航員中有9人在飛行過程中或返回地面后發(fā)生多種皰疹病毒(如巨細(xì)胞病毒,水痘病毒及EB病毒等)感染,而且發(fā)生感染者血中Th2型細(xì)胞因子IL-4比對(duì)照組升高約21倍,Th1型細(xì)胞因子IFN-γ僅升高了2倍,提示Th細(xì)胞向Th2型轉(zhuǎn)化,此現(xiàn)象在地基頭低位臥床實(shí)驗(yàn)中也得到證實(shí).此外,宇航員著陸后,其外周血中的單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞的吞噬和氧爆發(fā)功能均明顯降低,單核細(xì)胞的脫顆粒功能也明顯受到抑制.以上機(jī)體免疫細(xì)胞功能受抑制的現(xiàn)象可能是宇航員在太空飛行過程中或著陸后易發(fā)生感染的重要原因.2微重力對(duì)b細(xì)胞的影響適應(yīng)性免疫包括細(xì)胞免疫和體液免疫,分別由T細(xì)胞和B細(xì)胞介導(dǎo),是機(jī)體抗感染的重要防御機(jī)制.目前,關(guān)于微重力影響B(tài)細(xì)胞功能方面的研究還比較少,本文主要綜述了T細(xì)胞在微重力條件下的相應(yīng)改變.2.1模擬微重力效應(yīng)對(duì)t細(xì)胞激活的作用一個(gè)完整的T細(xì)胞免疫應(yīng)答,不論是CD4+還是CD8+T細(xì)胞,均可人為地分為活化期、擴(kuò)增期、收縮期與記憶形成期,其中T細(xì)胞的活化和增殖對(duì)免疫應(yīng)答起關(guān)鍵作用.在國際空間站(theInternationalspaceStation,ISS)真實(shí)微重力環(huán)境中,人外周血T細(xì)胞在刀豆蛋白A(concanavalinA,ConA)或抗CD3/CD28抗體刺激活化早期即出現(xiàn)多種基因表達(dá)下調(diào)的現(xiàn)象,提示微重力環(huán)境對(duì)于T細(xì)胞活化存在明顯的調(diào)節(jié)作用.在地基條件下模擬微重力效應(yīng)發(fā)現(xiàn),人及動(dòng)物T細(xì)胞對(duì)ConA及PHA(植物血凝素,phytoheagglutinin)等有絲分裂原及抗CD3/CD28抗體的反應(yīng)性明顯減弱,CD25,CD69,CD71等活化標(biāo)志分子的表達(dá)降低,細(xì)胞增殖明顯受到抑制,IL-2,IFN-uf067等細(xì)胞因子分泌也相應(yīng)減少[27~29],這在拋物線飛行模型中也得到證實(shí).以小鼠為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn),T細(xì)胞對(duì)ConA刺激反應(yīng)的受抑制程度依賴于微重力環(huán)境暴露持續(xù)時(shí)間的長短,當(dāng)模擬微重力效應(yīng)培養(yǎng)超過8h,培養(yǎng)時(shí)間越長,T細(xì)胞的活性就越低,而且細(xì)胞因子分泌和細(xì)胞增殖下降也越明顯.以上研究均是在給予微重力培養(yǎng)的同時(shí)給予T細(xì)胞活化刺激,證明微重力對(duì)活化T細(xì)胞具有抑制作用,本研究組研究發(fā)現(xiàn),如果T細(xì)胞在靜息狀態(tài)即給予模擬微重力效應(yīng)三維培養(yǎng),即使轉(zhuǎn)為二維靜息培養(yǎng)其活化也明顯受到抑制(未發(fā)表數(shù)據(jù)).另有報(bào)道顯示,體外應(yīng)用傾斜軸式微重力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(drop-shafttypeofmicrogravityexperimentsystem)建立極短時(shí)間(10s)的模擬微重力效應(yīng),不僅能降低T細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用(cytotoxicTlymphocyteactivity,CTL),同時(shí)細(xì)胞中熱休克蛋白60(heatshockprotein,HSP60)的表達(dá)也急劇下降.由此可見,即使暴露時(shí)間很短,微重力環(huán)境也會(huì)對(duì)T細(xì)胞的功能產(chǎn)生抑制作用.此外,如果將微重力條件下PHA刺激48h的人外周血單核細(xì)胞轉(zhuǎn)為二維靜息培養(yǎng),并繼續(xù)給予PHA刺激,T細(xì)胞的活化增殖能力在72h內(nèi)能夠得到完全的恢復(fù),這說明微重力對(duì)T細(xì)胞活化的作用不是永久性抑制,而是可逆的.另有Sastry等人應(yīng)用合成的病毒肽段刺激模擬微重力效應(yīng)下培養(yǎng)的T細(xì)胞,結(jié)果發(fā)現(xiàn)微重力效應(yīng)能夠使T細(xì)胞喪失抗原特異性的細(xì)胞毒性作用,這種抑制作用可能與微重力抑制抗原特異性T細(xì)胞增殖、促進(jìn)其凋亡有關(guān).這進(jìn)一步證實(shí),微重力效應(yīng)不僅能夠抑制有絲分裂原對(duì)T細(xì)胞的多克隆活化作用,還能抑制抗原特異性活化反應(yīng).以上模擬微重力效應(yīng)研究結(jié)果證實(shí),微重力對(duì)T細(xì)胞受體(Tcellreceptor,TCR)信號(hào)介導(dǎo)的T細(xì)胞增殖、因子分泌和活化標(biāo)志分子的表達(dá)都有直接抑制作用,提示太空飛行的宇航員機(jī)體免疫細(xì)胞的改變至少部分是宇宙微重力環(huán)境直接作用的結(jié)果.2.2模擬微重力效應(yīng)對(duì)t細(xì)胞活化信號(hào)的影響微重力對(duì)T細(xì)胞影響的分子機(jī)制研究仍有待深入.應(yīng)用抗CD3/CD28抗體刺激純化的T細(xì)胞,在微重力效應(yīng)下T細(xì)胞的反應(yīng)明顯減弱,提示T細(xì)胞活化信號(hào)的傳導(dǎo)受到了微重力的抑制.蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)是絲/蘇氨酸激酶家族成員之一,在真核細(xì)胞增殖和分化信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮關(guān)鍵的作用.PKC包括多種異構(gòu)體形式,而且各異構(gòu)體在活化后具有不同的生物功能,比如PKCuf071異構(gòu)體在TCR信號(hào)傳遞中起關(guān)鍵作用,而其他異構(gòu)體包括uf061,uf062,uf064和uf065異構(gòu)體可能與IL-2和IL-2受體的表達(dá)以及Fas配體誘導(dǎo)的凋亡有關(guān).PKC一旦活化,在細(xì)胞內(nèi)則由其受體RACK’s識(shí)別而向細(xì)胞的相應(yīng)位置發(fā)生遷移,繼而發(fā)揮磷酸化功能.研究表明,活化的人外周血白血病T細(xì)胞系Jurkat細(xì)胞內(nèi)PKC的數(shù)量隨著重力水平的變化而發(fā)生負(fù)向變化.在微重力條件下,細(xì)胞內(nèi)PKC總量是地面1個(gè)g重力下的2倍,并且用放射性同位素標(biāo)記的PKC激活劑佛波醇酯(aradiolabeledphorbolester,3H-PDBu)檢測發(fā)現(xiàn),PKC在細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)的分布也隨著重力的改變而改變,其中在細(xì)胞核中PKC的量隨重力水平的降低而增加,而在細(xì)胞質(zhì)中的PKC量則隨重力水平的降低而減少,細(xì)胞膜上沒有明顯變化.這提示微重力可通過影響PKC的遷移而影響其功能的發(fā)揮.另有研究顯示,在微重力條件下,PKCuf073異構(gòu)體遷移減少,PKCuf062II異構(gòu)體的遷移沒有變化.在微重力效應(yīng)下,盡管活化T細(xì)胞內(nèi)PKC活性受到明顯抑制,但細(xì)胞膜表面ConA結(jié)合蛋白結(jié)合ConA的過程作為活化啟始信號(hào)在太空飛行中卻沒有發(fā)生改變,提示活化信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)的傳遞受到抑制.PMA是TCR細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路上信號(hào)分子二酰基甘油(diacylglycerol,DAG)類似物,它可以自由通過細(xì)胞膜而繞開細(xì)胞膜受體直接激活PKC.離子霉素作為鈣離子載體能夠增加細(xì)胞內(nèi)的鈣離子流,從而增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子依賴的信號(hào)傳遞.研究顯示,微重力對(duì)T細(xì)胞活化信號(hào)細(xì)胞內(nèi)傳遞的抑制作用能夠被單純亞劑量的PMA恢復(fù),這提示我們?cè)赑KC上游和TCR/CD3下游之間存在重力敏感分子.而單純的離子霉素則不能恢復(fù)微重力對(duì)T細(xì)胞活化的這種抑制作用,提示模擬微重力效應(yīng)沒有對(duì)鈣離子依賴信號(hào)產(chǎn)生影響.如果該假設(shè)成立,則在模擬微重力效應(yīng)條件下,鈣離子依賴的信號(hào)應(yīng)該保持活化狀態(tài).Morrow研究發(fā)現(xiàn),在模擬微重力條件下,T細(xì)胞活化后,鈣依賴的磷酸酶(calcineurin)能夠使胞質(zhì)中活化T細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子(nuclearfactorofactivatedTcells,NFAT)發(fā)生正常去磷酸化進(jìn)而進(jìn)入細(xì)胞核參與IL-2的轉(zhuǎn)錄,這進(jìn)一步證實(shí)微重力效應(yīng)對(duì)鈣信號(hào)沒有抑制作用.NFAT進(jìn)入核內(nèi)后,其與IL-2啟動(dòng)子結(jié)合受活化因子蛋白I(ActivatorproteinI,AP-1)調(diào)控,而在微重力下,AP-1活化明顯受到抑制,因此NFAT在細(xì)胞核內(nèi)不能有效參與IL-2轉(zhuǎn)錄.為了進(jìn)一步找到PKC上游和TCR/CD3下游之間存在的重力敏感分子,Simons等人用CD3/CD28抗體啟動(dòng)CD4+T細(xì)胞的TCR信號(hào),然后檢測在微重力條件下經(jīng)典TCR信號(hào)通路上的功能分子,結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)TCR通過DAG傳遞信號(hào)通路上下游分子(包括PKC)的功能均沒有明顯變化.之前Boonyaratanakornkit等人的研究也證明PKC及其上游分子LAT(linkerofactivationinTcells)在微重力條件下都沒有明顯變化.這與微重力能夠抑制PKC功能的研究大相徑庭,而造成這種矛盾的原因可能在于TCR活化刺激時(shí)間的不同.當(dāng)TCR活化刺激時(shí)間在5~90min之內(nèi)時(shí),微重力對(duì)TCR-PKC通路沒有明顯影響,而如果刺激時(shí)間達(dá)到48h時(shí),PKC的功能即受到明顯抑制,因此提示我們微重力對(duì)T細(xì)胞活化后期的影響可能主要是通過抑制PKC通路來實(shí)現(xiàn)的.與PKC相同,另一個(gè)T細(xì)胞活化的關(guān)鍵信號(hào)分子磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol3-kinase,PI3K)在T細(xì)胞活化早期也不會(huì)受到微重力的影響,而在活化后期是否也不會(huì)受到影響還有待進(jìn)一步研究.T細(xì)胞活化早期各種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控基因表達(dá),其中核轉(zhuǎn)錄因子kappaB(nuclearfactorkappaB,NF-uf06bB),環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CAMP-responseelementbindingprotein,CREB),AP-1和轉(zhuǎn)錄信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)活化蛋白(signaltransducingactivatoroftranscription,STAT)大約控制59%的基因表達(dá).蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)直接調(diào)控CREB的磷酸化,同時(shí)也參與NF-uf06bB的調(diào)控.基因芯片檢測發(fā)現(xiàn),在模擬微重力條件下,NF-uf06bB和CREB表達(dá)明顯受到抑制,T細(xì)胞活化早期,CREB磷酸化水平明顯降低,說明PKA通路因受微重力影響而無法正常傳遞,進(jìn)而抑制T細(xì)胞的早期活化.對(duì)T細(xì)胞在真實(shí)微重力環(huán)境中(國際空間站,ISS)活化早期基因表達(dá)芯片分析也同樣發(fā)現(xiàn)Rel/NF-uf06bB,CREB目標(biāo)基因表達(dá)明顯下調(diào),而且cRel自身的表達(dá)也明顯受到抑制.進(jìn)一步的基因連通性分析(analysisofgeneconnectivity)提示微重力可通過抑制TNF通路而抑制機(jī)體防御病原菌感染的炎癥反應(yīng).此外,在地基模擬微重力條件下,AP-1的活化也受到明顯抑制,這可能與T細(xì)胞活化過程中IL-2的分泌受到抑制有關(guān).T細(xì)胞活化可以人為地劃分為活化期、增殖期、收縮期及記憶生成期,在微重力條件下,T細(xì)胞的活化及增殖明顯受到抑制,此時(shí)細(xì)胞處于代謝靜止及細(xì)胞周期停滯狀態(tài).p21Waf1/Cip1蛋白是細(xì)胞周期抑制蛋白,通過抑制細(xì)胞周期蛋白B1/Cdc2復(fù)合體的活性而導(dǎo)致細(xì)胞周期進(jìn)入停滯狀態(tài).p21是抑癌基因p53作用的靶分子之一,其基因表達(dá)受p53轉(zhuǎn)錄調(diào)控,提示p21可能在p53依賴的細(xì)胞周期停滯及凋亡發(fā)生過程中發(fā)揮作用.在微重力條件下,由CD3/CD28活化的T細(xì)胞p21蛋白表達(dá)明顯上調(diào),而且只經(jīng)過20s的拋物線飛行,Jurkat細(xì)胞p21在基因水平即出現(xiàn)表達(dá)上調(diào),說明微重力是通過p21蛋白實(shí)現(xiàn)抑制細(xì)胞周期的作用.微重力狀態(tài)下細(xì)胞周期蛋白表達(dá)的異常可能也是引起機(jī)體免疫功能低下的原因之一,免疫細(xì)胞所感受的微重力可能作為一種應(yīng)激信號(hào)快速地傳入細(xì)胞而引起細(xì)胞周期停滯,這可能是細(xì)胞的一種保護(hù)性反應(yīng),通過節(jié)約能量而使細(xì)胞能夠快速恢復(fù).此外,T細(xì)胞活化時(shí),細(xì)胞骨架在促進(jìn)細(xì)胞膜表面結(jié)合活化因子以及向細(xì)胞核內(nèi)傳遞信號(hào)等過程中也具有重要作用.研究證明微重力環(huán)境對(duì)T細(xì)胞本身的細(xì)胞骨架成分也存在干擾作用.將Jurkat細(xì)胞置于微重力環(huán)境下,結(jié)果發(fā)現(xiàn)有大量的凋亡細(xì)胞出現(xiàn),而且有50%以上的細(xì)胞出現(xiàn)微絲結(jié)構(gòu)的改變,細(xì)胞中線粒體數(shù)量明顯增加,線粒體脊遭到嚴(yán)重破壞,結(jié)果造成了線粒體在細(xì)胞的一端積聚,線粒體功能下降,最終引起細(xì)胞凋亡的增加.應(yīng)用熒光標(biāo)記的ConA在模擬微重力效應(yīng)下與Jurkat細(xì)胞共孵育,在熒光顯微鏡下觀察波形蛋白(vimentin)和肌動(dòng)蛋白(actin)改變,結(jié)果發(fā)現(xiàn)波形蛋白結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了粗大束狀改變,在微重力環(huán)境中這種異常結(jié)果明顯增加,而肌動(dòng)蛋白改變不明顯.至于微重力對(duì)細(xì)胞骨架是如何產(chǎn)生影響,這種影響與T細(xì)胞功能異常之間是否存在直接關(guān)系目前研究的還不深入.在微重力環(huán)境下,細(xì)胞凋亡引起的細(xì)胞數(shù)量減少也可能是T細(xì)胞功能下降的原因之一.在ISS,將人淋巴細(xì)胞置于真實(shí)微重力下48h,即可觀察到DNA斷裂片段及ADP核糖聚合酶(ADP-ribosepolymerase,PARP)蛋白表達(dá)等凋亡特征的出現(xiàn),此外還有凋亡相關(guān)標(biāo)志p53、鈣蛋白酶(calpain)表達(dá)升高,提示微重力環(huán)境可以引起T細(xì)胞凋亡增加.5-脂氧化酶(5-lipoxygenase,5-LOX)的早期活化在凋亡程序啟動(dòng)中發(fā)揮核心作用,在真實(shí)微重力下,以上凋亡特征的出現(xiàn)伴隨著該酶的增加,提示微重力引起的細(xì)胞凋亡可能依賴于5-LOX.2.3微重力影響體細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)dp細(xì)胞t細(xì)胞發(fā)育的作用胸腺是T細(xì)胞增殖、分化和成熟的重要場所,CD4uf02dCD8uf02d雙陰性(doublenegative,DN)淋巴祖細(xì)胞進(jìn)入胸腺后發(fā)育成CD4+CD8+雙陽性(doublepositive,DP)細(xì)胞,繼而經(jīng)過陽性選擇和陰性選擇最后發(fā)育成成熟的CD4+和CD8+單陽性(singlepositive,SP)細(xì)胞,從胸腺輸出至外周發(fā)揮適應(yīng)性免疫功能.當(dāng)T細(xì)胞在胸腺內(nèi)發(fā)育異常時(shí),輸出的T細(xì)胞功能也會(huì)發(fā)生異常.鼠胚胎胸腺器官培養(yǎng)(fetalthymusorganculture,FTOC)是研究T細(xì)胞發(fā)育的經(jīng)典模型.這一模型一方面可以在體外實(shí)現(xiàn)維持胸腺內(nèi)細(xì)胞與細(xì)胞間相互接觸,從而模擬T細(xì)胞在正常胸腺三維環(huán)境中的自然發(fā)育過程,另一方面可以去除胸腺外影響T細(xì)胞發(fā)育的各種干擾因素,比如體內(nèi)激素水平影響等.通過方法改良,研究者們分離經(jīng)歷近16d太空飛行的大鼠著陸后72h的骨髓細(xì)胞,并與孕13~15dC57/B6或NODscid/scid小鼠胚胎胸腺小葉共培養(yǎng)(又稱作異基因嵌合體胸腺器官培養(yǎng))12d,結(jié)果發(fā)現(xiàn)胸腺小葉中大鼠骨髓造血干細(xì)胞向T細(xì)胞發(fā)育早期受阻,進(jìn)而導(dǎo)致DP細(xì)胞數(shù)量及CD4/CD8單陽性細(xì)胞比例明顯減少,其中CD4單陽性細(xì)胞減少更為明顯.此外,經(jīng)歷太空飛行的大鼠胸腺中單陽性細(xì)胞以及脾和骨髓組織中的T細(xì)胞比例都明顯減少,提示太空飛行可通過抑制骨髓產(chǎn)生有功能的T細(xì)胞前體細(xì)胞而阻礙T細(xì)胞發(fā)育,一方面可能是由于骨髓產(chǎn)生T細(xì)胞前體細(xì)胞能力減弱,另一方面也可能是因?yàn)槲⒅亓π?yīng)抑制了T細(xì)胞遷移,即使T細(xì)胞前體細(xì)胞生成正常,也不能正常遷移到胚胎胸腺進(jìn)行分化.然而,太空飛行除了微重力環(huán)境外,宇宙輻射、機(jī)體生理應(yīng)激反應(yīng)等均會(huì)對(duì)免疫細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)影響,為進(jìn)一步明確其中微重力是否影響T細(xì)胞發(fā)育,Woods等人特制了一種帶有微重力器官培養(yǎng)盤系統(tǒng)(microgravityorganculturedishsystem,MOCDS)的回轉(zhuǎn)器,在地基條件下通過旋轉(zhuǎn)FTOC來研究模擬微重力效應(yīng)對(duì)T細(xì)胞的發(fā)育影響,并證實(shí)T細(xì)胞發(fā)育具有重力依賴性.該研究發(fā)現(xiàn),孕14d小鼠胚胎胸腺小葉旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)12d后,即出現(xiàn)晚期前T細(xì)胞(pre-Tcell)向DP細(xì)胞發(fā)育分化受阻的現(xiàn)象,而且對(duì)CD4+單陽性細(xì)胞發(fā)育分化的影響要先于CD8+單陽性胸腺細(xì)胞.但如果在DP胸腺細(xì)胞產(chǎn)生后給予微重力效應(yīng)則不會(huì)影響成熟細(xì)胞的數(shù)量,提示成熟胸腺細(xì)胞具有抵抗微重力效應(yīng)的功能.該研究模型不僅驗(yàn)證了之前的研究結(jié)果,同時(shí)還通過器官培養(yǎng)盤系統(tǒng)剔除了流體剪切力對(duì)T細(xì)胞發(fā)育的阻礙作用,進(jìn)一步證明微重力確實(shí)具有阻礙T細(xì)胞發(fā)育的作用.研究顯示,T細(xì)胞前體細(xì)胞在發(fā)育過程中先要經(jīng)歷TCRuf062uf020鏈重排,經(jīng)過uf062uf020選擇的細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)育成CD4+CD8+DP細(xì)胞,而uf062uf020選擇主要是受前-TCR復(fù)合體調(diào)控,該復(fù)合體是由TCRuf062鏈、前-Tuf061鏈(pTuf061)以及CD3復(fù)合體組成.除了前-TCR復(fù)合體外,IL-7與其受體IL-7R相互作用也在T細(xì)胞早期發(fā)育過程中起關(guān)鍵作用.當(dāng)IL-7,IL-7R或共同uf067uf020鏈缺失以及IL-7信號(hào)下調(diào)均可明顯減少小鼠胸腺細(xì)胞增殖[61~65].T細(xì)胞在DN向DP階段發(fā)育過程中,IL-7Ruf061的持續(xù)表達(dá)受前-TCR信號(hào)的調(diào)控.利用MOCDS回轉(zhuǎn)器FTOC研究發(fā)現(xiàn),模擬微重力效應(yīng)不僅引起胚胎胸腺微環(huán)境中產(chǎn)生更多的TNF-uf061,同時(shí)還引起DP胸腺細(xì)胞高表達(dá)CD3.此外,CD4uf02dCD8uf02dDN細(xì)胞表面出現(xiàn)CD3及IL-7受體CD127表達(dá)下調(diào),DN->DP發(fā)育階段中間體不成熟單陽性細(xì)胞(immaturesinglepositivecells,ISP)表面也出現(xiàn)CD127表達(dá)下調(diào)的現(xiàn)象.外源CD3信號(hào)(抗CD3uf065uf020單克隆抗體)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)了微重力是通過影響胸腺細(xì)胞發(fā)育信號(hào)傳遞來抑制T細(xì)胞發(fā)育的.3天然免疫細(xì)胞天然免疫是人體與生俱來的第一道非特異性防御屏障,其中單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)、自然殺傷細(xì)胞(NKcell)、中性粒細(xì)胞等都是天然免疫的重要組成部分,這些細(xì)胞不僅起到免疫防御作用,同時(shí)還在適應(yīng)性免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要的輔助作用.3.1微重力對(duì)小鼠骨髓細(xì)胞細(xì)胞的作用單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)包括血液中單核細(xì)胞和組織中的巨噬細(xì)胞.單核細(xì)胞從骨髓釋放入血,穿越血管內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)入組織后分化為巨噬細(xì)胞.檢測經(jīng)歷了5~11d太空飛行宇航員的血液發(fā)現(xiàn),盡管機(jī)體血循環(huán)中的單核細(xì)胞水平?jīng)]有發(fā)生改變,但單核細(xì)胞在體外卻呈現(xiàn)吞噬細(xì)菌能力下降,誘發(fā)氧爆發(fā)及脫顆粒反應(yīng)降低等表現(xiàn),同時(shí)CD32及CD64的表達(dá)也明顯下降,這可能與其吞噬能力降低有關(guān).此外,太空飛行還使單核細(xì)胞表達(dá)CD62和人類白細(xì)胞抗原DR(humanleukocyteantigenDR,HLA-DR)表達(dá)下調(diào),這就意味著其組織黏附及抗原呈遞功能受到抑制.在給予細(xì)菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激后,這些單核細(xì)胞分泌IL-6,TNFuf061和IL-10減少,分泌IL-1uf062uf020有所升高.在模擬微重力條件下,人單核細(xì)胞系U937細(xì)胞增殖減慢,并表現(xiàn)出同樣的細(xì)胞因子分泌減少的現(xiàn)象,進(jìn)一步提示我們單核細(xì)胞功能也具有重力敏感性,而且與T細(xì)胞相同,也是PKC通路受抑制的結(jié)果.此外,在發(fā)生增殖的單核細(xì)胞中應(yīng)激蛋白HSP70表達(dá)升高,提示細(xì)胞將微重力作為一種應(yīng)激信號(hào)傳遞給細(xì)胞而發(fā)生相應(yīng)變化.組織中的巨噬細(xì)胞主要具有吞噬細(xì)菌和靶細(xì)胞作用.在模擬微重力效應(yīng)下,以小鼠巨噬細(xì)胞系RAW264.7細(xì)胞為模型,應(yīng)用LPS/IFN-uf067uf020進(jìn)行共刺激培養(yǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞一氧化氮(NO)和細(xì)胞因子(IL-6,TNFuf061和IL-12)的產(chǎn)生分別下降了65%和80%,而且巨噬細(xì)胞的這種功能紊亂在脫離微重力環(huán)境后仍然不能恢復(fù).在骨組織中破骨細(xì)胞是來源于單核/巨噬細(xì)胞系的骨再吸收細(xì)胞,在骨吸收中發(fā)揮重要作用,與成骨細(xì)胞一起維持骨量的平衡.太空飛行中微重力環(huán)境可造成10%~15%的骨流失.模擬微重力條件下,破骨細(xì)胞前體RAW264.7細(xì)胞細(xì)胞毒性活性氧簇(cytotoxicreactiveoxygenspecies,ROS)形成增加,磷酸酶TRAP(tartrateresistantacidphosphatase)陽性的破骨細(xì)胞增加,骨吸收作用增加,這可能是造成骨質(zhì)流失的主要原因[71~73].在微重力環(huán)境暴露24h,即可激活破骨細(xì)胞前體細(xì)胞中細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellularsignal-regulatedkinase,ERK),p38,PLCc2等破骨細(xì)胞生成相關(guān)信號(hào)分子,在有NF-uf06bB受體激活劑配體(receptoractivatorofNFκBligand,RANKL)存在情況下,微重力可以明顯促進(jìn)骨髓巨噬細(xì)胞前體向破骨細(xì)胞分化.而且,在模擬微重力條件下,這些前體細(xì)胞中破骨細(xì)胞分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子c-Jun,MITF和CREB等均明顯上調(diào).此外,鈣結(jié)合蛋白S100A8(calcium-bindingproteinmoleculeA8/calgranulinA)的表達(dá)也顯著增加,當(dāng)利用siRNA降低該蛋白的表達(dá)時(shí),前體細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化的能力明顯減弱,提示S100A8在微重力促進(jìn)破骨細(xì)胞分化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用.細(xì)胞骨架是細(xì)胞質(zhì)中呈纖維狀的結(jié)構(gòu),使細(xì)胞保持一定的形態(tài),并可形成細(xì)胞纖毛和鞭毛等細(xì)胞器官,參與細(xì)胞移動(dòng)、細(xì)胞分裂、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)榷喾N細(xì)胞功能,對(duì)于細(xì)胞膜分子的移動(dòng)及細(xì)胞器的遷移也起到重要的作用.無論是太空飛行還是地基模擬研究均顯示微重力環(huán)境對(duì)T細(xì)胞的活化反應(yīng)有明顯的抑制作用.正常有絲分裂原刺激情況下,T細(xì)胞需要與單核細(xì)胞相互作用才能得到充分的活化,這種相互作用對(duì)活化的第二信號(hào)的傳遞是非常重要的,而細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架的持續(xù)重排引起的單核細(xì)胞運(yùn)動(dòng)對(duì)細(xì)胞與細(xì)胞間的相互接觸是必要的.應(yīng)用單核細(xì)胞系J-111細(xì)胞進(jìn)行模擬微重力效應(yīng)培養(yǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)能力明顯減弱,細(xì)胞呈現(xiàn)收縮的形態(tài),沒有呈現(xiàn)出細(xì)胞拉伸并伴有偽足伸出的典型運(yùn)動(dòng)狀態(tài).對(duì)纖維型肌動(dòng)蛋白(F-actin),uf062uf020微管蛋白(uf062-tubulin)和黏著斑蛋白(vinculin)等細(xì)胞骨架成分的定性和定量分析發(fā)現(xiàn),微重力環(huán)境對(duì)細(xì)胞微絲成分的分布有顯著影響,其中熒光標(biāo)記F-actin的熒光強(qiáng)度明顯減弱.在微重力環(huán)境下,細(xì)胞骨架受到嚴(yán)重干擾可造成單核細(xì)胞運(yùn)動(dòng)顯著減弱,與淋巴細(xì)胞直接接觸減少,從而間接抑制淋巴細(xì)胞活化.3.2dc對(duì)機(jī)體免疫應(yīng)答的影響樹突狀細(xì)胞(DC)在免疫應(yīng)答的首要環(huán)節(jié)——抗原提呈中扮演重要角色,是目前公認(rèn)的體內(nèi)最強(qiáng)大的專職性抗原提呈細(xì)胞,如果DC功能缺陷則會(huì)導(dǎo)致廣泛的免疫功能受損.在模擬微重力條件下,DC的產(chǎn)生明顯低于地基重力對(duì)照組,而且這樣產(chǎn)生的DC吞噬曲霉菌的能力降低,HLA-DR和CD86表達(dá)水平降低,這些結(jié)果提示DC的產(chǎn)生及其吞噬和抗原提呈能力均受到微重力的抑制.但在模擬微重力效應(yīng)下產(chǎn)生的DC在機(jī)體免疫應(yīng)答中的作用具體產(chǎn)生了怎樣的改變以及相應(yīng)機(jī)制還需要更深入細(xì)致的研究.3.3過空飛行對(duì)小鼠外周血nk細(xì)胞功能的影響NK細(xì)胞是一群大顆粒淋巴細(xì)胞,它們不需要抗原激活,以主要組織相容性復(fù)合體(majorhistocompabilitycomplex,MHC)非限制性方式來發(fā)揮殺傷作用.如果在體外經(jīng)過IL-2培養(yǎng)4~7d后,NK細(xì)胞即擁有了更廣譜的殺傷腫瘤細(xì)胞的效應(yīng)