基于Clinostat的微重力模拟对使用3D-Clinostat培养的脑类器官生长和分化的影响

本研究利用3D临床旋转仪模拟微重力环境，培养人脑类器官30天（C30）、15天微重力后15天正常重力（C15-N15）及对照组（N30）。神经化学分析显示微重力下乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素和谷氨酸水平下降，GABA升高，提示兴奋-抑制失衡。转录组分析表明多能性及区域身份相关基因下调，星形胶质细胞标志物GFAP显著升高，正常重力下SATB2部分恢复。尽管蛋白水平未变，但提示微重力影响神经发育，并验证脑类器官作为地面模拟模型的有效性，为宇航员神经健康提供生物标志物和干预措施。

朴海林（Hyelim Park）| 朴妍智（Yeonji Park）| 金成顺（Seong Soon Kim）| 朴成彬（Sung Bum Park）| 乔正贤（Jeong Hyeon Jo）| 金正辉（Jeonghui Im）| 徐ウリン（Woo Rin Seo）| 白明爱（Myung Ae Bae）| 金基英（Ki Young Kim）| 科秉燮（Byumseok Koh）| 郑洪俊（Hongjun Jeon）| 金圭成（Kyu Sung Kim）

韩国仁川仁荷大学医学院航空航天医学研究所（Inha University School of Medicine, Inha Research Institute for Aerospace Medicine），邮编22332

摘要

人脑对重力环境的变化非常敏感，但由于难以获取宇航员的神经组织，微重力对分子和细胞的影响仍知之甚少。本研究利用在三维旋转装置（clinostat）中培养的人脑类器官（cerebral organoids）进行模拟实验，以探究神经发育反应。这些类器官分别接受了30天的连续微重力模拟（C30）、15天微重力后接15天正常重力（C15-N15）或标准重力对照（N30）处理。神经化学分析显示，在微重力条件下乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素和谷氨酸的水平显著下降，但在重新适应后部分恢复；相比之下，GABA水平持续升高，表明存在兴奋性-抑制性失衡。转录组分析显示，多能性标志物（OCT4、NANOG、SOX2）、区域特异性基因（FOXG1、DLX2、NKX2.1、SIX6）以及神经元分化标志物（MAP2、DCX、VGLUT1）的表达普遍下调，而星形胶质细胞的GFAP水平显著升高，皮质特异性标志物SATB2在重新暴露于正常重力后恢复。尽管存在广泛的转录变化，但神经元标志物MAP2和多能性标志物SOX2的蛋白质水平保持不变。这些结果表明，微重力模拟会破坏干细胞的特性、区域特异性及神经递质平衡，同时促进星形胶质细胞的发育，并在重力恢复后部分恢复。本研究将人脑类器官作为一种可行的地面模拟模型，用于研究大脑对太空环境的脆弱性，并识别保护宇航员神经认知健康的潜在生物标志物和对策。

部分内容摘录

引言

人脑对重力变化、感官输入和环境压力极为敏感，因此在太空旅行研究中至关重要（Williams和Pandya，2023；Van Ombergen等人，2017；Clément，2017；Roberts等人，2017）。在太空的微重力环境中，宇航员会经历体液向头部聚集、前庭感觉异常以及脑血管动力学变化，这些都会影响大脑结构和功能（Mader等人，2011；Marshall-Goebel等人）

结果

人脑类器官在微重力条件下进行培养。培养35天后（图1A），将其分为三组：（1）N30组——在标准重力下维持30天；（2）C30组——在三维旋转装置中培养30天；（3）C15-N15组——在三维旋转装置中培养15天后接15天正常重力（图1）

讨论

为了模拟太空飞行中的微重力条件，使用三维旋转装置培养人脑类器官，该装置可连续旋转以抵消重力的方向影响。本研究旨在探讨改变的重力如何影响三维人脑类器官模型中的神经发育、前体细胞维持及细胞应激反应。使用三维旋转装置培养类器官具有多项优势

材料与方法

人脑类器官的培养与分化 采用先前建立的方案（Xiang等人，2017；Park等人，2023）对人脑类器官进行培养和分化，进行了少量修改。将IMR90-4诱导多能干细胞（iPSCs；WiCell，美国威斯康星州麦迪逊）接种到预先涂有Matrigel（DMEM/F-12培养基中稀释比为1:120；Corning）的6孔板（Corning，纽约州）上。第0天，细胞在mTeSR1培养基中培养（STEMCELL Technologies）

作者贡献

H.P.、Y.P.和S.S.K.对本研究贡献均等。B.K.、H.J.和K.S.K.负责项目构思和整体实验设计。H.P.、Y.P.、S.S.K.、J.H.J.和W.R.S.负责实验操作及所有数据分析。M.A.B.、K.Y.K.、B.K.、H.J.和K.S.K.在所有作者的参与下撰写了论文。

作者贡献声明

朴海林（Hyelim Park）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件使用、方法设计、实验设计、数据分析、概念化。 朴妍智（Yeonji Park）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件使用、方法设计、实验设计、数据分析。 金成顺（Seong Soon Kim）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件使用、资源协调、方法设计、实验设计、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢韩国政府（MSIT）资助的生物与医疗技术发展计划（Bio & Medical Technology Development Program）和基础科学研究计划（Basic Science Research Program，项目编号：NRF-RS-2023-00235550、NRF-2018R1A6A1A03025523、NRF-RS-2024-00336974），以及韩国化学技术研究院（Korea Research Institute of Chemical Technology，项目编号：KK2531-10）的财政支持。