人多能干細胞（hPSCs）在微重力環境下的生長和發育呈現出與地面環境不同的特性，這些變化既涉及細胞形態、增殖分化的調控，也涉及基因表達和信號通路的重塑。以下從多個維度解析其影響及機制，并結合研究案例說明潛在應用價值。

一、微重力對 hPSCs 生長特性的影響

1. 細胞形態與三維結構形成

• 地面環境：hPSCs 通常以貼壁方式生長，形成扁平的克隆集落，依賴細胞外基質（如 Matrigel）維持多能性。

• 微重力環境：

• 細胞傾向于懸浮生長，自發形成三維球體（擬胚體，EBs），無需人工誘導。例如，在旋轉生物反應器（RCCS）中培養的 hPSCs 可形成直徑均勻的球體，內部細胞間連接更緊密（如 E - 鈣粘蛋白表達上調）。

• 三維結構可能模擬早期胚胎發育的微環境，促進細胞間信號傳導（如 Wnt/β - catenin 通路激活），進而影響多能性維持。

  
  

2. 增殖與多能性維持

• 增殖速率：部分研究顯示，微重力可輕度抑制 hPSCs 的增殖速率，但延長培養時間后，細胞總數與地面組無顯著差異，可能與細胞周期調控基因（如 Cyclin D1、p21）的動態平衡有關。

• 多能性標志物：

• 核心轉錄因子（Oct4、Sox2、Nanog）表達水平維持穩定，但表觀遺傳修飾（如 DNA 甲基化、組蛋白乙酰化）可能改變。例如，太空實驗中 hPSCs 的 Oct4 啟動子區域甲基化水平降低，提示多能性狀態更易維持。

• 糖酵解代謝增強：微重力下 hPSCs 更依賴糖酵解供能，而非線粒體氧化磷酸化，這與胚胎干細胞的代謝特征相似，可能與其多能性維持相關。

  
  

二、微重力對 hPSCs 分化潛能的調控

1. 三胚層分化偏向性

• 神經外胚層分化增強：
  在模擬微重力環境（如隨機定位機 RPM）中，hPSCs 向神經外胚層（Nestin+、Pax6 + 細胞）的分化效率顯著提高，可能與 BMP 信號通路抑制和 Wnt 通路激活有關。例如，國際空間站實驗顯示，hPSCs 衍生的神經前體細胞比例較地面組增加 30%。

• 中胚層分化調控差異：

• 心血管前體細胞（CPCs）分化：微重力可促進 hPSCs 向 CPCs 分化，伴隨 Isl1、Flk1 等標志物表達上調，可能與 YAP/TAZ 機械敏感通路激活有關。

• 造血分化：部分研究發現微重力抑制 hPSCs 向造血譜系分化，推測與細胞骨架微管解聚導致 SCF/c - Kit 信號傳導受阻有關。

• 內胚層分化無顯著差異：向肝、胰腺等內胚層細胞的分化能力在微重力下未觀察到明顯變化，但腸道類器官形成效率可能因三維結構優化而提升。

  
  

2. 定向分化的功能成熟度

• 心肌細胞分化：
  hPSCs 衍生的心肌細胞（hiPSC - CMs）在微重力下表現出更成熟的電生理特性，如動作電位時程延長、鈣瞬變幅度增加，可能與肌小節結構組裝更完善相關。美國 NASA 的 “Cardiac Cells in Space” 實驗證實，太空培養的 hiPSC - CMs 收縮力提高 15%。

• 神經元功能整合：
  微重力環境下分化的神經元網絡形成更快，突觸密度增加，且對谷氨酸刺激的反應更敏感，提示其功能成熟度接近體內水平，這為神經退行性疾病模型構建提供了新方向。

  
  

三、分子機制：機械信號與基因表達重塑

1. 細胞骨架與機械轉導通路

• 微管解聚與 YAP/TAZ 激活：
  微重力誘導微管蛋白去乙酰化，導致細胞骨架軟化，機械敏感蛋白 YAP/TAZ 從細胞質轉位至細胞核，調控多能性和分化相關基因（如調控 Nanog 維持多能性，或調控 Mesp1 促進中胚層分化）。

• 整合素信號通路抑制：
  貼壁依賴的整合素 α5β1 信號減弱，細胞轉向依賴非整合素黏附分子（如鈣粘蛋白），這可能觸發 “懸浮應激” 反應，激活 p38 MAPK 通路，促進細胞向神經外胚層命運決定。

2. 表觀遺傳與基因表達譜

• 染色質重塑：
  微重力可降低組蛋白 H3K27me3 修飾水平，使神經外胚層相關基因（如 Sox1、Pax6）染色質區域更開放，促進轉錄激活。

• 非編碼 RNA 調控：
  太空實驗中發現，hPSCs 的 miR - 302 家族表達上調，靶向抑制細胞周期蛋白（CDK4/6），可能解釋增殖速率的輕度下降；同時，lncRNA HOTAIR 表達降低，與中胚層分化抑制相關。

  
  

微重力環境通過重塑細胞機械感知、信號通路和表觀遺傳狀態，顯著影響人多能干細胞的生長模式和分化潛能。這些特性不僅為解析人類早期發育和疾病機制提供了幫助，也為干細胞治療、器官芯片等領域開辟了新路徑。隨著地空聯動研究的深入，微重力三維培養系統有望成為連接基礎研究與臨床轉化的關鍵技術平臺。