模擬太空失重對雌性大鼠生殖功能的影響

@研究目的

探索太空是人類拓展生存空間的必然選擇，女性在航天中相比于男性具有“耐久力更強(qiáng)，心理更穩(wěn)定；耐寂寞更強(qiáng)，感覺更敏銳；心思更細(xì)膩，考慮更周全”等優(yōu)勢。2010年6月28日，美國國際空間站的6名宇航員中就有3名為女性，中國的“天宮一號”載人航天飛行計劃，女宇航員也參與其中。在久遠(yuǎn)的將來，太空移民更離不開女性。失重是太空環(huán)境對人體的重大威脅之一，失重環(huán)境對女性生殖和生理功能的影響目前還不清楚。本項目利用模擬太空失重動物模型，研究失重狀態(tài)對雌性大鼠生殖功能和生殖生理的影響，從而為未來保護(hù)女性措施的研究提供理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。

研究方法

利用國際公認(rèn)的大鼠尾部懸吊法建立模擬太空失重狀態(tài)的大鼠模型，將大鼠分為模擬失重7天組、模擬失重14天組和模擬失重21天組，3個對照組是與模擬失重組鼠齡對應(yīng)的自由活動組。在此動物模型上，進(jìn)行下列3個層面的實驗。

◇宏觀實驗：將失重處理后的雌性大鼠及同齡正常對照雌性大鼠與健康雄性大鼠合籠，比較兩者的妊娠率、產(chǎn)仔鼠數(shù)、仔鼠存活率和仔鼠畸形率。

◇微觀實驗：應(yīng)用石蠟切片、蘇木素一伊紅染色技術(shù)方法，顯微鏡觀察實驗動物卵巢的微細(xì)結(jié)構(gòu)變化；應(yīng)用組織衰老特異性脂褐素原位染色技術(shù)，顯微鏡下檢測卵巢組織細(xì)胞的衰老變化。

◇分子實驗：在分子層面上檢測了調(diào)控生殖功能和生殖生理的多種激素和分子表達(dá)狀況，以求更深入地探討失重狀態(tài)影響雌性大鼠生殖功能變化的分子機(jī)理。應(yīng)用酶聯(lián)免疫吸附實驗檢測血清中雌二醇、卵泡刺激素和黃體生成素的水平，這3種激素是調(diào)控雌性生殖功能和生殖生理的主要激素。應(yīng)用逆轉(zhuǎn)錄熒光定量PCR技術(shù)，檢測卵巢組織中與細(xì)胞衰老密切相關(guān)的端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶和p53、p16、p21和p27分子的mRNA表達(dá)狀況；PCR-酶聯(lián)免疫吸附實驗檢測端粒重復(fù)序列的含量以推測端粒酶活性；應(yīng)用免疫組織化學(xué)方法檢測p53、p16、p21和p27分子的蛋白表達(dá)狀況。

具體研究方案見圖1。

我們以美國航空航天局認(rèn)可和國際公認(rèn)的尾部懸吊失重大鼠技術(shù)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了“尾部懸吊模擬失重大鼠飼養(yǎng)與觀察籠”。失重大鼠，前肢踏于籠底，軀干與籠底水平面呈30度角，后肢懸空固定于籠頂。我們在籠頂兩側(cè)安裝兩條滑軌，滑軌之間連接一條滑竿，滑竿上掛接有一滑動掛鉤，通過鐵鏈與懸吊大鼠尾部相連，使大鼠在懸吊失重狀態(tài)下可自由活動。失重籠的正面和左右側(cè)面為有機(jī)玻璃，前、后壁下部各固定一層不透明鋼片，側(cè)壁下部各固定一個透明角度計，并有一層可移動不透明鋼片。觀察大鼠懸吊角度時，將不透明鋼片拉出，觀察完畢，將不透明鋼片推回，避免外界因素對大鼠干擾。見圖2。

實驗結(jié)果

與對照組相比，模擬失重組雌性大鼠的產(chǎn)仔數(shù)減少，仔鼠存活率下降，見圖3。各模擬失重組雌性大鼠所產(chǎn)的仔鼠無肉眼可見的畸形；模擬失重組大鼠卵巢中卵泡的數(shù)量比對照組明顯減少；卵巢組織的細(xì)胞衰老指數(shù)顯著升高；血清中雌二醇水平下降，卵泡刺激素和黃體生成素水平上升，與對照組相比差異顯著；卵巢細(xì)胞衰老相關(guān)的端粒酶受到抑制，其降低程度與失重時間呈正相關(guān)，衰老相關(guān)的細(xì)胞周期調(diào)控分子p53、p16、p21和p27在mRNA和蛋白水平上的表達(dá)均顯著升高。

與對照組相比，模擬失重組大鼠產(chǎn)仔鼠數(shù)量減少并有死胎（圖3中箭頭所指）。

本實驗結(jié)果顯示，模擬失重可導(dǎo)致雌性大鼠生殖功能障礙，生殖功能障礙的發(fā)生與模擬失重引發(fā)卵巢組織細(xì)胞衰老、增殖活性降低和下丘腦—垂體一卵巢軸內(nèi)分泌功能紊亂密切相關(guān)；這一實驗結(jié)果為進(jìn)一步研究失重危害女性生殖功能的防護(hù)措施提供了理論依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。

“模擬失重對雌性大鼠生殖功能影響”研究結(jié)果圖示見圖4。

@討論

為研究失重對卵巢功能的影響，本項目選用了國際通用的鼠尾懸吊模型來模擬太空失重狀態(tài)，檢測其對雌性大鼠生殖功能的影響及其發(fā)生機(jī)制。我們分別將模擬失重7天、14天和2l天的雌性大鼠與正常雄性大鼠合籠交配，通過與自由活動的對照組雌性大鼠比較，發(fā)現(xiàn)模擬失重組雌性大鼠生育的仔鼠數(shù)量減少、仔鼠存活率下降。由此可見，尾懸吊模擬失重會影響雌性大鼠的生育能力。在此基礎(chǔ)上，我們對失重影響雌性大鼠的生殖功能的機(jī)制進(jìn)行了比較深入的研究。

研究表明，鼠尾懸吊模擬失重可引起卵巢功能衰退導(dǎo)致其性激素分泌減少。

為了探明失重狀態(tài)下卵巢的組織結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了異常改變，我們通過對各組大鼠組織切片進(jìn)行了顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)模擬失重組大鼠卵巢中卵泡數(shù)量明顯減少。為了探明失重狀態(tài)是否會引發(fā)卵巢組織發(fā)生衰老性退變，我們對組織切片進(jìn)行衰老特異性的脂褐素染色，結(jié)果發(fā)現(xiàn)失重組大鼠卵巢組織染色程度顯著高于對照組，表明失重可使雌性大鼠卵巢細(xì)胞發(fā)生衰老性退變。細(xì)胞衰老是指細(xì)胞周期停滯，但在一段時間內(nèi)仍保持代謝活性，端?？s短。為明確尾懸吊模擬失重導(dǎo)致卵巢細(xì)胞衰老的分子機(jī)制，我們運(yùn)用逆轉(zhuǎn)錄熒光定量PCR和免疫組化技術(shù)對上述衰老相關(guān)的重要分子在mRNA轉(zhuǎn)錄水平和蛋白水平的表達(dá)進(jìn)行了檢測。結(jié)果顯示，與各對照組相比，各模擬失重組端粒酶mRNA轉(zhuǎn)錄受到抑制，而p53、p16、p21和p27的mRNA轉(zhuǎn)錄則顯著上升。實驗結(jié)果還表明，模擬失重可導(dǎo)致大鼠卵巢細(xì)胞端粒酶活性下降，細(xì)胞增殖周期受阻，細(xì)胞發(fā)生衰老，卵巢功能和生殖能力受損。

通過本項研究，我們發(fā)現(xiàn)，鼠尾懸吊模擬失重可通過以下兩個途徑影響雌性大鼠的生育能力：①抑制端粒酶表達(dá)，降低端粒酶活性，阻遏細(xì)胞周期，從而誘發(fā)卵巢細(xì)胞衰老；②通過干擾下丘腦垂體一性腺軸上的激素分泌而抑制卵巢的卵泡發(fā)育和正常排卵。隨著人類探索宇宙的不斷深入，將有一定數(shù)量的女性在太空長期停留，深入研究失重狀態(tài)對女性生育能力和內(nèi)分泌功能的影響并加以有效防護(hù)，是航天科學(xué)研究中的一個重要問題。在本項研究取得現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步探討有效干預(yù)措施，研究保護(hù)太空失重對女性生殖損傷的方法。

@創(chuàng)新要點(diǎn)演示儀，適合于向廣大青少年普及航天醫(yī)學(xué)知識，具有仿真、環(huán)保、智能等特點(diǎn)，已申請發(fā)明專利。

@完善本研究的設(shè)想

◇理論創(chuàng)新：①發(fā)現(xiàn)模擬失重可抑制雌性大鼠卵巢組織端粒酶的表達(dá)和端粒酶活性，并激活細(xì)胞周期抑制分子導(dǎo)致細(xì)胞衰老；②發(fā)現(xiàn)模擬失重可導(dǎo)致雌性大鼠雌二醇水平下降，卵泡刺激素和黃體生成素水平上升，下丘腦一垂體一卵巢軸內(nèi)分泌功能紊亂。模擬失重通過以上兩個途徑導(dǎo)致雌性大鼠生殖功能減退。經(jīng)國家一級科技查新咨詢單位山東省科學(xué)技術(shù)情報研究所科技查新結(jié)論顯示“未見類似研究報道”。

◇技術(shù)創(chuàng)新：以國際公認(rèn)的技術(shù)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，我們設(shè)計了“尾部懸吊模擬失重大鼠飼養(yǎng)與觀察籠”，其性能穩(wěn)定、簡易方便、有利觀察，已申請實用新型專利。

◇科普展示儀發(fā)明：我們研制了“模擬失重大鼠仿真智能化展示儀”，屬于科學(xué)技術(shù)普及展示器材，為模擬太空失重經(jīng)典動物模型提供了一種直觀的

進(jìn)一步完善該項目的方向可以定位于“模擬失重誘發(fā)雌性大鼠生殖功能損傷的干預(yù)和保護(hù)措施”的研究，我們認(rèn)為可從以下3個方面深化研究。

◇自然恢復(fù)實驗：雌性大鼠解除失重狀態(tài)，飼養(yǎng)干自由活動空間，在不同時間段，從宏觀水平、微觀水平和分子水平研究“解除模擬失重狀態(tài)后雌性大鼠生殖功能損傷的恢復(fù)及恢復(fù)機(jī)制”，該部分研究我們現(xiàn)有的能力和科研條件能夠?qū)嵤?/p>

◇分子靶向保護(hù)：以系統(tǒng)生物學(xué)理念為指導(dǎo)，解析失重引發(fā)卵巢衰老分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為建立基于分子靶點(diǎn)的保護(hù)失重誘發(fā)衰老的新策略提供理論依據(jù)；該部分研究理論和技術(shù)都較為復(fù)雜，我們現(xiàn)有的知識水平和技術(shù)能力難以實施，然而，這是我們科學(xué)人生追求的目標(biāo)。

◇中醫(yī)中藥調(diào)理：將中醫(yī)“整體調(diào)理，辨證施治”思想與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理念相結(jié)合，利用豐富的中草藥資源，探索中醫(yī)辨證以及中藥方劑或單體干預(yù)失重致卵巢衰老的新策略。該部分研究具有中國特色，有可能孕育新突破，是今后我們立志追求的科學(xué)目標(biāo)。

該項目獲得第26屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學(xué)組醫(yī)藥與健康學(xué)一等獎。

該項目主題新穎、創(chuàng)新性強(qiáng)、科學(xué)意義明顯，從宏觀到微觀，從不同層面研究模擬太空失重對大鼠生殖功能的影響，比較系統(tǒng)，符合中學(xué)生邏輯思維。充分反映出研究者寬廣的基礎(chǔ)理論和科學(xué)研究能力，取得了具有創(chuàng)新性的研究結(jié)果。