Simulated microgravity perturbs mouse peri-implantation morphogenesis through epithelial mechanical disruption and associated metabolic adaptation
本研究表明，模拟微重力通过损害上皮机械稳态与极性，破坏了小鼠着床前形态发生，并触发了一种依赖葡萄糖的代谢适应，从而部分维持了发育。
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重力是一个恒定的、无形的手，塑造了地球上的每一个生命。从树木向上生长的方式到我们的骨骼如何维持强度，生命已经进化到预期一种向地面的稳定拉力。对于哺乳动物而言，这种拉力不仅是一个背景条件，更是一个有助于引导生命早期阶段的关键信号。当一个受精卵开始分裂并成长为一个复杂的有机体时，它必须在构建组织和形成形状的过程中进行精细的导航。科学家早已知道，在失去这种重力拉力的太空旅行中，动物的发育会受到影响。此前的研究表明，早期胚胎可以经受住前往太空的旅程，并成长为囊胚——即微小的细胞球。然而，一个关键的认知空白仍然存在：即胚胎何时从一个简单的细胞球转变为一个有序的、三维的结构——即附着在表面并形成第一个内部腔室的过程——这一过程从未在失重条件下被直接观察到。这个特定的发育窗口期，是胚胎从松散的细胞团转化为结构化圆柱体的时刻，而这一过程高度依赖于细胞正确地粘附在一起并感知其物理环境的能力。
为了调查这一缺失的谜题，深圳先进技术研究院的研究人员转向了一种能够模拟太空失重环境的实验室模型。他们使用了处于即将植入子宫阶段前的小鼠胚胎。科学家们并没有将它们放置在卫星上，而是将它们放入一个通过缓慢旋转来抵消地球重力影响的专门设备中，从而创造出一种被称为模拟微重力的状态。他们将这些旋转中的胚胎与在正常重力下生长的对照组进行了比较。其目标是观察重力的缺失是否会破坏细胞用于构建其结构的机械力。结果显示，在缺乏稳定重力的情况下，胚胎难以进行自我组织。虽然它们可以生长到一定的规模，但却无法经历成为真正胚胎所需的关键转变。具体而言，细胞失去了形成紧密、有序的环状结构（一种被称为“莲座状”的形状）的能力，而这种形状对于创建发育有机体的第一个内部腔室至关重要。
研究表明，这种失败不仅仅是胚胎生长过慢的问题。相反，组织的根本架构发生了崩溃。在正常的胚胎中，细胞排列得有清晰的顶端和底端，就像墙壁中的砖块一样，并且彼此之间有着强力的连接。在模拟微重力环境下，这些连接变得脆弱且杂乱无章。细胞无法维持其极性，这意味着它们失去了方向感。通常位于细胞顶端以引导其行为的关键蛋白质发生了漂移，而为细胞提供结构支撑的内部骨架也变得纠缠且不规则。此外，作为保护层并为细胞提供立足基础的胚胎外层也未能正确组装。这种机械性的破坏意味着细胞无法正确感知周围环境，从而导致了一系列错误，阻碍了胚胎形成进一步发育所需的卵圆柱形状。
通过深入研究分子层面的变化，研究人员发现胚胎还在为能量供应而挣扎。细胞高度依赖葡萄糖（一种糖类）来驱动其生长和构建组织的复杂工作。在失重环境下，胚胎表现出代谢应激的迹象，包括处理葡萄糖和产生能量方式的变化。研究人员怀疑，重力的缺失不仅是一个物理问题，也是一个代谢问题，即细胞无法有效地利用其燃料来修复结构损伤。为了测试这一点，他们在模拟微重力环境下生长的胚胎培养基中添加了额外的葡萄糖。这种简单的添加起到了部分“生命线”的作用。添加了额外糖分的胚胎生长得更大，形成了更多的必要内部腔室，并且与没有额外燃料的胚胎相比，展现出更好的细胞组织性。然而，即使添加了额外的葡萄糖，这些胚胎也未能完全恢复到正常重力下的状态。这表明，虽然能量是解决方案的重要组成部分，但主要问题仍然是由于缺乏重力所导致的物理性破坏。
这些发现清晰地描绘了为什么太空旅行会对生殖构成重大风险。从简单的细胞球向结构化胚胎的转变是一个高度协调的过程，它依赖于重力的物理力量来引导细胞就位。如果没有那股持续的拉力，维持组织结合的机械框架就会开始瓦解，细胞管理其能量和构建结构的能力也会受到损害。该研究证实，着床前期（即建立哺乳动物体型计划的关键窗口期）对于重力的缺失具有独特的脆弱性。这不仅仅是细胞停止分裂的问题；而是它们失去了将自己组织成复杂生命形态所需的能力。虽然增加能量可以在一定程度上帮助细胞应对，但它无法完全取代地球重力所提供的结构引导。这项研究为人类如果要在月球或火星进行长期太空任务期间成功进行繁殖，提供了理解物理和生物障碍的基础。
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