微重力对干细胞生长特性的改变和微重力对组织再生功能影响的研究已逐渐成为空间生命科学领域研究热点。尽管前期已有研究人员通过地面装置开展了大量的模拟微重力效应对干细胞的生长影响的工作,但地基模拟微重力与真正的太空微重力环境存在很大的区别。最近,美国NASA研究人员报道了一项太空干细胞的分化实验,该研究通过分析返回后小鼠拟胚体(embryoid bodies,EBs)的基因表达,发现太空微重力效应影响了小鼠EBs的分化,抑制了三胚层谱系分化基因的表达。但该研究获得的结果都是基于样品返回地面后开展的基因表达方面的分析,对于细胞在空间飞行中的生长过程,如细胞在轨期间每天的形态变化、增殖和分化的情况并不清楚。由于航天器中条件和资源限制以及飞行中无人操作,目前还缺少有效的方法能够同时对太空环境下生长的细胞或组织进行自动长时间培养和实时显微拍摄。因此,如何能够实现连续在轨观测干细胞的增殖和分化特征以及探讨空间微重力效应是否影响干细胞的增殖和分化是目前空间生命科学研究亟待探讨的问题。在本研究中,我们选取了多能性基因OCT4启动子驱动绿色荧光蛋白表达的小鼠胚胎干细胞(OCT4-GFP ESCs)、OCT4-GFP ESCs 来源的 EBs(OCT4-GFP EBs)和中内胚层分化基因 Brachyury启动子驱动绿色荧光蛋白表达的小鼠EBs(Brachyury-GFPEBs)作为模型开展微重力下干细胞培养研究。首先,我们建立了一种无血清、无饲养层的小鼠多能干细胞培养方法,在该培养体系下小鼠ESCs以悬浮状态生长,长期扩增后仍保持干细胞特性。其次,通过反复地基匹配实验和多次的演练实验,我们建立了一套适用太空条件下的细胞自动培养体系。在该自动培养体系下小鼠ESCs和小鼠EBs表现出良好的增殖和分化状态,并获得清晰的细胞图片。最后我们利用TZ-1货运飞船平台、自动细胞培养生物反应器、自动成像技术和实时数据传输等手段开展了为期15天的太空微重力下ESCs的增殖和分化实验,在国际上首次获得了太空飞行中小鼠胚胎干细胞实时生长的图片。通过实时显微摄影拍摄细胞每天在空间飞行中的生长图片,将获得太空环境下细胞生长的照片将与地面平行对照组的照片进行比对。增殖实验的研究结果显示:与地基对照组相比,空间微重力环境更有利于ESCs的增殖,细胞在太空中存活的时间更长,细胞生长15天后仍高表达OCT4。此外,空间飞行图片显示小鼠ESCs在太空环境下更倾向于三维生长。分化实验的研究结果显示:空间飞行条件下EBs能够粘附在含有细胞外基质的培养单元底部并进行扩展性生长;随着分化培养的进行,太空中培养的OCT4-GFPEBs其绿色荧光的表达有明显地下降,且Brachyury-GFPEBs在太空环境中能够出现绿色荧光的表达,这些结果表明空间微重力环境下小鼠的EBs可以进行中内胚层的分化。然而,空间飞行组中EBs的分化速度较对照组有所偏慢,太空中分化15天后Brachyury-GFP EBs仍呈现聚集样的团块,并且很多细胞团块仍然高表达Brachyury。本研究实验结果表明空间微重力有利于小鼠胚胎干细胞的三维生长并维持其干性基因表达,但空间微重力可能对小鼠EBs的分化存在一定的影响。本研究为人类了解空间微重力环境下胚胎干细胞的增殖和分化规律提供了新的证据,这一结果可能为今后利用空间微重力条件来开展干细胞的体外大量扩增以及在再生医学中利用干细胞构建具有功能的组织提供一种新思路。