4.2.1 微重力对血管发育的影响
宇航员在航天飞行时，处于微重力环境中，特别地当其处于g为0的情况下，机体血液重新分布、流体静压梯度消失、血压发生变化，心血管功能失调。至于宇航员返回地面的恢复情况则参差不齐，有的会在返回后一段时间内得到恢复，有的却不会。对此研究人员针对微重力引起的心血管方面的变化做了大量研究以及探究其中的机理。研究人员在微重力环境下对宇航员胸部进行X射线照射检测时发现，宇航员心脏体积和质量均比飞行前小，其中心脏的质量减少了8%。对尾吊大鼠不同部位动脉血管进行处理，结果表明，血管在响应内部切应力时，血管内皮细胞的几何形状和排列方式均发生变化，这表明大鼠血流量在模拟失重的情况下会发生很大的改变。在模拟失重条件下大鼠尾悬吊两周后动脉血管结构即可发生改变，且在大鼠身体的不同部位血管呈现的变化也不尽相同。大鼠感受失重四周后发现，大鼠前身（如脑、颈部）血管发生“肥厚性改变”，而大鼠后肢肌肉小动脉血管发生的改变则为“萎缩性改变”。
内皮细胞是血管壁最重要的组成成分之一，位于循环的血液与血管壁内皮下组织之间很薄的一层。主要通过产生血管活性物质对血管的收缩和舒张功能进行调节。内皮细胞是维持心血管系统内环境稳态的重要“调节组织”，对重力变化的响应比较敏感，并且已知的所有心血管疾病几乎都与内皮功能障碍有关。内皮细胞可作为血管内外物质交换的选择性的通透性屏障，一些气体、液体和一些大分子都可以进行选择性的吸收。此外，内皮细胞还可以感受血管内环境中各种信号刺激，因此是一种特殊感受器，例如可以感知一些生长因子和血管活性物质的相互作用、信号的传导以及调节因子的合成和释放等。另外，研究者还发现，血管张力和通透性，血小板、白细胞的黏附等作用也都与内皮细胞相关，还可以调节血管重塑，所以对于人体内环境稳态及生理生命活动而言，内皮细胞具有很重要的意义。
另外内皮细胞的生长、形态以及细胞骨架均会对微重力产生响应。Versari等研究模拟微重力对人脐静脉内皮细胞生长的影响时采用随机定位仪（random positioning machine，RPM）和转壁式生物反应器（rotating wall vessel，RWV）两种模拟微重力装置，实验结果发现，模拟微重力48 h出现了促进内皮细胞短时间生长效应，效应时间低至8 min，超重后即被阻断。他们的进一步研究表明，内皮细胞感应微重力后肌动蛋白细胞骨架会发生重建，肌动蛋白总量则会减少。太空飞行可使人脐静脉内皮细胞的形态发生明显变化，如细胞增大，细胞核呈偏心状，同时伴有大量的分泌物。内皮细胞对重力十分敏感，发现失重会导致内皮细胞骨架发生重建，并且长时间对内皮细胞进行失重处理，会导致细胞表面的黏附分子-1（ICAM-1）、E-选择素（E-selectin）、血管内皮细胞黏附分子-1（VCAM-1）表达发生改变。
在前期的研究中大部分采用尾悬吊大鼠或者通过旋转内皮细胞来模拟微重力，这些在样本量的成体和处理上受到很大的限制，并且旋转内皮细胞属于体外实验，目前很少有在体模拟微重力的研究。因此找到一种可以进行在体实验并且能准确地研究微重力对血管发育影响的模式生物非常必要。目前斑马鱼已被用于微重力生物学效应的在体研究，斑马鱼是一种可以精确控制微重力的在体研究材料且通常不受到样本量的限制，可以很好地观察和分析微重力对血管发育的影响。(https://www.daowen.com)
最近的研究表明，微重力会加快斑马鱼心率，对存活率几乎没有影响，说明微重力不会使斑马鱼致死，但是会对其心血管产生一定的影响。进一步研究发现，从12 hpf开始微重力处理斑马鱼，在24 hpf时对照组和模拟微重力（simulated microgravity，SM）组胚胎尾部血管发育正常，提示血液循环前尾部血管发育正常（图4-12（a））。36 hpf时，对照组胚胎CVP呈现出清晰的网状结构，毛细血管间距与融合的VV（图4-12（a），（b））。而SM组CVP的宽度、CVP的毛细管间数和CVP的毛细管间面积显著增加（图4-12（a）—（e））。且在24 h时，SM处理的胚胎中flk1表达正常（图4-12（f）,（g）），而在SM处理组中，CVP及其周围区域的flk1表达在36hpf时显著增加（图4-12（f）,（g））。这些发现表明，SM是斑马鱼CVP网络形成过程中一个重要的调节因子。
图4-12 SM调控斑马鱼CVP网络形成。（a）转基因flk1:GFP胚胎从12 hpf开始SM处理，24 hpf和36 hpf在体内荧光显微镜下观察。侧视图，左前，背侧向上。CVP用蓝色箭头表示。比例尺，100 μm。（b）CVP区域的放大图。红色箭头表示血管网络结构。比例尺，50 μm。（c）计算血管网络结构数。每例共30个胚胎进行计数。（均数±标准差，t检验，***p＜0.001）。（d）定量血管网络结构面积百分比。每个处理共使用30个胚胎进行测量。（均数±标准差，t检验，***p＜0.001）。（e）测量CVP的宽度。每个处理共有30个胚胎被用于测量。（均数±标准差，t检验，**p＜0.01）。（f）SM处理可以增加CVP区域flk1的表达。比例尺，100μm。（g）24 hpf和36 hpf斑马鱼flk1相对表达的qPCR结果。（均数±标准差，t检验，**p＜0.01）。［引自：Xie X, et al. Effect of simulated microgravity induced PI3K-nos2b signalling on zebrafish cardiovascular plexus network formation［J］. J Biomech, 2019, 87: 83-92.］
Figure 4-12 SM regulates the formation of zebrafish CVP network.（a）Transgenic flk1: GFP embryos are SM treated from 12 hpf, and 24 hpf and 36 hpf are observed under an in vivo fluorescence microscope. Side view, front left, back side up. CVP is indicated by a blue arrow. Scale bar, 100μm.（b）An enlarged view of the CVP. The red arrow indicates the vascular network structure. Scale bar, 50μm.（c）Calculate the number of vascular network structures. A total of 30 embryos in each case were counted.（Mean±standard deviation, t test, ***p＜0.001）.（d）Quantitative vascular network structure area percentage. A total of 30 embryos were used for measurement in each treatment.（Mean±standard deviation, t test, ***p＜0.001）.（e）Measure the width of CVP. A total of 30 embryos per treatment were used for measurement.（Mean±standard deviation, t test, **p＜0.01）.（f）SM treatment can increase the expression of flk1 in the CVP region. Scale bar, 100 μm.（g）The qPCR results of relative expression of 24 hpf and 36 hpf zebrafish flk1.（Mean±standard deviation, t test, **p＜0.01）.［Adapted from: Xie X, et al. Effect of simulated microgravity induced PI3K-nos2b signalling on zebrafish cardiovascular plexus network formation［J］. J Biomech, 2019, 87: 83-92.］