2025 年 3 月 19 日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）成功用載人龍飛船將兩名滯留國際空間站的宇航員安全接回地球。這次任務(wù)不僅彰顯了人類在太空探索領(lǐng)域的持續(xù)進步，也再次引發(fā)了人們對太空環(huán)境下生命科學研究的關(guān)注。在宇航員長期駐留太空期間，太空環(huán)境尤其是微重力環(huán)境對人體生理的影響一直是科學界關(guān)注的焦點。

一、微重力環(huán)境對人體的挑戰(zhàn)

在太空飛行中，宇航員面臨著多種環(huán)境因素的挑戰(zhàn)，其中微重力環(huán)境對人體生理系統(tǒng)的影響最為顯著。長期處于微重力環(huán)境下，宇航員的身體會出現(xiàn)一系列變化，如骨骼密度降低、肌肉wei suo、心血管功能失調(diào)以及免疫系統(tǒng)功能下降等。這些變化不僅影響宇航員在太空中的健康和工作能力，還可能對他們返回地球后的長期健康造成潛在威脅。例如，免疫系統(tǒng)功能下降使得宇航員更容易受到感染，增加了太空任務(wù)中的健康風險。而微重力環(huán)境對細胞層面的影響，正是導(dǎo)致這些生理變化的重要原因之一。因此，深入研究微重力環(huán)境下細胞的行為和變化，對于保障宇航員的健康以及推動太空探索的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

二、微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)：模擬太空細胞微環(huán)境

（一）系統(tǒng)功能

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

• 宇航員健康保障：在研究太空飛行對宇航員免疫系統(tǒng)影響方面，微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過培養(yǎng)宇航員的免疫細胞，如 T 細胞、B 細胞等，研究人員可以觀察在微重力環(huán)境下這些細胞的功能變化，包括細胞的增殖、分化、免疫因子的分泌等。研究發(fā)現(xiàn)，微重力環(huán)境會抑制 T 細胞的激活和增殖，降低免疫因子的分泌水平，這為解釋宇航員在太空飛行中免疫系統(tǒng)功能下降提供了細胞層面的證據(jù)?；谶@些研究結(jié)果，科學家可以開發(fā)針對性的干預(yù)措施，如藥物治療或特殊的鍛煉方案，以維持宇航員在太空飛行期間的免疫系統(tǒng)功能。

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• 太空輻射防護研究：太空輻射也是宇航員面臨的重要健康威脅之一。微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)可以與輻射研究相結(jié)合，模擬太空輻射與微重力的復(fù)合環(huán)境，研究細胞在這種環(huán)境下的損傷機制和修復(fù)過程。例如，培養(yǎng)皮膚細胞或造血干細胞，觀察輻射和微重力共同作用下細胞的 DNA 損傷、基因突變以及細胞凋亡等情況。這有助于篩選出具有輻射防護作用的藥物或生物制劑，為宇航員提供有效的輻射防護措施。

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• 癌癥研究：腫瘤細胞在微重力三維環(huán)境下的生長和轉(zhuǎn)移機制研究是當前的熱點之一。一些研究表明，微重力環(huán)境可能影響腫瘤細胞的黏附、遷移和侵襲能力，促進腫瘤的轉(zhuǎn)移。通過在微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中培養(yǎng)腫瘤細胞，研究人員可以深入探討這些過程背后的分子機制，尋找新的腫瘤治療靶點。培養(yǎng)肺癌細胞，觀察在微重力環(huán)境下腫瘤細胞與周圍基質(zhì)細胞的相互作用，以及腫瘤血管生成的變化，有助于開發(fā)針對腫瘤轉(zhuǎn)移和血管生成的新型治療策略。

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• 神經(jīng)退行性疾病研究：對于神經(jīng)退行性疾病，如帕金森病、阿爾茨海默病等，微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)可以用于構(gòu)建神經(jīng)類器官模型。將誘導(dǎo)多能干細胞（iPSC）在微重力環(huán)境下分化為神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞，并形成三維神經(jīng)類器官。這些類器官能夠模擬大腦的部分結(jié)構(gòu)和功能，研究人員可以觀察在微重力環(huán)境下神經(jīng)細胞的分化、發(fā)育以及神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞等過程的變化，為揭示神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制提供新的視角。例如，研究發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境可能影響神經(jīng)類器官中 tau 蛋白的磷酸化水平和聚集情況，這與阿爾茨海默病的病理特征密切相關(guān)，為進一步研究該疾病的發(fā)病機制和治療方法提供了重要線索。

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• 構(gòu)建功能性組織和器官：微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)為再生醫(yī)學和組織工程提供了理想的平臺。在該系統(tǒng)中，種子細胞（如干細胞）可以與生物材料支架相結(jié)合，在微重力環(huán)境下構(gòu)建出具有三維結(jié)構(gòu)和功能的組織工程產(chǎn)品。培養(yǎng)軟骨細胞與生物可降解支架在微重力環(huán)境下構(gòu)建軟骨組織，能夠促進軟骨細胞分泌細胞外基質(zhì)，形成更接近天然軟骨的組織結(jié)構(gòu)和力學性能。這種組織工程軟骨有望用于軟骨損傷的修復(fù)和再生。在構(gòu)建血管化組織方面，微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)可以促進內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞等在三維支架上的有序排列和血管樣結(jié)構(gòu)的形成，為構(gòu)建具有功能性血管網(wǎng)絡(luò)的組織或器官奠定基礎(chǔ)。

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• 藥物篩選與毒性測試：在藥物研發(fā)過程中，微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)構(gòu)建的組織和器官模型可用于藥物篩選和毒性測試。與傳統(tǒng)的二維細胞模型相比，三維組織模型更能準確反映藥物在體內(nèi)的作用效果和毒性反應(yīng)。利用肝臟類器官模型在微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中測試藥物的代謝和毒性，能夠更真實地模擬人體肝臟對藥物的處理過程，提高藥物篩選的準確性和可靠性，減少藥物研發(fā)過程中的失敗風險。

三、微重力回旋器模擬裝置：地面模擬太空微重力

（一）裝置原理

北京基爾比生物科技有限公司研制的微重力回旋器模擬裝置 是一種地面模擬太空微重力環(huán)境的設(shè)備。其工作原理基于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力與重力相互作用，通過精確控制旋轉(zhuǎn)速度和角度，使得放置在裝置內(nèi)的樣品所受到的合力近似于微重力環(huán)境下的受力情況。該裝置通常由旋轉(zhuǎn)平臺、樣品固定裝置以及控制系統(tǒng)等部分組成。在運行過程中，樣品隨著旋轉(zhuǎn)平臺一起旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)半徑等，可以模擬不同程度的微重力環(huán)境。例如，通過降低旋轉(zhuǎn)速度和調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度，可以使樣品所受合力接近月球表面的微重力環(huán)境（約為地球重力的 1/6）；進一步調(diào)整參數(shù)，則可以模擬火星表面的微重力環(huán)境（約為地球重力的 3/8）或更接近太空的微重力環(huán)境 。這種地面模擬裝置的優(yōu)勢在于可以在實驗室條件下反復(fù)進行實驗，不受太空飛行任務(wù)的時間和成本限制，為研究微重力對細胞和生物系統(tǒng)的影響提供了便捷的手段。

（二）應(yīng)用價值

• 細胞生物學研究：在細胞生物學領(lǐng)域，微重力回旋器模擬裝置可用于研究微重力對細胞生長、分化、代謝等基本生命過程的影響。研究微重力環(huán)境下干細胞的分化方向和命運決定機制。將胚胎干細胞或成體干細胞放置在微重力回旋器模擬裝置中培養(yǎng)，觀察其在微重力條件下向不同細胞類型分化的情況。一些研究發(fā)現(xiàn)，微重力環(huán)境可能影響干細胞的基因表達和信號通路，促使干細胞向特定細胞類型分化的方向發(fā)生改變。這對于理解干細胞在體內(nèi)的發(fā)育和分化調(diào)控機制具有重要意義，也為干細胞在再生醫(yī)學中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

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• 發(fā)育生物學研究：對于發(fā)育生物學研究，微重力回旋器模擬裝置可以模擬太空微重力環(huán)境對胚胎發(fā)育的影響。以斑馬魚胚胎或小鼠胚胎為研究對象，在微重力回旋器模擬裝置中培養(yǎng)胚胎，觀察胚胎的發(fā)育過程，包括胚胎的形態(tài)發(fā)生、器官形成以及細胞遷移等過程的變化。研究發(fā)現(xiàn)，微重力環(huán)境可能影響胚胎的體軸形成、心臟發(fā)育以及神經(jīng)系統(tǒng)的分化等關(guān)鍵發(fā)育事件。這些研究結(jié)果有助于揭示重力在胚胎發(fā)育過程中的作用機制，為深入理解生命的起源和進化提供新的線索。

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• 航天器生命保障系統(tǒng)優(yōu)化：在航天器設(shè)計和生命保障系統(tǒng)研發(fā)過程中，微重力回旋器模擬裝置可用于測試和優(yōu)化各種設(shè)備和技術(shù)在微重力環(huán)境下的性能。對植物培養(yǎng)系統(tǒng)進行測試，研究在微重力環(huán)境下植物的生長情況和對環(huán)境因素（如光照、水分、養(yǎng)分供應(yīng)等）的響應(yīng)。通過在微重力回旋器模擬裝置中進行實驗，可以優(yōu)化植物培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，提高植物在太空環(huán)境下的生長效率和產(chǎn)量，為未來長期太空任務(wù)中的食物供應(yīng)提供保障。對于航天器內(nèi)的水循環(huán)系統(tǒng)、氣體交換系統(tǒng)等生命保障設(shè)備，也可以利用微重力回旋器模擬裝置測試其在微重力環(huán)境下的運行性能，發(fā)現(xiàn)潛在問題并進行改進，確保這些系統(tǒng)在太空飛行中能夠穩(wěn)定可靠地運行。

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• 航天材料性能測試：航天材料在微重力環(huán)境下的性能表現(xiàn)對于航天器的安全和可靠性至關(guān)重要。微重力回旋器模擬裝置可以用于測試各種航天材料，如金屬材料、復(fù)合材料、高分子材料等在微重力環(huán)境下的力學性能、物理性能和化學性能的變化。測試金屬材料在微重力環(huán)境下的疲勞性能和腐蝕行為，研究復(fù)合材料在微重力環(huán)境下的界面結(jié)合強度和力學性能穩(wěn)定性。這些研究結(jié)果為航天材料的選擇和優(yōu)化提供了重要依據(jù)，有助于開發(fā)出更適合太空環(huán)境的高性能材料，提高航天器的使用壽命和安全性。
  

美國成功接回滯留宇航員的事件不僅是一次太空探索任務(wù)的勝利，也為我們深入思考微重力環(huán)境下生命科學研究的重要性提供了契機。北京基爾比生物科技有限公司研制的微重力三維細胞培養(yǎng)系統(tǒng)和微重力回旋器模擬裝置作為研究微重力環(huán)境的重要工具，在航天醫(yī)學、生物研究以及其他領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。