2025 年 3 月 19 日,，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）成功用載人龍飛船將兩名滯留國(guó)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(jìn)步,，也再次引發(fā)了人們對(duì)太空環(huán)境下生命科學(xué)研究的關(guān)注,。在宇航員長(zhǎng)期駐留太空期間，太空環(huán)境尤其是微重力環(huán)境對(duì)人體生理的影響一直是科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn),。

一,、微重力環(huán)境對(duì)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(duì)人體生理系統(tǒng)的影響最為顯著,。長(zhǎng)期處于微重力環(huán)境下，宇航員的身體會(huì)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(duì)他們返回地球后的長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)。而微重力環(huán)境對(duì)細(xì)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(xì)胞的行為和變化,，對(duì)于保障宇航員的健康以及推動(dòng)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(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)：模擬太空細(xì)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(duì)宇航員免疫系統(tǒng)影響方面,，微重力三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。通過(guò)培養(yǎng)宇航員的免疫細(xì)胞，如 T 細(xì)胞,、B 細(xì)胞等,，研究人員可以觀察在微重力環(huán)境下這些細(xì)胞的功能變化，包括細(xì)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(huì)抑制 T 細(xì)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(xì)胞層面的證據(jù),。基于這些研究結(jié)果,，科學(xué)家可以開(kāi)發(fā)針對(duì)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(hù)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(xì)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(xì)胞在這種環(huán)境下的損傷機(jī)制和修復(fù)過(guò)程,。例如,，培養(yǎng)皮膚細(xì)胞或造血干細(xì)胞，觀察輻射和微重力共同作用下細(xì)胞的 DNA 損傷,、基因突變以及細(xì)胞凋亡等情況,。這有助于篩選出具有輻射防護(hù)作用的藥物或生物制劑，為宇航員提供有效的輻射防護(hù)措施,。

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• 癌癥研究：腫瘤細(xì)胞在微重力三維環(huán)境下的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移機(jī)制研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)之一,。一些研究表明，微重力環(huán)境可能影響腫瘤細(xì)胞的黏附,、遷移和侵襲能力,，促進(jìn)腫瘤的轉(zhuǎn)移。通過(guò)在微重力三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中培養(yǎng)腫瘤細(xì)胞,，研究人員可以深入探討這些過(guò)程背后的分子機(jī)制,，尋找新的腫瘤治療靶點(diǎn)。培養(yǎng)肺癌細(xì)胞,，觀察在微重力環(huán)境下腫瘤細(xì)胞與周圍基質(zhì)細(xì)胞的相互作用,，以及腫瘤血管生成的變化，有助于開(kāi)發(fā)針對(duì)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(duì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞的分化、發(fā)育以及神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞等過(guò)程的變化,，為揭示神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)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(jìn)一步研究該疾病的發(fā)病機(jī)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(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)為再生醫(yī)學(xué)和組織工程提供了理想的平臺(tái),。在該系統(tǒng)中,，種子細(xì)胞（如干細(xì)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(xì)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(jìn)軟骨細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)，形成更接近天然軟骨的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)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(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)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(cè)試：在藥物研發(fā)過(guò)程中，微重力三維細(xì)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(cè)試,。與傳統(tǒng)的二維細(xì)胞模型相比,，三維組織模型更能準(zhǔn)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(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中測(cè)試藥物的代謝和毒性,，能夠更真實(shí)地模擬人體肝臟對(duì)藥物的處理過(guò)程,，提高藥物篩選的準(zhǔn)確性和可靠性，減少藥物研發(fā)過(guò)程中的失敗風(fēng)險(xiǎn),。

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(guò)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(tái),、樣品固定裝置以及控制系統(tǒng)等部分組成。在運(yùn)行過(guò)程中,，樣品隨著旋轉(zhuǎn)平臺(tái)一起旋轉(zhuǎn),，通過(guò)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(guò)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(jìn)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(shì)在于可以在實(shí)驗(yàn)室條件下反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不受太空飛行任務(wù)的時(shí)間和成本限制,，為研究微重力對(duì)細(xì)胞和生物系統(tǒng)的影響提供了便捷的手段。

（二）應(yīng)用價(jià)值

• 細(xì)胞生物學(xué)研究：在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域,，微重力回旋器模擬裝置可用于研究微重力對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng),、分化、代謝等基本生命過(guò)程的影響。研究微重力環(huán)境下干細(xì)胞的分化方向和命運(yùn)決定機(jī)制,。將胚胎干細(xì)胞或成體干細(xì)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(xì)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(xì)胞的基因表達(dá)和信號(hào)通路,，促使干細(xì)胞向特定細(xì)胞類型分化的方向發(fā)生改變。這對(duì)于理解干細(xì)胞在體內(nèi)的發(fā)育和分化調(diào)控機(jī)制具有重要意義,，也為干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ),。

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• 發(fā)育生物學(xué)研究：對(duì)于發(fā)育生物學(xué)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(duì)胚胎發(fā)育的影響,。以斑馬魚(yú)胚胎或小鼠胚胎為研究對(duì)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(guò)程,，包括胚胎的形態(tài)發(fā)生,、器官形成以及細(xì)胞遷移等過(guò)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(guò)程中的作用機(jī)制,，為深入理解生命的起源和進(jìn)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(jì)和生命保障系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，微重力回旋器模擬裝置可用于測(cè)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(duì)植物培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,，研究在微重力環(huán)境下植物的生長(zhǎng)情況和對(duì)環(huán)境因素（如光照、水分,、養(yǎng)分供應(yīng)等）的響應(yīng),。通過(guò)在微重力回旋器模擬裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以優(yōu)化植物培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，提高植物在太空環(huán)境下的生長(zhǎng)效率和產(chǎn)量,，為未來(lái)長(zhǎng)期太空任務(wù)中的食物供應(yīng)提供保障。對(duì)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(cè)試其在微重力環(huán)境下的運(yùn)行性能，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn),，確保這些系統(tǒng)在太空飛行中能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,。

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• 航天材料性能測(cè)試：航天材料在微重力環(huán)境下的性能表現(xiàn)對(duì)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(cè)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(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能的變化,。測(cè)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(qiáng)度和力學(xué)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(kāi)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(guó)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(xué)研究的重要性提供了契機(jī),。北京基爾比生物科技有限公司研制的微重力三維細(xì)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(xué),、生物研究以及其他領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力,。