空間搭載：“泛舟”太空的微型生命科學實驗室

發射場載荷裝配

　　在“天舟一號”貨運飛船搭載的多項科學載荷中，有這樣一個生命“小立方”，在軌期間它自動化實施了多種細胞在軌共培養和分析，進行了一次對中國空間生命科學研究意義深遠的探索實踐。

　　5月3日，這個由北京理工大學生命學院鄧玉林教授團隊完全自主研制的“空間微流控芯片生物培養與分析載荷”，完成全部實驗任務，實現了全部實驗數據的下行傳輸，達到了預定的任務目標，圓滿完成了飛行搭載任務。

　　航天員健康研究的關鍵一步

　　隨著中國空間站計劃的逐步實施，中國航天員長期在軌飛行將成為常態。研究表明，長期的太空飛行，會導致航天員產生焦慮、抑郁、失眠及大面積潰瘍、免疫力低下等神經和免疫系統問題。

　　“面對空間微重力、輻射、噪音和幽閉環境等，關注航天員的生命健康，成為我國載人航天領域中十分迫切研究的問題。”鄧玉林接受《中國科學報》采訪時說。

　　為此，他們立足在神經與免疫系統方面多年的研究積累，經過反復論證，在本次飛行搭載任務設計時將科學問題聚焦于空間環境下的神經與免疫系統相互作用。

　　針對復雜空間環境影響，研究人員通過精巧設計，讓神經細胞、膠質細胞和免疫細胞在微流控細胞培養芯片上進行在軌共培養，并進行自動在線分析。通過觀察各種細胞在空間環境下的形態變化和遷移情況，并檢測培養基中與細胞相互作用相關的神秘物質，以期了解神經與免疫系統之間的相互作用規律和機制，獲得能夠表征航天員身體健康狀況的標志物。

　　“通過單次搭載不可能一下子把這些問題都解決，還需要開展更加全面的地面研究，并與地面研究進行對照。”鄧玉林說，“空間搭載在整個研究環節中是最重要也是最關鍵的，這項研究對今后長期在軌飛行的航天員健康保障意義重大。”

　　方寸空間探秘太空細胞新現象

　　簡單來說，這個生命“小立方”是一個集多細胞生物共培養、細胞影像分析、在軌在線樣品處理和生化分析以及遙操作自動化等多項技術于一體的空間生命科學實驗平臺。

　　“對神經細胞和免疫細胞進行共培養，并自動在線開展相應的檢測分析，即使是在地面實驗室中，實現起來都很困難，目前也沒有集成化的儀器。”北理工生命學院副教授李曉瓊向《中國科學報》記者介紹說，“這種培養必須做到神經和免疫細胞‘共生不碰面’，而生長環境卻又要相互聯系貫通，這實際上是在一定程度上模擬人體中腦與外周免疫系統。”

　　而在培養之后實施的在線檢測與分析，不僅要檢測兩種細胞各自變化的“不同”，還要檢測其共同生長環境中的“相同”，這就是所謂的神秘物質。“所獲得的第一手數據將是研究空間環境對航天員健康損傷的寶貴資料，并服務于建立空間環境損傷的預警研究，為長期載人飛行健康保障以及深空生命信息探測提供理論和技術基礎。”鄧玉林說。

　　在空間完全自動化地實現復雜的生命科學實驗，并且還要滿足一系列嚴苛的搭載要求，這不僅要求項目團隊具備較高的生命科學研究能力和深厚的學術積累，還要具備極高的研制載荷裝置的工程實現能力。

　　李曉瓊舉例說，載荷中的兩個用于觀測的小鏡頭，就是因為“天舟一號”提供的有限功耗，使得鏡頭一再減少并修改，類似這樣因搭載條件而帶來的技術困難和挑戰可謂屢見不鮮。

　　面向中國空間站的超前部署

　　“最先進最復雜的空間生命科學實驗載荷”，在今年年初召開的“天舟一號”搭載項目研制總結評審會上，專家組給予北理工的生命“小立方”高度評價。

　　李曉瓊告訴記者，這種巧妙的細胞共培養和檢測實驗設計，也可以用于開展其他不同細胞的相互作用研究，為空間生命科學研究提供了一個新的、先進的研究工具和平臺。

　　其實，北理工生命學院在空間生命科學儀器研制方面，早已具有多年的研究積累。北理工生命科學載荷曾先后于2011年和2016年搭乘“神八”和“長七”遨游太空。

　　“每一次都是新的挑戰。此次是眾多關鍵技術的集大成，無論是載荷的集成與自動控制技術、細胞在線監測在線分析還是實時數據傳輸等各項技術，都是由團隊成員通過自主創新完成的。”北理工生命學院副研究員馬宏深有感觸地說。

　　據了解，本次載荷項目來源于他們所承擔的2012年科技部國家重大科學儀器設備開發專項“空間多指標生物分析儀器開發及應用”的研究成果。

　　鄧玉林表示，這個專項一定意義上是為中國載人空間站進行超前部署。“目前我們在‘天舟一號’上的工作已經告一段落，面向中國空間站我們還將開展大量工作。”