2025 年 3 月 19 日，美國太空探索技術公司（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。這次任務不僅彰顯了人類在太空探索領域的持續進步，也再次引發了人們對太空環境下生命科學研究的關注。在宇航員長期駐留太空期間，太空環境尤其是微重力環境對人體生理的影響一直是科學界關注的焦點。

一、微重力環境對人體的挑戰

在太空飛行中，宇航員面臨著多種環境因素的挑戰，其中微重力環境對人體生理系統的影響最為顯著。長期處于微重力環境下，宇航員的身體會出現一系列變化，如骨骼密度降低、肌肉wei suo、心血管功能失調以及免疫系統功能下降等。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，免疫系統功能下降使得宇航員更容易受到感染，增加了太空任務中的健康風險。而微重力環境對細胞層面的影響，正是導致這些生理變化的重要原因之一。因此，深入研究微重力環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發展具有重要意義。

二、微重力三維細胞培養系統：模擬太空細胞微環境

（一）系統功能

（二）應用領域

• 宇航員健康保障：在研究太空飛行對宇航員免疫系統影響方面，微重力三維細胞培養系統發揮著關鍵作用。通過培養宇航員的免疫細胞，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。研究發現，微重力環境會抑制 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功能下降提供了細胞層面的證據。基于這些研究結果，科學家可以開發針對性的干預措施，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系統可以與輻射研究相結合，模擬太空輻射與微重力的復合環境，研究細胞在這種環境下的損傷機制和修復過程。例如，培養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境下的生長和轉移機制研究是當前的熱點之一。一些研究表明，微重力環境可能影響腫瘤細胞的黏附、遷移和侵襲能力，促進腫瘤的轉移。通過在微重力三維細胞培養系統中培養腫瘤細胞，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。培養肺癌細胞，觀察在微重力環境下腫瘤細胞與周圍基質細胞的相互作用，以及腫瘤血管生成的變化，有助于開發針對腫瘤轉移和血管生成的新型治療策略。

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• 神經退行性疾病研究：對于神經退行性疾病，如帕金森病、阿爾茨海默病等，微重力三維細胞培養系統可以用于構建神經類器官模型。將誘導多能干細胞（iPSC）在微重力環境下分化為神經元和神經膠質細胞，并形成三維神經類器官。這些類器官能夠模擬大腦的部分結構和功能，研究人員可以觀察在微重力環境下神經細胞的分化、發育以及神經遞質的傳遞等過程的變化，為揭示神經退行性疾病的發病機制提供新的視角。例如，研究發現微重力環境可能影響神經類器官中 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，為進一步研究該疾病的發病機制和治療方法提供了重要線索。

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

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• 藥物篩選與毒性測試：在藥物研發過程中，微重力三維細胞培養系統構建的組織和器官模型可用于藥物篩選和毒性測試。與傳統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的作用效果和毒性反應。利用肝臟類器官模型在微重力三維細胞培養系統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境的設備。其工作原理基于旋轉產生的離心力與重力相互作用，通過精確控制旋轉速度和角度，使得放置在裝置內的樣品所受到的合力近似于微重力環境下的受力情況。該裝置通常由旋轉平臺、樣品固定裝置以及控制系統等部分組成。在運行過程中，樣品隨著旋轉平臺一起旋轉，通過調整旋轉參數，如轉速、旋轉半徑等，可以模擬不同程度的微重力環境。例如，通過降低旋轉速度和調整旋轉角度，可以使樣品所受合力接近月球表面的微重力環境（約為地球重力的 1/6）；進一步調整參數，則可以模擬火星表面的微重力環境（約為地球重力的 3/8）或更接近太空的微重力環境 。這種地面模擬裝置的優勢在于可以在實驗室條件下反復進行實驗，不受太空飛行任務的時間和成本限制，為研究微重力對細胞和生物系統的影響提供了便捷的手段。

（二）應用價值

• 細胞生物學研究：在細胞生物學領域，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，觀察其在微重力條件下向不同細胞類型分化的情況。一些研究發現，微重力環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生改變。這對于理解干細胞在體內的發育和分化調控機制具有重要意義，也為干細胞在再生醫學中的應用提供了理論基礎。

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• 發育生物學研究：對于發育生物學研究，微重力回旋器模擬裝置可以模擬太空微重力環境對胚胎發育的影響。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胚胎，觀察胚胎的發育過程，包括胚胎的形態發生、器官形成以及細胞遷移等過程的變化。研究發現，微重力環境可能影響胚胎的體軸形成、心臟發育以及神經系統的分化等關鍵發育事件。這些研究結果有助于揭示重力在胚胎發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優化：在航天器設計和生命保障系統研發過程中，微重力回旋器模擬裝置可用于測試和優化各種設備和技術在微重力環境下的性能。對植物培養系統進行測試，研究在微重力環境下植物的生長情況和對環境因素（如光照、水分、養分供應等）的響應。通過在微重力回旋器模擬裝置中進行實驗，可以優化植物培養系統的設計，提高植物在太空環境下的生長效率和產量，為未來長期太空任務中的食物供應提供保障。對于航天器內的水循環系統、氣體交換系統等生命保障設備，也可以利用微重力回旋器模擬裝置測試其在微重力環境下的運行性能，發現潛在問題并進行改進，確保這些系統在太空飛行中能夠穩定可靠地運行。

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• 航天材料性能測試：航天材料在微重力環境下的性能表現對于航天器的安全和可靠性至關重要。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、復合材料、高分子材料等在微重力環境下的力學性能、物理性能和化學性能的變化。測試金屬材料在微重力環境下的疲勞性能和腐蝕行為，研究復合材料在微重力環境下的界面結合強度和力學性能穩定性。這些研究結果為航天材料的選擇和優化提供了重要依據，有助于開發出更適合太空環境的高性能材料，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的勝利，也為我們深入思考微重力環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系統和微重力回旋器模擬裝置作為研究微重力環境的重要工具，在航天醫學、生物研究以及其他領域展現出了巨大的潛力。