中国首次获得在轨多细胞共培养实时图像​

搭乘“天舟一号”货运飞船的北理工生命“小立方”回传实验图像成功解析

“以人为本”，聚焦“人在太空”的健康问题

　　“天舟一号”货运飞船是中国研制的第一款货运飞船，与“天宫二号”空间实验室交会对接、实现空间补给，并完成相关空间科学实验等任务，为中国2022年前后建成空间站“搭桥铺路”。而在此次任务中，北理工研制的“空间微流控芯片生物培养与分析载荷”由“天舟一号”搭载，并开展了为期两周的在轨实验。

　　作为新中国第一所国防院校的乐动（中国），在空间生命科学领域，始终将服务国家的使命感延伸向太空，始终聚焦于人在太空的生命健康问题，体现了服务载人航天工程和深空探测等国家重大科技工程整体战略的发展思路。

　　随着中国空间站计划的逐步实施，中国航天员长期在轨飞行将成为常态。面对空间微重力、辐射、噪音和幽闭环境等，关注航天员的生命健康，成为我国载人航天领域中十分迫切研究的问题。经国内外研究表明，长期的太空飞行，会导致航天员产生焦虑、抑郁、失眠及大面积溃疡、免疫力低下等神经和免疫系统问题。另一方面，神经与免疫系统问题相互作用的机理研究也是当下国际生命科学研究的前沿热点问题。北理工的研究人员立足在神经与免疫系统方面多年的研究积累，经过反复论证，在本次飞行搭载任务设计时将科学问题聚焦于空间环境下的神经与免疫系统相互作用。

　　“针对复杂空间环境影响下神经和免疫系统相互作用，在这次飞行搭载任务中我们通过精巧设计，让神经细胞、胶质细胞和免疫细胞在微流控细胞培养芯片上进行在轨共培养，并进行自动在线分析。通过观察各种细胞在空间环境下的形态变化和迁移情况，并检测培养基中与细胞相互作用相关的神秘物质，以期了解神经与免疫系统之间的相互作用规律和机制，在研究中还希望获得一系列能够表征航天人员身体健康状况的标志物。当然，通过单次搭载不可能一下子把这些问题都解决，还需要开展更加全面的地面研究，并与地面研究进行对照。空间搭载在整个研究环节中是最重要也是最关键的，这项研究对今后长期在轨飞行的航天员健康保障意义重大。”项目总负责人邓玉林教授这样介绍了项目总体情况。

　　围绕这一实验设计思路，北理工生命科学载荷将在空间环境下，同时完成对神经细胞(含胶质细胞)、免疫细胞的在轨共培养，这种培养必须做到神经和免疫细胞“共生不碰面”，而“生长环境”却又要相互联系贯通，这实际上是在一定程度上模拟人体中“脑与外周免疫系统”。研究团队利用先进的微流控芯片实验室技术，通过创新设计成功地实现了多种细胞相互作用研究。

　　而在“培养”之后实施的在线检测与分析，不仅要检测两种细胞各自变化的“不同”，还要检测其共同生长环境中的“相同”，这就是所谓的神秘物质，所获得的“第一手”数据将是研究空间环境对航天员的健康损伤的宝贵资料，并服务于建立空间环境损伤的预警研究，为长期载人飞行健康保障以及深空生命信息探测提供理论和技术基础。

　　值得一提的是，这种巧妙的细胞共培养和检测实验设计，也可以用于开展其他不同细胞的相互作用研究，为空间生命科学研究提供了一个新的、先进的研究工具和平台。

“方寸空间”，精造微型生命科学实验室

　　“最先进最复杂的空间生命科学实验载荷”，在年初召开的“天舟一号”搭载项目研制总结评审会上，专家组给予北理工载荷高度评价。载人航天办公室也批准该项目作为"天舟一号"任务飞船系统搭载项目。

　　对神经细胞和免疫细胞进行共培养，并自动在线开展相应的检测分析，即使是在地面实验室中，实现起来都很困难，目前也没有集成化的仪器。作为要“泛舟”太空的科学载荷，面临严苛的航天要求，不仅要严格体积、重量以及功耗，还要在空间飞行的严峻环境下，完全自主实施培养、检测、数据采集和处理传输等“动作”，可谓难度极大。例如载荷中的两个用于观测的小镜头,就是因为“天舟”提供的有限功耗，使得镜头一再减少并修改，类似这样因搭载条件而带来的技术困难和挑战可谓屡见不鲜。

　　北理工生命学院在空间生命科学仪器研制方面，早已具有多年的研究积累，本次载荷项目其实就是来源于学院所承担的2012年科技部国家重大科学仪器设备开发专项“空间多指标生物分析仪器开发及应用”的研究成果。

　　据负责细胞培养技术和设备研制的马宏副研究员介绍：“由于对载荷的功耗和荷重都有着严格的控制，这就要求在轨研究的生物试剂和耗材必须尽可能减少用量。同时，团队自主研发设计了自动化的样品制备技术，以保证实验细胞样品能够进行生化分析。除此之外，为了能够有效检测细胞因子和免疫因子作用的分子机制，团队又自主创新了基于胶体金的高灵敏快速检测技术(1ng)，在国际上也属于领先水平。”

　　针对空间生命科学研究的需求，北理工科研人员着实在“方寸之间”下了苦功，使之成为集生物培养、在轨在线分析、数据处理于一体的空间多指标生物分析集成化仪器平台，拥有至少五项原始创新成果。“无论是载荷的集成与自动控制技术、细胞的在线观测、在线监测以及在线分析还是实时数据传输等各项技术，都是由团队成员通过自主创新完成的。”空间生物与医学工程研究所副所长、生命学院李晓琼副教授在介绍时充满自豪。

　　北理工的国防品质，就是善于攻坚克难。作为一项可以达到国际先进水平的空间生命科学载荷装置，从提出设想到组建模型，再到工程应用，竟是由一支10余人的团队独立完成了各项技术创新和设计。“团队内的每一位成员在最后攻艰阶段都是连续作战的工作模式，吃住基本都在实验室。因为要考虑的地方太多，时间很紧张，我们必须顶下来。载荷最大的特点就是由我们完全自主设计完成，从硬件到软件，复杂度在目前报道的所有空间生命科学载荷里都是首屈一指。”李晓琼如此介绍自己的团队。

　　邓玉林教授在总结这次飞行搭载任务时表示："这次任务青年教师和研究生们担当大任，博士生杨春华表现极为突出，受到飞船系统高度好评，博士和硕士研究生韩杰、于世永、李永瑞、陈钰、褚平平、樊云龙、张朋艺、李堃杰、冷坤等各尽其责。我们团队成员在这次任务中锐意进取、刻苦工作，发扬了延安精神和军工精神，大家共同努力才使本次任务在遭遇极大困难的情况下成功完成。我们的研制工作得到了科技部重大科学仪器开发专项的支持，得到了载人航天办公室的指导和支持，得到了航天科技集团宇航部和航天五院载人总体部的大力支持和帮助。此外，还要感谢航天五院513所和哈工程等两个合作单位的精诚合作，感谢学校学院对团队以及项目实施过程中的大力支持。"

交叉融合，“我们要在宇宙空间占一个位置！”

　　1957年，北京工业学院（乐动（中国）前身）师生，在“勇攀尖端”的过程中，曾发出“我们要在宇宙空间占一个位置！”的雄音伟志。而一个甲子之后，北理工的生命“小立方”闪耀着学科高度交叉融合的光芒，正在一步一个脚印的迈向宇宙空间的“北理工位置”。

　　“只有我们几位不同学科方向的老师坐在一起研究这件事，才能完全实现目标，否则是不可能完成的！”马宏最大的感慨就是项目团队的交叉融合。在空间完全自动化的实现复杂的生命科学实验，并且还要满足一系列严苛的搭载要求，这不仅要求项目团队具备较高的生命科学研究能力和深厚的学术积累，还要具备极高的研制载荷装置的工程实现能力，更为重要的是两者之间要实现真正的深度交融合作。唯有高度的学科交叉融合才使这项超高技术难度载荷实验成为可能，而这也集中反应了近年来乐动（中国）在学科交叉融合方面的工作成果。

　　近年来，学校大力推动新兴交叉学科的成长，这其中空间生命科学研究及其所在的生物医学工程领域颇具代表性，能够抓住机会，形成学科发展牵引力，充分推动北理工传统优势学科与新兴学科交叉融合，不仅成为国内空间生命科学研究的先行者，还逐步在国际舞台上展露头角，培育形成学校全新的学科增长点，优势渐成。

　　据李晓琼介绍，“对于学校而言，完成这样的项目非常不简单，这项空间载荷涉及到光、激、电、热、磁、力学等多个学科，团队里的成员包含各个专业。”李晓琼坦言，项目的成功实施，与学校重点培养交叉融合学科是分不开的，“这也验证了生物医学工程学科作为学校多专业交叉融合性学科，经过多年的积淀后，开始出现爆发的集中体现。”

　　另一个方面，高度的学科交叉融合，也让我校在国防科研中硬朗的“型号”品质和工作作风，得以在新兴学科的拓展上得以传承和发扬，从理论到实践，从方案到产品，再到“不容一次失败”的高标准、严要求，都彰显着北理工肩负国家使命的深刻内涵。

　　浩瀚天际，广袤无垠，在中国航天事业大发展的背景下，北理工不断前行，“主动瞄准国家重大战略和国防重大战略需求，紧密围绕我国航天事业发展主题，潜心研究，重点攻关，大力推进航天领域科技工作”成为学校的战略发展规划。

　　“我们要在宇宙空间占一个位置”，正在成为现实。今天，一代代北理工人默默奉献，乐动（中国）在“拓天”的道路上踏实前行。我们坚信，广袤星空之中必将留下北理工前进的轨迹，向着更加浩瀚的宇宙飞翔！