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中國(guó)首次獲得在軌多細(xì)胞共培養(yǎng)實(shí)時(shí)圖像?

搭乘“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船的北理工生命“小立方”回傳實(shí)驗(yàn)圖像成功解析

“以人為本”，聚焦“人在太空”的健康問題

　　“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船是中國(guó)研制的第一款貨運(yùn)飛船，與“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接、實(shí)現(xiàn)空間補(bǔ)給，并完成相關(guān)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等任務(wù)，為中國(guó)2022年前后建成空間站“搭橋鋪路”。而在此次任務(wù)中，北理工研制的“空間微流控芯片生物培養(yǎng)與分析載荷”由“天舟一號(hào)”搭載，并開展了為期兩周的在軌實(shí)驗(yàn)。

　　作為新中國(guó)第一所國(guó)防院校的北京理工大學(xué)，在空間生命科學(xué)領(lǐng)域，始終將服務(wù)國(guó)家的使命感延伸向太空，始終聚焦于人在太空的生命健康問題，體現(xiàn)了服務(wù)載人航天工程和深空探測(cè)等國(guó)家重大科技工程整體戰(zhàn)略的發(fā)展思路。

　　隨著中國(guó)空間站計(jì)劃的逐步實(shí)施，中國(guó)航天員長(zhǎng)期在軌飛行將成為常態(tài)。面對(duì)空間微重力、輻射、噪音和幽閉環(huán)境等，關(guān)注航天員的生命健康，成為我國(guó)載人航天領(lǐng)域中十分迫切研究的問題。經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究表明，長(zhǎng)期的太空飛行，會(huì)導(dǎo)致航天員產(chǎn)生焦慮、抑郁、失眠及大面積潰瘍、免疫力低下等神經(jīng)和免疫系統(tǒng)問題。另一方面，神經(jīng)與免疫系統(tǒng)問題相互作用的機(jī)理研究也是當(dāng)下國(guó)際生命科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)問題。北理工的研究人員立足在神經(jīng)與免疫系統(tǒng)方面多年的研究積累，經(jīng)過反復(fù)論證，在本次飛行搭載任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)將科學(xué)問題聚焦于空間環(huán)境下的神經(jīng)與免疫系統(tǒng)相互作用。

　　“針對(duì)復(fù)雜空間環(huán)境影響下神經(jīng)和免疫系統(tǒng)相互作用，在這次飛行搭載任務(wù)中我們通過精巧設(shè)計(jì)，讓神經(jīng)細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞在微流控細(xì)胞培養(yǎng)芯片上進(jìn)行在軌共培養(yǎng)，并進(jìn)行自動(dòng)在線分析。通過觀察各種細(xì)胞在空間環(huán)境下的形態(tài)變化和遷移情況，并檢測(cè)培養(yǎng)基中與細(xì)胞相互作用相關(guān)的神秘物質(zhì)，以期了解神經(jīng)與免疫系統(tǒng)之間的相互作用規(guī)律和機(jī)制，在研究中還希望獲得一系列能夠表征航天人員身體健康狀況的標(biāo)志物。當(dāng)然，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(jìn)行對(duì)照。空間搭載在整個(gè)研究環(huán)節(jié)中是最重要也是最關(guān)鍵的，這項(xiàng)研究對(duì)今后長(zhǎng)期在軌飛行的航天員健康保障意義重大。”項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人鄧玉林教授這樣介紹了項(xiàng)目總體情況。

　　圍繞這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，北理工生命科學(xué)載荷將在空間環(huán)境下，同時(shí)完成對(duì)神經(jīng)細(xì)胞(含膠質(zhì)細(xì)胞)、免疫細(xì)胞的在軌共培養(yǎng)，這種培養(yǎng)必須做到神經(jīng)和免疫細(xì)胞“共生不碰面”，而“生長(zhǎng)環(huán)境”卻又要相互聯(lián)系貫通，這實(shí)際上是在一定程度上模擬人體中“腦與外周免疫系統(tǒng)”。研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)成功地實(shí)現(xiàn)了多種細(xì)胞相互作用研究。

　　而在“培養(yǎng)”之后實(shí)施的在線檢測(cè)與分析，不僅要檢測(cè)兩種細(xì)胞各自變化的“不同”，還要檢測(cè)其共同生長(zhǎng)環(huán)境中的“相同”，這就是所謂的神秘物質(zhì)，所獲得的“第一手”數(shù)據(jù)將是研究空間環(huán)境對(duì)航天員的健康損傷的寶貴資料，并服務(wù)于建立空間環(huán)境損傷的預(yù)警研究，為長(zhǎng)期載人飛行健康保障以及深空生命信息探測(cè)提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

　　值得一提的是，這種巧妙的細(xì)胞共培養(yǎng)和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也可以用于開展其他不同細(xì)胞的相互作用研究，為空間生命科學(xué)研究提供了一個(gè)新的、先進(jìn)的研究工具和平臺(tái)。

“方寸空間”，精造微型生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室

　　“最先進(jìn)最復(fù)雜的空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷”，在年初召開的“天舟一號(hào)”搭載項(xiàng)目研制總結(jié)評(píng)審會(huì)上，專家組給予北理工載荷高度評(píng)價(jià)。載人航天辦公室也批準(zhǔn)該項(xiàng)目作為"天舟一號(hào)"任務(wù)飛船系統(tǒng)搭載項(xiàng)目。

　　對(duì)神經(jīng)細(xì)胞和免疫細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)，并自動(dòng)在線開展相應(yīng)的檢測(cè)分析，即使是在地面實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)現(xiàn)起來都很困難，目前也沒有集成化的儀器。作為要“泛舟”太空的科學(xué)載荷，面臨嚴(yán)苛的航天要求，不僅要嚴(yán)格體積、重量以及功耗，還要在空間飛行的嚴(yán)峻環(huán)境下，完全自主實(shí)施培養(yǎng)、檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和處理傳輸?shù)取皠?dòng)作”，可謂難度極大。例如載荷中的兩個(gè)用于觀測(cè)的小鏡頭,就是因?yàn)椤疤熘邸碧峁┑挠邢薰模沟苗R頭一再減少并修改，類似這樣因搭載條件而帶來的技術(shù)困難和挑戰(zhàn)可謂屢見不鮮。

　　北理工生命學(xué)院在空間生命科學(xué)儀器研制方面，早已具有多年的研究積累，本次載荷項(xiàng)目其實(shí)就是來源于學(xué)院所承擔(dān)的2012年科技部國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“空間多指標(biāo)生物分析儀器開發(fā)及應(yīng)用”的研究成果。

　　據(jù)負(fù)責(zé)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和設(shè)備研制的馬宏副研究員介紹：“由于對(duì)載荷的功耗和荷重都有著嚴(yán)格的控制，這就要求在軌研究的生物試劑和耗材必須盡可能減少用量。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)設(shè)計(jì)了自動(dòng)化的樣品制備技術(shù)，以保證實(shí)驗(yàn)細(xì)胞樣品能夠進(jìn)行生化分析。除此之外，為了能夠有效檢測(cè)細(xì)胞因子和免疫因子作用的分子機(jī)制，團(tuán)隊(duì)又自主創(chuàng)新了基于膠體金的高靈敏快速檢測(cè)技術(shù)(1ng)，在國(guó)際上也屬于領(lǐng)先水平。”

　　針對(duì)空間生命科學(xué)研究的需求，北理工科研人員著實(shí)在“方寸之間”下了苦功，使之成為集生物培養(yǎng)、在軌在線分析、數(shù)據(jù)處理于一體的空間多指標(biāo)生物分析集成化儀器平臺(tái)，擁有至少五項(xiàng)原始創(chuàng)新成果。“無論是載荷的集成與自動(dòng)控制技術(shù)、細(xì)胞的在線觀測(cè)、在線監(jiān)測(cè)以及在線分析還是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黜?xiàng)技術(shù)，都是由團(tuán)隊(duì)成員通過自主創(chuàng)新完成的。”空間生物與醫(yī)學(xué)工程研究所副所長(zhǎng)、生命學(xué)院李曉瓊副教授在介紹時(shí)充滿自豪。

　　北理工的國(guó)防品質(zhì)，就是善于攻堅(jiān)克難。作為一項(xiàng)可以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的空間生命科學(xué)載荷裝置，從提出設(shè)想到組建模型，再到工程應(yīng)用，竟是由一支10余人的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成了各項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計(jì)。“團(tuán)隊(duì)內(nèi)的每一位成員在最后攻艱階段都是連續(xù)作戰(zhàn)的工作模式，吃住基本都在實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)橐紤]的地方太多，時(shí)間很緊張，我們必須頂下來。載荷最大的特點(diǎn)就是由我們完全自主設(shè)計(jì)完成，從硬件到軟件，復(fù)雜度在目前報(bào)道的所有空間生命科學(xué)載荷里都是首屈一指。”李曉瓊?cè)绱私榻B自己的團(tuán)隊(duì)。

　　鄧玉林教授在總結(jié)這次飛行搭載任務(wù)時(shí)表示："這次任務(wù)青年教師和研究生們擔(dān)當(dāng)大任，博士生楊春華表現(xiàn)極為突出，受到飛船系統(tǒng)高度好評(píng)，博士和碩士研究生韓杰、于世永、李永瑞、陳鈺、褚平平、樊云龍、張朋藝、李堃杰、冷坤等各盡其責(zé)。我們團(tuán)隊(duì)成員在這次任務(wù)中銳意進(jìn)取、刻苦工作，發(fā)揚(yáng)了延安精神和軍工精神，大家共同努力才使本次任務(wù)在遭遇極大困難的情況下成功完成。我們的研制工作得到了科技部重大科學(xué)儀器開發(fā)專項(xiàng)的支持，得到了載人航天辦公室的指導(dǎo)和支持，得到了航天科技集團(tuán)宇航部和航天五院載人總體部的大力支持和幫助。此外，還要感謝航天五院513所和哈工程等兩個(gè)合作單位的精誠(chéng)合作，感謝學(xué)校學(xué)院對(duì)團(tuán)隊(duì)以及項(xiàng)目實(shí)施過程中的大力支持。"

交叉融合，“我們要在宇宙空間占一個(gè)位置！”

　　1957年，北京工業(yè)學(xué)院（北京理工大學(xué)前身）師生，在“勇攀尖端”的過程中，曾發(fā)出“我們要在宇宙空間占一個(gè)位置！”的雄音偉志。而一個(gè)甲子之后，北理工的生命“小立方”閃耀著學(xué)科高度交叉融合的光芒，正在一步一個(gè)腳印的邁向宇宙空間的“北理工位置”。

　　“只有我們幾位不同學(xué)科方向的老師坐在一起研究這件事，才能完全實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，否則是不可能完成的！”馬宏最大的感慨就是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的交叉融合。在空間完全自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并且還要滿足一系列嚴(yán)苛的搭載要求，這不僅要求項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)具備較高的生命科學(xué)研究能力和深厚的學(xué)術(shù)積累，還要具備極高的研制載荷裝置的工程實(shí)現(xiàn)能力，更為重要的是兩者之間要實(shí)現(xiàn)真正的深度交融合作。唯有高度的學(xué)科交叉融合才使這項(xiàng)超高技術(shù)難度載荷實(shí)驗(yàn)成為可能，而這也集中反應(yīng)了近年來北京理工大學(xué)在學(xué)科交叉融合方面的工作成果。

　　近年來，學(xué)校大力推動(dòng)新興交叉學(xué)科的成長(zhǎng)，這其中空間生命科學(xué)研究及其所在的生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域頗具代表性，能夠抓住機(jī)會(huì)，形成學(xué)科發(fā)展?fàn)恳Γ浞滞苿?dòng)北理工傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科與新興學(xué)科交叉融合，不僅成為國(guó)內(nèi)空間生命科學(xué)研究的先行者，還逐步在國(guó)際舞臺(tái)上展露頭角，培育形成學(xué)校全新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)漸成。

　　據(jù)李曉瓊介紹，“對(duì)于學(xué)校而言，完成這樣的項(xiàng)目非常不簡(jiǎn)單，這項(xiàng)空間載荷涉及到光、激、電、熱、磁、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，團(tuán)隊(duì)里的成員包含各個(gè)專業(yè)。”李曉瓊坦言，項(xiàng)目的成功實(shí)施，與學(xué)校重點(diǎn)培養(yǎng)交叉融合學(xué)科是分不開的，“這也驗(yàn)證了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科作為學(xué)校多專業(yè)交叉融合性學(xué)科，經(jīng)過多年的積淀后，開始出現(xiàn)爆發(fā)的集中體現(xiàn)。”

　　另一個(gè)方面，高度的學(xué)科交叉融合，也讓我校在國(guó)防科研中硬朗的“型號(hào)”品質(zhì)和工作作風(fēng)，得以在新興學(xué)科的拓展上得以傳承和發(fā)揚(yáng)，從理論到實(shí)踐，從方案到產(chǎn)品，再到“不容一次失敗”的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，都彰顯著北理工肩負(fù)國(guó)家使命的深刻內(nèi)涵。

　　浩瀚天際，廣袤無垠，在中國(guó)航天事業(yè)大發(fā)展的背景下，北理工不斷前行，“主動(dòng)瞄準(zhǔn)國(guó)家重大戰(zhàn)略和國(guó)防重大戰(zhàn)略需求，緊密圍繞我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展主題，潛心研究，重點(diǎn)攻關(guān)，大力推進(jìn)航天領(lǐng)域科技工作”成為學(xué)校的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。

　　“我們要在宇宙空間占一個(gè)位置”，正在成為現(xiàn)實(shí)。今天，一代代北理工人默默奉獻(xiàn)，北京理工大學(xué)在“拓天”的道路上踏實(shí)前行。我們堅(jiān)信，廣袤星空之中必將留下北理工前進(jìn)的軌跡，向著更加浩瀚的宇宙飛翔！