太空干细胞研究：从实验培养到在轨生物制造

《Current Stem Cell Reports》：Stem Cell Research in Space: From Experimental Culture to In-Space Biomanufacturing

　　

中文专业摘要翻译 综述目的：太空干细胞研究已从可行性验证阶段逐步发展为一个日趋成熟的转化研究平台，该平台由专用飞行硬件、标准化乘员操作流程以及日益增长的低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）可及性共同支撑。本综述考察了国际空间站（International Space Station, ISS）上干细胞研究的发展历程，重点聚焦于BioServe支持的科研项目，以及从微重力效应探索性研究向再生医学与在轨生物制造（in-space biomanufacturing）相关工作流程的转型。我们进一步考察了促成这一转型的技术与操作进展，包括受控孵育、二氧化碳（CO2）调节、细胞培养硬件、成像、离心、冷冻保存、连续传代以及半自动化扩增系统。 近期发现：太空飞行研究已成功实现间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）、造血干细胞（hematopoietic stem cells, HSCs）、诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）以及iPSC来源的分化细胞与组织的培养。在可行性验证之外，研究还识别出细胞在增殖、分化、结构、功能及三维组织排列方面具有生物学意义的变化，而干细胞来源的组织已越来越多地被用于疾病、衰老及潜在治疗反应的模型构建。近期研究进一步将上述能力拓展至连续传代、在轨解离、过程内表征及半自动化扩增。 总结：太空干细胞研究已从可行性验证阶段发展到识别可能对再生医学、疾病建模及生产制造具有应用价值的生物学效应阶段。数十年的发展已建立起一个轨道干细胞实验室，其能够支持日益复杂的培养、操作、表征及扩增工作流程，而低地球轨道可及性的不断提升为迭代式实验提供了支撑。该领域因此已进入转化阶段，其目标是识别具有可重复性、临床或商业价值，且适合规模化、自动化及过程控制的微重力相关表型。归根结底，太空干细胞研究的价值将取决于能否将微重力的特定生物学与物理学优势转化为改善地球生命的疗法、疾病模型或制造工艺。

论文主体内容专业总结

引言

低地球轨道太空飞行为生物研究提供了地球上无法完全复制的独特环境。微重力改变沉降、浮力驱动对流、流体行为以及细胞和组织所承受的机械力，进而影响细胞组织、信号传导、增殖、分化及功能。干细胞对这一环境尤为敏感，因其行为受物理和生化信号强烈调控，且构成众多新兴再生医学与细胞治疗应用的基础。

早期太空人类干细胞研究主要关注可行性与基础生物学问题，包括哺乳动物干细胞能否在太空飞行中维持、是否保留活力与多能性、太空飞行环境如何改变其表型与功能。涉及间充质干细胞、造血干细胞、诱导多能干细胞及其衍生细胞的研究已逐步回答了上述问题。

该领域现已进入新阶段。越来越多的证据表明太空飞行可改变干细胞行为，研究重心已转向这些效应能否被利用以服务地球上的应用。与此同时，日益精密的太空飞行硬件使研究人员能够在轨执行更接近地面干细胞培养的操作，包括接种、换液、成像、染色、解离、传代及保存。

这一转型由三方面并行发展共同促成：干细胞科学的成熟、专用轨道细胞培养基础设施的开发，以及低地球轨道可及性的提升。本综述以BioServe支持的科研项目组合为案例，考察从实验培养向在轨生物制造演进过程中的科学、技术与操作进展。

低地球轨道生物技术研究可及性的提升

太空干细胞研究的科学成熟伴随着低地球轨道操作可及性的显著提升。历史上，生物太空飞行实验受限于发射机会稀少、样本返回能力有限、任务专用硬件开发周期长以及对乘员操作的严重依赖，这些限制更有利于单次概念验证实验而非迭代式研究项目。

这一环境已发生显著变化。BioServe太空技术公司在1990年代大部分时期年均支持约2.9项研究，而2022至2026年间年活动量已增至约16至20项。发射任务数量亦有所增加，但增速低于研究项目数量，这反映了从以短时航天飞机任务为主向持续有人驻留的轨道实验室的转变，后者为每个交付载荷提供了大幅增加的处理时间。国际空间站上实验数量的增长本身也体现了从组装阶段向研究能力开发阶段再向持续研究利用阶段的演进。这些趋势反映了低地球轨道研究生态系统更广泛的变化，包括常规商业货运、样本返回机会增加、商业乘员运输、私人航天员任务以及日益标准化的国际空间站研究基础设施。

NASA在轨生产应用（In Space Production Applications, InSPA）项目组合的建立引入了专项经费和更强的转化导向，目标是推动有前景的微重力赋能工艺从概念验证向可重复生产和可规模化制造发展。该项目支持多飞行开发计划，使生物工艺和赋能技术可在连续任务中迭代测试、优化和验证。

建立轨道干细胞实验室

轨道干细胞研究科学复杂度的提升要求开发能够再现地面细胞培养实验室基本功能的基础设施。哺乳动物干细胞培养需要精确温度控制、合适大气组分、严格时间约束、无菌封闭、流体操作、成像及可靠保存，每项要求在微重力下均面临额外挑战。

生理孵育与大气控制方面，温度控制孵育已在BioServe硬件组合中应用数十年，早期为紧凑型通用生物处理装置（Compact Generalized Bioprocessing Apparatus, CGBA），后续开发的太空自动化生物产品实验室（Space Automated Bioproduct Laboratory, SABL）提供了更大且功能更强的国际空间站在轨受控生物孵育平台。2016年SABL大气控制模块（Atmosphere Control Module, ACM）的引入使在轨CO₂培养成为可能，培养条件得以更接近地面干细胞实验室的常规设置。

BioCell是BioServe设计开发的太空级细胞培养平台，功能上相当于传统组织培养瓶或多孔板的地面类似物。该系统完全封闭以适应微重力操作，同时允许与周围受控大气进行气体交换。BioCell支持多种孔配置和培养体积，可容纳贴壁和悬浮培养，其外形因素兼容显微镜和板式分析仪器，并可在宽温度范围内使用，包括冷冻储存。

NASA的冷冻储存基础设施提供低至-95°C的在轨温度条件，是轨道干细胞研究的另一关键组成。历史上，干细胞培养常在发射场附近实验室制备并尽可能接近载荷交接时接种，但由于载荷只能在发射前24小时内集成且发射延迟不可避免，培养物可能在地球重力下度过数天才能到达微重力环境。2022年BioServe在轨离心能力的引入显著改善了这一流程，冷冻保存的细胞可在冷冻条件下发射，培养基和试剂在适当温度储存，到达国际空间站后进行处理、离心去除冷冻保存液、重悬并引入BioCell。这一方法使活跃培养期从微重力环境开始，提供了更明确的地面制备与轨道培养之间的实验边界。

从终点观察到过程内表征方面，早期太空飞行细胞培养研究常依赖固定、冷冻和返回地球后的终点分析，对培养物时间演化提供的信息有限。BioServe最初通过自动成像系统（ScanCam）解决此限制，2016年BioServe显微镜平台作为国际空间站永久设施发射，大幅扩展了常规在轨明场和相差观察能力。2021年发射的KERMIT（KEyence Research MIcroscope Testbed）提供包括荧光成像在内的自动显微镜功能，可由地面远程操作。NEMO（Nikon Experimentation Microscope in Orbit）由尼康与BioServe合作开发，将尼康活细胞观察系统与BioServe细胞培养孵育器和自动培养基灌注系统集成，允许培养物在成像平台上持续保持并支持多日延时成像和视频记录，NEMO自2026年起作为国际空间站常驻设施运行。结合染色程序，荧光显微镜可在轨评估活力及与细胞表型和干性相关的标志物，将成像从终点观察推进至过程内表征。

从细胞培养到连续扩增的进展

轨道细胞操作的复杂度提升进一步改变了可探究问题的类型。接种、换液、染色、取样和保存已在太空得到验证。近期StemCellEx-IP1研究将能力拓展至诱导多能干细胞在微重力下悬浮培养的解离和连续三次传代。解离和传代是基础扩增操作，使培养能够超越单个容器或培养周期，推动轨道细胞培养走向持续扩增工作流程。

太空干细胞研究的生物学结果

太空飞行研究已产生超越实验可行性的证据。在造血、间充质、多能干细胞及干细胞来源组织系统中，研究人员观察到增殖、分化、形态、功能和三维组织排列的变化，微重力因此是一个具有生物学活性的培养环境。

微重力改变干细胞及干细胞来源表型方面，Heart Cells研究证明人类iPSC来源心肌细胞在太空飞行后结构和功能出现差异，包括与细胞代谢相关的基因表达变化。使用三维工程心脏组织的后续工作将观察扩展至多细胞组织模型，Mair等人证明太空飞行相关收缩功能降低伴随肌节破坏、线粒体异常以及与氧化应激和炎症相关的转录特征。自动化心脏芯片平台还实现了太空飞行期间收缩功能的纵向测量。Cardinal Heart和Cardinal Heart 2.0进一步将研究拓展至工程心脏组织和药理学干预研究。

增殖、扩增和分化效应方面，MESC研究及后续人类间充质干细胞工作证明临床相关干细胞可在太空飞行中扩增并保留重要功能特征。造血干细胞研究关注微重力能否改变增殖和维持以支持再生医学细胞扩增。iPSC研究将问题拓展至多能细胞及其分化后代，Micro-15研究考察了太空飞行对哺乳动物iPSC生长和分化的影响，后续工作使用商用硬件实现了人类iPSC太空培养。这些研究表明微重力可影响干细胞生长和命运，但不存在普遍性应答，方向和幅度取决于细胞类型、分化状态、培养形式、暴露时长及其他实验参数。

干细胞来源疾病与衰老模型方面，工程心脏组织和类器官可在轨道上再现多细胞结构和功能。Cardinal Heart研究表明长期微重力暴露改变心脏细胞功能和基因表达，Cardinal Heart 2.0进一步测试了临床相关化合物缓解微重力相关心脏变化的能力，展示了太空飞行生成疾病、衰老和组织功能障碍实验模型的第二条地面影响路径。

从发现到转化

人类太空干细胞研究可分为可行性、发现和转化三个重叠阶段。早期研究确立了干细胞在太空飞行中可存活并保留相关生物学特性。后续研究表征了微重力如何改变细胞行为并建立了干细胞来源疾病和生理模型。新兴阶段探索这些效应能否用于改善治疗产品或制造工艺。生物学显著表型不等同于临床或商业有用表型，转化需要足够大且可重复的优势来证明轨道实施的复杂性和成本合理性。

微重力的潜在制造优势：三维培养

综述描述微重力条件下多细胞球体和三维组织构建物的形成。对干细胞扩增而言，该物理环境对悬浮培养尤为相关。人类iPSC已在太空飞行中形成三维球体，悬浮培养可减少对贴壁基质的依赖。对天然悬浮的造血干细胞，沉降减少可能简化培养和过程控制。三维分化提供第二个潜在应用，国际空间站上人类iPSC来源神经类器官研究表明，皮层和多巴胺能类器官可在低地球轨道维持30天，与地面对照组相比表现出更低增殖相关基因表达和更高成熟相关基因表达，提示加速的神经元成熟。Auxilium Biotechnologies在SpX-34任务中在轨生物打印了肾脏、肝脏和软骨组织，NASA报告软骨研究正评估微重力能否实现比地面打印更均匀的细胞分布。

从实验到在轨生物制造

太空干细胞研究的进展已达到单个细胞扩增操作可日益整合为生产过程的程度。历史上BioServe支持的干细胞扩增研究使用1至20毫升培养体积，BioServe在轨细胞扩增平台（BICEP）将工作培养体积提升至约200毫升，实现扩增过程数量级放大。BICEP在SpX-34任务中成功飞行并完成八次面向生产的细胞扩增运行。BICEP还引入半自动化操作，乘员仅需参与接种和收获等关键操作，中间扩增过程包括自动换液在反应器内完成。BICEP记录温度、CO₂浓度、压力和湿度等环境参数，并监测培养pH值，提供细胞扩增期间环境连续记录。这些能力尚未确立法规合规或临床制造就绪状态，但使平台向受监管生产所需的过程控制原则靠拢。监管考量正随技术能力同步发展，英国药品和健康产品管理局（MHRA）已表示地面化学、生产和控制（CMC）原则可为评估在轨制造药品提供基础。

转化面临的剩余挑战

太空飞行研究仍受限于样本量小、重复机会有限以及匹配地面对照再现飞行条件的困难。归因于微重力的生物学反应需与发射和再入应力、辐射暴露、运输时间线及流体行为和硬件配置差异等其他任务相关因素区分。制造应用还需稳健无菌保证、闭环过程控制、验证过的过程内测量、产品特异性效力和放行检测以及跨连续任务的可重复性。物流、产品保存和返回及成本亦需考量。轨道制造工艺最终需证明可重复的产品优势具有足够临床或商业价值，以证明相对地面替代方案的额外复杂性合理。

展望

国际空间站目前仍是精密干细胞研究的主要平台，因其结合了延迟装载、持续供电、乘员交互、冷链物流、分析硬件和经过验证的样本返回能力。以干细胞研究为首要目标的专用自由飞行器平台前景广阔，但尚不能完全再现复杂干细胞工作流程所需的全部能力组合。商业低地球轨道目的地是未来干细胞研究和生物制造的强有力候选，但支持复杂细胞培养、成像、操作和生产所需的基础设施尚需开发，初始部署阶段不太可能具备。

结论

太空干细胞研究已从可行性研究发展为涉及间充质干细胞、造血干细胞、诱导多能干细胞及干细胞来源组织的日益复杂的转化研究。这一进展由轨道基础设施的进步支撑，现已支持日益复杂的培养、表征、扩增和过程控制工作流程。核心挑战已不再是干细胞能否在太空培养，而是哪些微重力相关生物学和物理学效应能提供足够价值的可重复优势以证明轨道实施的合理性。通过迭代实验、规模化、自动化和严格产品表征来回答这一问题，将决定太空干细胞研究能否最终转化为改善地球生命的疗法、疾病模型和制造工艺。