乘“天舟”，北理工生命“小立方”圓滿完成空間實驗任務，取得多項突破！
——“微流控芯片空間多細胞共培養(yǎng)與分析”在軌實驗側(cè)記
發(fā)布日期：2017-05-21 供稿：宣傳部 王征 辛嘉洋 編輯：辛嘉洋 審核：包麗穎 劉存福 閱讀次數(shù)：
中國首次獲得在軌多細胞共培養(yǎng)實時圖像?
搭乘“天舟一號”貨運飛船的北理工生命“小立方”回傳實驗圖像成功解析
北京理工大學研制的“空間微流控芯片生物培養(yǎng)與分析載荷”，搭乘“天舟”在軌期間的主要任務是自動化實施了多種細胞在軌共培養(yǎng)和分析，這是一次對中國空間生命科學研究意義深遠的探索實踐。生命"小立方"4月21日凌晨5點按計劃啟動了第一組實驗，期間共進行了兩組實驗，在飛控干預下實現(xiàn)全程實驗過程可控可監(jiān)測，至5月3日完成全部實驗任務，實現(xiàn)了全部實驗數(shù)據(jù)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。
這個由北京理工大學生命學院鄧玉林教授團隊完全自主創(chuàng)新研制的生命“小立方”，創(chuàng)造了“使用微流控芯片開展多種細胞在軌長時間共培養(yǎng)”、"自動化分層調(diào)焦、高分辨大視野細胞影像分析"、“微流控芯片蛋白質(zhì)在軌高靈敏分析檢測”并且對蛋白質(zhì)分析達到納克級，這幾項技術(shù)達到目前國際空間生命科學載荷的領(lǐng)先水平，也是繼2011年“神舟八號”和2016年“長征七號”搭載之后，又一項遨游太空的北理工牽頭研制的生命科學載荷。
“以人為本”，聚焦“人在太空”的健康問題
“天舟一號”貨運飛船是中國研制的第一款貨運飛船，與“天宮二號”空間實驗室交會對接、實現(xiàn)空間補給，并完成相關(guān)空間科學實驗等任務，為中國2022年前后建成空間站“搭橋鋪路”。而在此次任務中，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”搭載，并開展了為期兩周的在軌實驗。
作為新中國第一所國防院校的北京理工大學，在空間生命科學領(lǐng)域，始終將服務國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)了服務載人航天工程和深空探測等國家重大科技工程整體戰(zhàn)略的發(fā)展思路。
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(tài)。面對空間微重力、輻射、噪音和幽閉環(huán)境等，關(guān)注航天員的生命健康，成為我國載人航天領(lǐng)域中十分迫切研究的問題。經(jīng)國內(nèi)外研究表明，長期的太空飛行，會導致航天員產(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)問題相互作用的機理研究也是當下國際生命科學研究的前沿熱點問題。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)過反復論證，在本次飛行搭載任務設(shè)計時將科學問題聚焦于空間環(huán)境下的神經(jīng)與免疫系統(tǒng)相互作用。
“針對復雜空間環(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中我們通過精巧設(shè)計，讓神經(jīng)細胞、膠質(zhì)細胞和免疫細胞在微流控細胞培養(yǎng)芯片上進行在軌共培養(yǎng)，并進行自動在線分析。通過觀察各種細胞在空間環(huán)境下的形態(tài)變化和遷移情況，并檢測培養(yǎng)基中與細胞相互作用相關(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志物。當然，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，并與地面研究進行對照?？臻g搭載在整個研究環(huán)節(jié)中是最重要也是最關(guān)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?！表椖靠傌撠熑肃囉窳纸淌谶@樣介紹了項目總體情況。
圍繞這一實驗設(shè)計思路，北理工生命科學載荷將在空間環(huán)境下，同時完成對神經(jīng)細胞(含膠質(zhì)細胞)、免疫細胞的在軌共培養(yǎng)，這種培養(yǎng)必須做到神經(jīng)和免疫細胞“共生不碰面”，而“生長環(huán)境”卻又要相互聯(lián)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(tǒng)”。研究團隊利用先進的微流控芯片實驗室技術(shù)，通過創(chuàng)新設(shè)計成功地實現(xiàn)了多種細胞相互作用研究。
而在“培養(yǎng)”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(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)境對航天員的健康損傷的寶貴資料，并服務于建立空間環(huán)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(shù)基礎(chǔ)。
值得一提的是，這種巧妙的細胞共培養(yǎng)和檢測實驗設(shè)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。
“方寸空間”，精造微型生命科學實驗室
“最先進最復雜的空間生命科學實驗載荷”，在年初召開的“天舟一號”搭載項目研制總結(jié)評審會上，專家組給予北理工載荷高度評價。載人航天辦公室也批準該項目作為"天舟一號"任務飛船系統(tǒng)搭載項目。
對神經(jīng)細胞和免疫細胞進行共培養(yǎng)，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(xiàn)起來都很困難，目前也沒有集成化的儀器。作為要“泛舟”太空的科學載荷，面臨嚴苛的航天要求，不僅要嚴格體積、重量以及功耗，還要在空間飛行的嚴峻環(huán)境下，完全自主實施培養(yǎng)、檢測、數(shù)據(jù)采集和處理傳輸?shù)取皠幼鳌?，可謂難度極大。例如載荷中的兩個用于觀測的小鏡頭,就是因為“天舟”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(shù)困難和挑戰(zhàn)可謂屢見不鮮。
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，本次載荷項目其實就是來源于學院所承擔的2012年科技部國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項“空間多指標生物分析儀器開發(fā)及應用”的研究成果。
據(jù)負責細胞培養(yǎng)技術(shù)和設(shè)備研制的馬宏副研究員介紹：“由于對載荷的功耗和荷重都有著嚴格的控制，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，團隊自主研發(fā)設(shè)計了自動化的樣品制備技術(shù)，以保證實驗細胞樣品能夠進行生化分析。除此之外，為了能夠有效檢測細胞因子和免疫因子作用的分子機制，團隊又自主創(chuàng)新了基于膠體金的高靈敏快速檢測技術(shù)(1ng)，在國際上也屬于領(lǐng)先水平?！?/p>
針對空間生命科學研究的需求，北理工科研人員著實在“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生物分析集成化儀器平臺，擁有至少五項原始創(chuàng)新成果?！盁o論是載荷的集成與自動控制技術(shù)、細胞的在線觀測、在線監(jiān)測以及在線分析還是實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黜椉夹g(shù)，都是由團隊成員通過自主創(chuàng)新完成的?！笨臻g生物與醫(yī)學工程研究所副所長、生命學院李曉瓊副教授在介紹時充滿自豪。
北理工的國防品質(zhì)，就是善于攻堅克難。作為一項可以達到國際先進水平的空間生命科學載荷裝置，從提出設(shè)想到組建模型，再到工程應用，竟是由一支10余人的團隊獨立完成了各項技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計?！皥F隊內(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，吃住基本都在實驗室。因為要考慮的地方太多，時間很緊張，我們必須頂下來。載荷最大的特點就是由我們完全自主設(shè)計完成，從硬件到軟件，復雜度在目前報道的所有空間生命科學載荷里都是首屈一指?！崩顣原?cè)绱私榻B自己的團隊。
鄧玉林教授在總結(jié)這次飛行搭載任務時表示："這次任務青年教師和研究生們擔當大任，博士生楊春華表現(xiàn)極為突出，受到飛船系統(tǒng)高度好評，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。我們團隊成員在這次任務中銳意進取、刻苦工作，發(fā)揚了延安精神和軍工精神，大家共同努力才使本次任務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儀器開發(fā)專項的支持，得到了載人航天辦公室的指導和支持，得到了航天科技集團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所和哈工程等兩個合作單位的精誠合作，感謝學校學院對團隊以及項目實施過程中的大力支持。"
交叉融合，“我們要在宇宙空間占一個位置！”
1957年，北京工業(yè)學院（北京理工大學前身）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位置！”的雄音偉志。而一個甲子之后，北理工的生命“小立方”閃耀著學科高度交叉融合的光芒，正在一步一個腳印的邁向宇宙空間的“北理工位置”。
“只有我們幾位不同學科方向的老師坐在一起研究這件事，才能完全實現(xiàn)目標，否則是不可能完成的！”馬宏最大的感慨就是項目團隊的交叉融合。在空間完全自動化的實現(xiàn)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(shù)積累，還要具備極高的研制載荷裝置的工程實現(xiàn)能力，更為重要的是兩者之間要實現(xiàn)真正的深度交融合作。唯有高度的學科交叉融合才使這項超高技術(shù)難度載荷實驗成為可能，而這也集中反應了近年來北京理工大學在學科交叉融合方面的工作成果。
近年來，學校大力推動新興交叉學科的成長，這其中空間生命科學研究及其所在的生物醫(yī)學工程領(lǐng)域頗具代表性，能夠抓住機會，形成學科發(fā)展牽引力，充分推動北理工傳統(tǒng)優(yōu)勢學科與新興學科交叉融合，不僅成為國內(nèi)空間生命科學研究的先行者，還逐步在國際舞臺上展露頭角，培育形成學校全新的學科增長點，優(yōu)勢漸成。
據(jù)李曉瓊介紹，“對于學校而言，完成這樣的項目非常不簡單，這項空間載荷涉及到光、激、電、熱、磁、力學等多個學科，團隊里的成員包含各個專業(yè)?！崩顣原偺寡?，項目的成功實施，與學校重點培養(yǎng)交叉融合學科是分不開的，“這也驗證了生物醫(yī)學工程學科作為學校多專業(yè)交叉融合性學科，經(jīng)過多年的積淀后，開始出現(xiàn)爆發(fā)的集中體現(xiàn)?！?/p>
另一個方面，高度的學科交叉融合，也讓我校在國防科研中硬朗的“型號”品質(zhì)和工作作風，得以在新興學科的拓展上得以傳承和發(fā)揚，從理論到實踐，從方案到產(chǎn)品，再到“不容一次失敗”的高標準、嚴要求，都彰顯著北理工肩負國家使命的深刻內(nèi)涵。
浩瀚天際，廣袤無垠，在中國航天事業(yè)大發(fā)展的背景下，北理工不斷前行，“主動瞄準國家重大戰(zhàn)略和國防重大戰(zhàn)略需求，緊密圍繞我國航天事業(yè)發(fā)展主題，潛心研究，重點攻關(guān)，大力推進航天領(lǐng)域科技工作”成為學校的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。
“我們要在宇宙空間占一個位置”，正在成為現(xiàn)實。今天，一代代北理工人默默奉獻，北京理工大學在“拓天”的道路上踏實前行。我們堅信，廣袤星空之中必將留下北理工前進的軌跡，向著更加浩瀚的宇宙飛翔！
