空間生物加工

空間生物加工，又稱為微重力生物技術工業，是指在空間微重力環境中進行生物技術產品的開發，由於這種技術加工及其產品大多與細胞和生物活性物質分離製備有關，故稱之為生物加工。目前空間生物加工的關鍵技術研究包括生物大分子的晶體生長、生物分離、 細胞融合、細胞培養等四個方面的內容。

基本介紹

• 中文名：空間生物加工
• 外文名：Space Bio-processing
• 環境：微重力
• 代表性技術：細胞培養、生物分離
• 代表性方法：自由流電泳技術
• 代表性成果：幹細胞和組織工程學

背景概述

從20世紀40~50年代，人類便開始對空間生物加工技術進行探索，對空間環境中的生命現象及其規律不斷研究。太空探索的發展，提供了生命體一個前所未有的環境，這個環境的主要特徵就是微重力和高宇宙輻射。在空間微重力條件下，由於因重力引起的沉降和對流趨於消失，細胞(或微組織)可以均勻懸浮於介質中，為細胞的真正三維生長、正常分化和高密度培養創造了良好的條件，不但有利於提高介質的利用率和單位容積的產量，也有利於獲得更加均一、純淨的培養產物，從而使空間細胞培養成為目前國際看好的四大空間生物加工技術之一，同時，在空間艙內的生物實驗受到空間、能源、微重力的多重限制，使得空間生物樣品顯得彌足珍貴，但由於無法在空間環境下對樣品進行及時的分析處理，要返回地面後才進行分析，從而喪失了獲得第一手準確信息的機會。為了開展空間生物加工的研究，就必須有相應的硬體設備，面對這樣的問題科學家們將希望寄託於自由流電泳晶片技術，期望憑藉該技術高效、快速、自動、低能耗等優勢，從而實現在空間環境條件下對生物樣品進行實時檢測分析，自由流電泳晶片技術也成為空間生物加工技術中最重要的方法之一。

基本概念

空間生物加工是生物加工技術的一種，什麼是生物加工技術呢？

生物加工技術（Biotechnology）是以生命科學為基礎，利用生物（或生物組織、細胞及其他組成部分）的特性和功能，設計、構建具有預期性能的新物質或新品系，以及與工程原理相結合，加工生產產品或提供服務的綜合性技術。生物技術的顯著套用不僅在健康行業，生物技術在其它產業中的研發投入也十分突出。依靠生物技術，農業上用更少的土地生產更多的健康食品；製造業可以減少環境污染、節省能耗；工業可以利用再生資源生產原料，以保護環境。在21世紀的第一年，科學家們完成了人類基因的測序。這一成就對生物技術產業發展影響將是難以估量的。在探索人類基因的奧秘過程，發現一些新的藥物，成為生物技術關注的熱點。

生物技術（Biotechnology）也譯成生物工程，生物學研究與套用的技術方面，生物加工技術就是指基因工程、細胞工程、發酵工程和酶工程，現代生物技術發展到高通量組學（omics）晶片技術、基因與基因組人工設計與合成生物學等系統生物技術。

空間生物加工技術就是指加工環境在太空環境下，即微重力條件下的加工技術。利用空間微重力環境，進行生物技術產品的開發。由於這種技術加工及其產品大多與細胞和生物活性物質分離製備有關，故稱之為生物加工，也有人稱之為微重力生物技術工業。

自由流電泳原理

自由流電泳技術其基本原理：液體在上下兩塊平行板之間構成的一個矩形薄的分離腔室內形成層流，兩塊平行版之間的距離通常介於0.5~3.0mm，在分離腔室的兩側為施加的正負電極。被分析樣品在載體電解質緩衝液的帶動下進入分離腔室，電場的施加方向與流體流動的方向相垂直，樣品的流入和分離過程同時連續進行，隨著時間的推移，帶電荷樣品根據其各自電泳遷移率的差異不同而向兩側以不同的角度遷移，在分離腔室中形成數個分散區帶，具有相同電泳遷移率的物質則遷移為一條窄帶，在裝置出口處收集得以分離收集（如下圖所示）。與傳統高效液相色譜、毛細管電泳相比，自由流電泳因其具有連續分離和線上檢測的功能，使其具有更加獨特的優勢。

關鍵理論技術

目前空間生物加工的關鍵技術有以下4個方面：

生物大分子的晶體生長

測定核酸和蛋白質三維結構的先決條件，要有一個相當三維尺寸和有序結構的晶體。在微重力環境中，由於沒有沉降和密度差別引起的對流，晶體可在接近各向同性和在接近純擴散的條件下生長; 由於沒有靜壓梯度，晶體有序結構也比地面有明顯改進。

生物分離

蛋白質、核酸、細胞器和細胞，在空間可進行自由懸浮介質的電泳分離，除電動力學問題外，重力的負作用基本消除。在微重力環境中可以大大地提高生物大分子的分離效率。

細胞融合

體細胞雜交是研究遺傳學、育種和生產雜交瘤的重要手段。在空間微重力環境中，兩種不同類型親本細胞融合缺少因重力沉降引起的分離傾向，可降低高頻電場強度和排列時間，雜種細胞獲得率和活力都大大提高。

細胞培養

細胞懸浮培養生產內源性藥物，是生物技術產品商業化的關鍵性步驟。在空間微重力環境中，細胞可進行高密度培養，有可能降低原材料消耗和增加生物活性物質產量。大量空間飛行試驗證明：在空間微重力環境中，蛋白質晶體生長和細胞電泳分離是成功的，可望取得更大的成果。細胞電融合和細胞培養也顯示出可喜的苗頭，但還有很多技術問題有待進一步解決。

代表性成果

隨著空間技術的發展,國內外近年來有關研究表明，太空微重力、射線和重金屬離子輻射對哺乳動物細胞生物學和發育生物學具有一定影響,提示太空環境的特性及特殊優勢可以為幹細胞生物學和組織工程學研究提供新的實驗模型。

幹細胞生物學

太空環境對胚胎髮育和造血幹細胞生物學特性的影響，目前研究表明，太空環境是以很強的宇宙線高能核粒子輻射、強烈的紫外照射、高真空和微重力為特徵，對生物的生長發育及生存產生很強影響，因此從細菌到哺乳動物細胞對太空環境都非常敏感。空間生殖與發育生物學研究證實，飛行微重力條件可延長鵪鶉胚孵化時間，但不影響正常發育；可影響果蠅和無尾兩棲類胚發育。此外，重力因素和宇宙線輻射也影響哺乳動物的生殖發育，微重力環境中早期胚胎死亡率增加。在模擬微重力條件下，造血幹細胞的G0/G1期比普通重力條件下要長，能較長時間維持在不分化狀態,因而造血潛能要比普通重力下強。太空環境使大鼠骨髓中單核-巨噬細胞和紅細胞的前體細胞,以及部分多能造血幹細胞數量明顯減少,其原因是太空飛行過程中引起造血微環境基質損傷而致。

組織工程學

微重力組織工程對體外組織(器官)構建的影響，三維培養不僅有利於維持正常細胞生物學功能,在組織工程組織構建中也具有重要作用。Wiesmann等研究證實,三維環境可維持成骨細胞的增殖、遷移活性，其中成熟的成骨細胞具有合成產生骨鈣蛋白、骨粘連蛋白和Ⅰ型膠原的能力，指出三維培養方法可以作為組織工程骨研究的工具。微重力環境可以為組織培養營造三維空間環境，Jessup等發現，模擬微重力不影響上皮細胞粘附，其基底膜蛋白、CEA和細胞內粘附分子表達與正常對照一致,有望運用於組織工程組織(器官)的構建。Cameron等將胰島-Sertoli細胞複合培養於Rotating VesselBiochamber內5天后,三維培養的胰島-Sertoli細胞在葡萄糖刺激下可以分泌胰島素,提示三維培養體系有助於細胞功能的維持。Baldwin等的研究證實,微重力培養下可以增加PC12細胞間的接觸和細胞密集度,提高PC12多巴胺分泌水平,細胞間的接觸可以調節細胞分化狀態,對組織工程研究中的組織構建具有重要意義。