实践：微流控芯片技术在空间生命科学中的应用

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：随着近年来微流控芯片技术的发展，包括航空航天医学在内的许多领域都对该技术投入了极大关注，微流控芯片技术被美国NASA誉为空间生命科学实验的未来发展方向。北京理工大学生命学院邓玉林课题组利用微流控芯片技术开展了一系列空间生物医学效应与空间生物科学实验技术研究，研发了一种基于NOA81光胶的PCR微芯片，能够实现微腔室内的PCR稳定扩增。

空间生命科学中与生物技术密切相关的研究大致可以分为以下四方面：

(1)生物医学与生理学研究，主要研究空间环境对人和动物的影响。

(2)生物系统研究，主要研究生命支持领域和原位资源的利用。

(3)行星保护研究。

(4)天体生物学研究，主要是研究生物体暴露于空间环境下的反应。

上述研究都不可避免地涉及空间生命科学载荷仪器。载荷仪器必须通过严格的设计，在符合太空安全规定的前提下，进一步满足合理的科学性。在空间真空、高低温、微重力、振动和宇宙辐射等特殊环境下，空间生命科学载荷仪器在体积、质量、集成化、自动化、稳定性和安全性等方面需要比地面仪器更严格的设计[11，12]。现场分析仪器已经在即时检测(POCT)和有限资源环境等方面得到了广泛应用。这些仪器可以对少量样品进行临床化学分析，并在几分钟内提供半定量(或定量)结果，而对于这些仪器的空间应用，则需要更严格的设计，以满足空间环境的特定要求。

(1)由于空间搭载载荷能力的有限和舱体的资源有限，就需要将仪器在质量、体积、功耗和存储条件等方面最优化，符合这些条件的地面仪器往往还需要配套的辅助设施(如泵、磁场、电场和光等相关设施)，因此在空间环境下的现场分析仪器通常需要实现小型化和集成化。(www.chuimin.cn)

(2)可重复性。在空间环境下，对仪器的可重复性设计还需考虑到样品残留的风险性、仪器分析性能的有效性和仪器重新激活所需的资源，利用固体微粒的可重复利用性并结合生物分子开关的可逆结合，可能是空间环境下生物重复分析的有效手段。

(3)微重力环境适应性。仪器中涉及的生化反应应该尽量避免受微重力环境的影响。同时，在空间微重力环境下，重力效应可以忽略不计，而表面张力、毛细作用力和黏性力等作用力会变得更为重要。

(4)长期太空任务下，生物样品的长保质期要求。在长期太空任务下(尤其是深空探测任务)，生物样品会受到宇宙辐射的影响。

因此，空间站中空间环境的强制约与生物实验的高要求之间的矛盾，使得科学载荷的在轨生物实验能力严重受限，即便运行了20年的国际空间站也只有少量“在轨离线”分析测试能力，其主要采用的是“搭载-返回-分析”模式。目前有一些潜在的空间生物分析仪器，但各有不足。例如，庞大的生化分析仪不适合有限的空间；电化学装置涉及消耗品的冷藏和电极的耗损；免疫实验涉及显微镜和大量试剂消耗；有些操作复杂的仪器难以在空间环境下被有效使用。随着近年来微流控芯片技术的发展，包括航空航天医学在内的许多领域都对该技术投入了极大关注，微流控芯片技术被美国NASA誉为空间生命科学实验的未来发展方向。

北京理工大学生命学院邓玉林课题组利用微流控芯片技术开展了一系列空间生物医学效应与空间生物科学实验技术研究，研发了一种基于NOA81光胶的PCR微芯片，能够实现微腔室内的PCR稳定扩增。该芯片具有良好的机械强度、耐高低温和生物相容性，已成功应用于“神舟八号”科学载荷(微流控芯片基因扩增装置)中[13]。2016年，“长征七号”首飞，北京理工大学自主研制的微生物细胞搭载实验装置成功搭载，该项目重点研究了微生物细胞在空间环境下的增殖和变异；2017年，自主研发了一种“空间环境下PCR反应DNA错配规律研究科学载荷”微型微流控PCR仪，已成功应用于国际空间站以研究空间环境下的分子进化规律，该实验也是国际空间站上的首个中国空间科学载荷[14]。

2017年，北京理工大学自主研制的“微流控芯片细胞共培养和分析”随我国第一艘货运飞船“天舟一号”搭载升空，在为期两周的在轨实验中，该载荷在地面飞控干预下自主完成了多细胞、多腔室细胞共培养和在轨在线分析检测任务，探索了太空微重力环境下神经与免疫系统相互作用等新现象；研究中，观察了细胞的生长状态及神经细胞与免疫细胞之间的相互作用，检测了微量细胞因子。该项目突破多项关键技术，攻克了10天以上空间细胞长时间培养技术[15]。

实践：微流控芯片技术在空间生命科学中的应用

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