一、肝臟類器官為何需要“上天”？

肝臟是人體內(nèi)功能最為復(fù)雜的實(shí)質(zhì)性臟器之一，承擔(dān)著代謝、解毒、蛋白合成和免疫調(diào)節(jié)等數(shù)百種生理功能。然而，傳統(tǒng)的二維細(xì)胞培養(yǎng)模式——將肝細(xì)胞平鋪在培養(yǎng)皿底部——無(wú)法再現(xiàn)肝臟的三維組織結(jié)構(gòu)、細(xì)胞極性和血流剪切力等關(guān)鍵力學(xué)微環(huán)境。

近年來(lái)，類器官技術(shù)的興起打破了這一局限。肝臟類器官依托特異的體外培養(yǎng)技術(shù)，在三維空間構(gòu)建出模擬人體肝臟細(xì)胞組成與生長(zhǎng)特性的微組織結(jié)構(gòu)，能夠在體外高保真地還原正常肝臟及癌變肝臟的部分生物學(xué)功能。

然而，即便在地面的三維培養(yǎng)系統(tǒng)中，重力帶來(lái)的自然沉降效應(yīng)仍然是一個(gè)不可忽視的干擾因素。在1g重力條件下，細(xì)胞會(huì)因自身重量而沉積于培養(yǎng)容器底部，這一趨勢(shì)與體內(nèi)細(xì)胞懸浮于組織液中的力學(xué)環(huán)境存在本質(zhì)差異。微重力環(huán)境恰好消除了重力沉降的影響，使細(xì)胞能夠在近乎失重的狀態(tài)下自由懸浮、自我組織，形成更接近體內(nèi)真實(shí)狀態(tài)的三維結(jié)構(gòu)。

空間站提供的長(zhǎng)期、穩(wěn)定的微重力環(huán)境，使得細(xì)胞得以擺脫重力的束縛，在太空中“懸浮生長(zhǎng)”。正如上述空間站項(xiàng)目所述，這項(xiàng)研究將依托中國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展天地并行微重力試驗(yàn)，利用太空懸浮生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)優(yōu)化肝臟、肝癌微組織的體外培育體系。這種“懸浮生長(zhǎng)”的優(yōu)勢(shì)背后，蘊(yùn)含著多個(gè)層次的全新研究視角。

二、微重力環(huán)境提供的四大全新視角

視角一：從二維到三維——真實(shí)器官構(gòu)造的物理基礎(chǔ)

在地面培養(yǎng)中，肝細(xì)胞的極性形成始終受到重力的干擾——細(xì)胞會(huì)傾向于平鋪在基板上生長(zhǎng)，難以自發(fā)建立膽管面和血管面的定向排列。而在微重力環(huán)境中，細(xì)胞不再受重力沉降的束縛，能夠更自由地在三個(gè)維度上擴(kuò)展、遷移和排列。

研究表明，在微重力條件下培養(yǎng)的肝細(xì)胞能夠形成具有極性和功能分區(qū)的類肝組織，更逼真地模擬肝臟的生理功能。這意味著，科學(xué)家可以在太空中獲得與人體肝臟結(jié)構(gòu)相似度更高的類器官模型，從而更準(zhǔn)確地研究肝細(xì)胞的發(fā)育、分化以及細(xì)胞間復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。

視角二：發(fā)現(xiàn)微重力影響肝臟的“分子密碼”

除了提供的三維培養(yǎng)條件，微重力本身也是一個(gè)獨(dú)特的生物學(xué)“干預(yù)變量”。人體在長(zhǎng)期空間駐留過(guò)程中，肝臟代謝功能會(huì)發(fā)生顯著變化，其中最為突出的是脂肪肝傾向的增加。

此次神舟二十三號(hào)任務(wù)中的一個(gè)重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)——“空間生物相分離對(duì)脂質(zhì)代謝的影響”——正是從相分離的角度認(rèn)識(shí)微重力影響肝細(xì)胞脂質(zhì)代謝的分子機(jī)制。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員李寧指出，肝臟本身就是力學(xué)微環(huán)境非常復(fù)雜的器官，空間微重力是一種特殊的力學(xué)環(huán)境，其變化對(duì)肝臟細(xì)胞的功能有著的調(diào)控作用。通過(guò)分析微重力環(huán)境下肝細(xì)胞生理功能的變化，科研團(tuán)隊(duì)有望揭示微重力環(huán)境影響肝細(xì)胞演化發(fā)育的關(guān)鍵分子網(wǎng)絡(luò)。

視角三：加速腫瘤進(jìn)展與藥物反應(yīng)的“加速器”

在軌研究的一個(gè)重要方向是利用微重力加速病理過(guò)程的特性，對(duì)肝臟腫瘤進(jìn)行“加壓測(cè)試”。研究表明，微重力環(huán)境可以加速某些疾病在類器官模型中的進(jìn)展速度。這意味著，原本在地面上需要數(shù)周甚至數(shù)月才能顯現(xiàn)的肝臟腫瘤演化過(guò)程，在太空中可能被壓縮到更短的時(shí)間窗口內(nèi)，從而讓科學(xué)家以“快進(jìn)模式”觀察肝癌的發(fā)生、發(fā)展和耐藥機(jī)制的涌現(xiàn)。上述空間站項(xiàng)目明確指出，這項(xiàng)研究將解析微重力環(huán)境影響腫瘤藥物敏感性的潛在分子機(jī)制，并優(yōu)化基于類器官體系的體外藥物反應(yīng)性評(píng)估模型，建立更接近體內(nèi)生長(zhǎng)環(huán)境的藥物評(píng)價(jià)體系。

視角四：兼顧航天員健康與地面肝病治療的“雙向賦能”

研究的最終目標(biāo)呈現(xiàn)出鮮明的“雙向賦能”特征。一方面，它將為航天員長(zhǎng)期在軌健康防護(hù)積累重要的生物學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)——畢竟，隨著中國(guó)空間站的持續(xù)運(yùn)營(yíng)和未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)的推進(jìn)，航天員的肝臟健康保障將成為不容忽視的課題。

另一方面，借助太空這一特殊環(huán)境，科學(xué)家可以探索解析肝臟病變的演化規(guī)律，為地面肝病機(jī)制研究、臨床診療方案優(yōu)化以及新藥研發(fā)搭建全新技術(shù)平臺(tái)。類器官技術(shù)與微重力環(huán)境的結(jié)合，正在將航天醫(yī)學(xué)的成果“反哺”到地球上的肝病防治實(shí)踐中。

三、地面的“太空實(shí)驗(yàn)室”：Kilby Gravity 微重力培養(yǎng)系統(tǒng)

太空實(shí)驗(yàn)固然珍貴且不可替代，但其高昂的成本、有限的實(shí)驗(yàn)頻次以及復(fù)雜的操作條件，使得絕大部分研究工作無(wú)法直接在空間站上完成。正是在這一現(xiàn)實(shí)背景下，能夠在地面模擬微重力環(huán)境的培養(yǎng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

北京基爾比生物科技公司研發(fā)的Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)，能夠在地面實(shí)驗(yàn)室中模擬太空微重力環(huán)境。其核心技術(shù)是通過(guò)精確控制旋轉(zhuǎn)矢量，創(chuàng)造出低剪切力環(huán)境，使細(xì)胞能夠自發(fā)聚集形成三維結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)基于“三維隨機(jī)旋轉(zhuǎn)重力矢量分散機(jī)制”，通過(guò)雙軸獨(dú)立控制的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使培養(yǎng)容器內(nèi)的重力矢量在空間中快速隨機(jī)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)微重力環(huán)境的精確模擬。

其一，多功能集成與實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。設(shè)備內(nèi)置傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控可視化重力水平，精確度可達(dá)±0.001G?？蒲腥藛T可以實(shí)時(shí)采集并了解模擬環(huán)境重力的精確變化，從而精確控制實(shí)驗(yàn)條件。

其二，緊湊設(shè)計(jì)與靈活適配。旋轉(zhuǎn)器主體采用緊湊設(shè)計(jì)，可直接放入標(biāo)準(zhǔn)CO?培養(yǎng)箱中，維持細(xì)胞培養(yǎng)所需的溫濕度和氣體環(huán)境，為細(xì)胞提供一個(gè)封閉、穩(wěn)定的生長(zhǎng)空間。

其三，多重力環(huán)境模擬能力。該系統(tǒng)不僅能模擬10?3G級(jí)別的太空微重力環(huán)境，還能調(diào)整參數(shù)以模擬月球重力（0.17G）、火星重力（0.38G）以及超重力環(huán)境，為比較研究提供了廣闊的可能。

其四，低剪切力保護(hù)細(xì)胞完整性。微重力培養(yǎng)系統(tǒng)通過(guò)精確控制旋轉(zhuǎn)矢量，創(chuàng)造出低剪切力環(huán)境，有效減少了傳統(tǒng)培養(yǎng)方式中機(jī)械攪拌和液體流動(dòng)對(duì)細(xì)胞造成的物理?yè)p傷，能夠維持細(xì)胞的正常生理狀態(tài)，提高細(xì)胞培養(yǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

北京基爾比Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)已在眾多科研機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。中科院（包括中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所，動(dòng)物研究所等多個(gè)院所）已多次采購(gòu)該系統(tǒng)；上海交通大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)采購(gòu)并完成安裝調(diào)試，借助該系統(tǒng)深入探索微重力對(duì)干細(xì)胞分化、腦類器官芯片、研究骨重塑等生命過(guò)程的影響；教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心、中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所等機(jī)構(gòu)也已引入該系統(tǒng)。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，該系統(tǒng)涵蓋3D類器官培養(yǎng)、干細(xì)胞分化、組織工程構(gòu)建、高通量藥物篩選、航天員健康評(píng)估、作物種子篩選等多個(gè)方向，充分展現(xiàn)了其作為通用型研究平臺(tái)的價(jià)值。

在航天醫(yī)學(xué)研究中，該系統(tǒng)的價(jià)值尤為突出。例如，Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)可助力研究者在微重力條件下證實(shí)骨去神經(jīng)支配現(xiàn)象，同時(shí)觀察到神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)傳導(dǎo)失衡，為微重力對(duì)“腦—骨軸”的影響提供了全新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

四、從太空到實(shí)驗(yàn)室：天地協(xié)同的研究閉環(huán)

地面模擬系統(tǒng)則承擔(dān)著“低成本、高通量”的前期篩選任務(wù)——在大規(guī)模藥物篩選、條件優(yōu)化和機(jī)制驗(yàn)證中發(fā)揮不可替代的作用。

從更宏觀的視角看，從太空到地面實(shí)驗(yàn)室這種協(xié)作模式正是現(xiàn)代航天醫(yī)學(xué)與再生醫(yī)學(xué)研究的高效范式。正如國(guó)際綜述研究所指出的，空間飛行提供了一個(gè)深刻影響干細(xì)胞生物學(xué)的獨(dú)特環(huán)境，而干細(xì)胞來(lái)源的類器官和太空組織模型正在為發(fā)育、疾病和衰老機(jī)制提供重要見(jiàn)解。微重力環(huán)境有望改善多細(xì)胞球體、組織和類器官的形成，為太空旅行、移植、藥物測(cè)試和個(gè)性化醫(yī)療帶來(lái)未來(lái)突破。

重力，是地球上所有生命演化的永恒背景，也是地面上所有生物學(xué)實(shí)驗(yàn)無(wú)法回避的預(yù)設(shè)條件。當(dāng)科學(xué)家將肝臟類器官送入太空，他們做的不僅是一次航天搭載實(shí)驗(yàn)，更是將重力本身從“實(shí)驗(yàn)背景”轉(zhuǎn)變成“實(shí)驗(yàn)變量”。微重力環(huán)境為肝臟類器官研究打開(kāi)了一扇全新的大門——它不僅讓細(xì)胞得以在真正無(wú)沉降的環(huán)境中以最自然的方式構(gòu)建三維組織，更讓科學(xué)家擁有了一個(gè)的“加速器”，得以在更短的時(shí)間內(nèi)觀察肝病進(jìn)展、篩選有效藥物、揭示力學(xué)信號(hào)如何調(diào)控生命活動(dòng)。在微重力這個(gè)“天選之地”上，從地面模擬到真實(shí)空間，一個(gè)肝臟類器官研究的嶄新時(shí)代，正在拉開(kāi)帷幕。

參考文獻(xiàn)

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[2] Mozneb M, et al. Stem cell research in space: Advancing regenerative medicine beyond Earth. Cell Stem Cell, 2025, 32(10): 1491-1508.

[3] Wehland M, et al. Cellular response in three-dimensional spheroids and tissues exposed to real and simulated microgravity: a narrative review. npj Microgravity, 2024, 10: 102.

北京基爾比Kilby Gravity 微重力干細(xì)胞微環(huán)境 通過(guò)模擬太空低重力條件，為3D細(xì)胞類器官培養(yǎng)提供了更接近體內(nèi)真實(shí)環(huán)境的力學(xué)和生物化學(xué)條件，有助于培養(yǎng)出生長(zhǎng)更快、功能更成熟、應(yīng)激更低的類器官模型。

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