文|動脈網(wǎng)
近日，航天員順利進入夢天實驗艙開展工作進入熱搜。航天器的頻頻升空，不僅是國力的體現(xiàn)，更推動了航天科技的發(fā)展。同時期，源自太空的微重力實驗室作為一種生命科學工具出現(xiàn)在人們視野中。
微重力實驗能夠解決生物制藥研發(fā)過程中蛋白質(zhì)晶體不純、細胞3D結(jié)構(gòu)培養(yǎng)等問題，有專家認為，微重力或許是解決不治之癥的良方。在微重力下，表面張力的影響大為增加，電磁場影響也會增強，分子間作用力所起的作用更加顯著。
目前，科學家正在采用多學科的方法，在有機體的分子、細胞、器官系統(tǒng)和整體等各種結(jié)構(gòu)層次上繼續(xù)探索微重力的效用。
那么，藥物開發(fā)的微重力實驗環(huán)境從何而來？微重力實驗室的打造是否具有潛在的市場空間？本文將從微重力實驗室發(fā)展歷程展開，盤點全球微重力實驗室發(fā)展狀況，分析國內(nèi)微重力實驗室發(fā)展前景。
微重力實驗室：服務太空，反哺地球
微重力是指在重力的作用下，系統(tǒng)的表現(xiàn)重量遠小于其實際重量的環(huán)境。在太空中，特殊環(huán)境條件有微重力、強輻射、高真空等，其中最為顯著的就是微重力。
在地球上進行實驗測試時，某些參數(shù)可以當作獨立的變量，如溫度、基質(zhì)濃度等。這些變量可以改進，其對因變量的影響也可以測量。然而，重力是個恒量：在絕大多數(shù)地表上，重力值為9.81m/s2。在藥物開發(fā)過程中，受重力影響下，存在晶體純度不夠、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)排列不均勻、細胞只能以2D結(jié)構(gòu)培養(yǎng)等問題。
在太空中，重力加速度約為1×10-6m/s2 ，也就是微重力。通常來說，微重力引起的可觀測反應可分為直接或間接影響。微重力產(chǎn)生的直接影響有可感覺到的加速信號或可測量到的重力變化、變形（張力、變曲和扭曲）或器官及細胞器的位移，例如在空間站的宇航員由于下肢骨卸荷，會引起每月1.7%的骨質(zhì)脫鈣。
另一方面，間接影響是指在產(chǎn)生直接影響之前，微重力所引起的變化。例如在試管液體媒介里，細菌生長的細胞外環(huán)境會發(fā)生變化，這會導致對抗生素的敏感度降低或毒性的增加。這兩方面的影響都可以并已經(jīng)運用于藥物開發(fā)的新平臺。
目前，微重力主要被運用在以下三個藥物開發(fā)方面。
一是用于預測疾病模型的細胞培養(yǎng)。我們知道，在微重力環(huán)境下，細胞將被影響而改變其生長模式。在地球上培養(yǎng)用于觀測的細胞，通常以2D結(jié)構(gòu)展開，而在微重力環(huán)境下，細胞能夠以3D結(jié)構(gòu)展開，這種3D結(jié)構(gòu)與細胞在人體中存在的結(jié)構(gòu)一致。
拿癌細胞進行說明，癌細胞在地球上難以攻克的一大原因就在于癌細胞擴散和增長的臨界點無法確定。生物醫(yī)學研究上，癌細胞感知彼此的唯一方式是通過機械力，這些力是在有重力的環(huán)境中進化而來。如果將癌細胞置于微重力環(huán)境中，研究人員不僅能以3D結(jié)構(gòu)進行觀察，重力的缺乏也有希望阻礙癌細胞分裂和擴散。
此外，微重力條件下造血和神經(jīng)干細胞的研究，有助于了解干細胞是如何增殖和定向分化的，這可能會讓治愈白血病和老年癡呆等疾病不再是難題。
二是用于人類器官疾病建模和觀察。開發(fā)微型、簡化版人類器官模型，可以確定一些用于治療的全新藥物。在微重力環(huán)境中，科學家有希望能夠?qū)⑻囟ǖ某审w干細胞培育到更成熟的水平——三維結(jié)構(gòu)的類器官。
微重力還會導致免疫功能障礙、骨質(zhì)流失、心血管失調(diào)和骨骼肌喪失等疾病。對這些微重力下的疾病研究能夠加快慢性疾病的有關(guān)研究進程，有助于分析和測試加速衰老或疾病模型中的治療方法。
三是直接的藥物研究，分析蛋白質(zhì)和大分子等。通過將藥物搬到太空進行實驗，可能會取得新突破。許多分子在微重力下能形成更大、組織更好的晶體，這有助于科學家研究對健康和疾病重要的分子的功能，例如天然蛋白質(zhì)和激素或藥物。
此外，微重力還可以被運用在推進流體學和生物技術(shù)方面。微重力對流體動力學有重大影響，有助于研究涉及流體的生物醫(yī)學設(shè)備相關(guān)的復雜因素——特別是在納米級。因此，微重力有助于改善藥物輸送系統(tǒng)或醫(yī)療保健診斷工具。
其實，微重力并不是一個新鮮事物。早在上世紀起，各大國就開始為了探索宇宙而對微重力效應進行研究。NASA最早開展太空制造技術(shù)研究，也是目前取得研究成果最多的機構(gòu)。我國是第二個完成微重力環(huán)境下制造相關(guān)技術(shù)試驗驗證的國家，歐洲航空局和俄羅斯聯(lián)邦航空局也在此方面投入大量人力財力，開展了許多相關(guān)研究項目。
近年來，越來越多的科研學者認識到微重力對科研突破的重要意義。在國家專利信息系統(tǒng)中進行檢索，標題或摘要中包含“微重力”的專利數(shù)量從2000年的21項飆升至2022年的1116項（數(shù)據(jù)截至2022年11月1日）。
當航空航天技術(shù)發(fā)展到一定地步時，人們就開始思索，這種為太空服務的技術(shù)是否能夠反饋給地面的人類，滿足人類的需求。換句話說，在微重力環(huán)境下做研究，不止為了服務于太空，更重要的是反哺地球。
上世紀90年代NASA制定了空間基礎(chǔ)生物學計劃（FSB計劃）以利用創(chuàng)新的生物科技，支持率先將新的發(fā)現(xiàn)應用于地球上的發(fā)展和探索。該計劃將細胞和分子生物學、微生物學、有機和比較生物學、發(fā)育生物學作為研究微重力影響的重要學科要素。
我國的相關(guān)研究主要集中在空間蛋白質(zhì)晶體生長技術(shù)和結(jié)構(gòu)生物學、空間細胞和組織培養(yǎng)技術(shù)、空間生物學效應等方面。
這一領(lǐng)域的實驗數(shù)量較多，也有從基礎(chǔ)研究就做到規(guī)?；纳虡I(yè)應用。國際生物制藥巨頭默沙東、禮來、安進、阿斯利康等均利用太空平臺進行商業(yè)研發(fā)，一批初創(chuàng)生物高技術(shù)企業(yè)也加入進來，在生物芯片（類器官）、人造器官（如人造角膜、人造血）、蛋白研究（抗體、酶、結(jié)晶等）、免疫細胞、癌癥治療、疾病模型等領(lǐng)域形成了活躍產(chǎn)業(yè)。
生物回轉(zhuǎn)器：發(fā)展較為成熟的微重力模擬裝置
當然，這些研究首先需要的就是微重力環(huán)境。進入太空之前，人們需要對太空環(huán)境進行研究，地面微重力模擬就成為必要方式。
一般來說，微重力效應會在幾個場景中誕生。一是落塔，世界各國都有建造產(chǎn)生微重力效應的落塔，我國北京海淀區(qū)也有一座高40米的落塔；二是拋物線飛行，能夠產(chǎn)生20秒的微重力效應。這兩種方式微重力效應持續(xù)時間短，難以展開生物學微重力試驗。
因此，還有兩種正在發(fā)展的不完整的微重力地面模擬方法，一是磁懸浮，二是生物回轉(zhuǎn)器。
相對而言，生物回轉(zhuǎn)器是發(fā)展較為成熟的微重力模擬裝置。
借助生物回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)動，作用于物體上的重力方向不斷改變，使生物體來不及感受重力的作用，其結(jié)果就像沒有受到重力影響一樣，產(chǎn)生類似于微重力環(huán)境下的現(xiàn)象。
按照轉(zhuǎn)速分類，目前生物回轉(zhuǎn)器多為單軸，僅NASA和澳洲創(chuàng)業(yè)公司Firefly Biotech宣布開發(fā)出雙軸生物回轉(zhuǎn)器。目前，利用生物回轉(zhuǎn)器模擬微重力進行地面細胞培養(yǎng)實驗已經(jīng)大范圍展開。
但是，地面模擬微重力與天然微重力并不完全相同，嚴格意義上說，回轉(zhuǎn)器并不能“模擬”微重力，但可能模擬微重力的部分效應，例如使細胞對重力矢量方向紊亂?？臻g問題是復雜多變的，實驗結(jié)果也受到更多因素的影響。
生物載荷裝置：更完美的微重力實驗環(huán)境
近十年的研究表明，微重力的影響十分廣泛。重力不僅能在整體水平上、而且必定能在細胞水平上影響生命過程?？臻g飛行對人類淋巴細胞、肺的胚細胞系以及其他類型的細胞生理的廣泛影響已被證實，其影響包括繁殖的改變、基因表達的改變、細胞信號傳導的改變、形態(tài)改變、能量代謝改變等。
在自然的空間微重力條件下，由于重力引起的沉降和對流趨于消失，細胞的真正三維生長、正常分化和高密度培養(yǎng)得到了良好的環(huán)境條件，不僅有利于提高介質(zhì)的利用率和單位容積的產(chǎn)量，也有利于獲得更加均勻、純凈的培養(yǎng)產(chǎn)物。這些條件，都是地面模擬微重力效應不能完美達到的。
而且，自然的微重力環(huán)境中，輻射也是其中一項變量。在太空輻射的影響下，細胞的DNA會改變而具備新的特性和能力。因而，對于借助微生物以及動植物細胞、組織或個體來制備藥物，利用太空輻射誘發(fā)特定基因的損傷或突變，可能會獲得更健壯的生物生產(chǎn)體系，進而提高藥物產(chǎn)量，甚至得到地面難以制備的候選藥物。
不同微重力產(chǎn)生方式
基于這些條件，蛋白質(zhì)結(jié)晶、細胞培養(yǎng)、生物分離成為了國際上看好的三大空間生物技術(shù)，同時也是空間生命科學研究和空間生物加工的重要組成部分。要實現(xiàn)這些空間生物技術(shù)，需要到真正自然的、適合的微重力環(huán)境中去。
那么，要如何到真正自然的、適合的微重力環(huán)境中去？
生物載荷成為解題的關(guān)鍵。拿軟件舉例，音樂軟件搭載并播放音樂，視頻軟件搭載并播放視頻，生物載荷則用來搭載生物科學研究。
生物載荷裝置的功能是服務于生物樣本、生物體。生物樣本或生物體都是有活性的，生物載荷裝置的作用就是保證生物樣本或生物體在空間微重力環(huán)境下仍可以正常存活，提供給它們所需要的環(huán)境，比如適宜的溫度、壓力以及相應的營養(yǎng)物質(zhì)供給與廢物處理等。
到了實驗環(huán)節(jié)，有的生物載荷裝置能夠調(diào)節(jié)實驗條件、搭載信息監(jiān)測與記錄功能，保障實驗的順利進行和數(shù)據(jù)收集。
生物載荷是目前商業(yè)航天最具備發(fā)展前景和可操作性的應用領(lǐng)域。根據(jù)麥肯錫全球研究所調(diào)查，國際空間站上目前完成的超 3000 項試驗業(yè)務中，生物醫(yī)藥領(lǐng)域占比高達 60% 以上。
常見的生物載荷裝置有空間科學實驗室、生物衛(wèi)星、生物火箭（亞軌道太空飛行）等。
空間科學實驗室是一種隨火箭發(fā)射送入空間站進行實驗的載體，一般搭載內(nèi)置飛行算法、溫度控制、照明和顯微鏡等設(shè)備，滿足不同實驗的需要。這種空間科學實驗室一般由提供商提供輔助實驗設(shè)計、有效載荷組裝以及全套成功發(fā)射的設(shè)備和能力，交付空間站由宇航員進行操作實驗或自動化實驗。
各空間站也具備自己的空間科學實驗室（柜），由航空中心自行研發(fā)，供給直接交付空間站的實驗對象。目前，“天宮”空間站已配備8個空間科學實驗柜。
空間科學實驗室有搭載于空間站的，也有搭載于生物衛(wèi)星和火箭等不同的航天器設(shè)備上的，其類型和設(shè)計較為豐富。
生物衛(wèi)星是一種用于生物學實驗與研究的人造地球衛(wèi)星，是進行空間生命科學研究的科學衛(wèi)星。生物衛(wèi)星一般包括服務艙和返回艙，服務艙內(nèi)裝有衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和其他保證衛(wèi)星正常工作的設(shè)備。返回艙相當于無人空間生物實驗室，裝有實驗生物樣本、記錄儀器，在軌實驗后攜樣品返回地面。
生物火箭（亞軌道太空飛行）將實驗生物送入高空，研究超重、失重、高空彈射、宇宙輻射等因素對生物機體主要生理功能的影響。
在藥物開發(fā)中，生物回轉(zhuǎn)器、空間科學實驗室和生物衛(wèi)星是主要利用的微重力實驗裝置，其中，空間科學實驗室和生物衛(wèi)星因其能夠?qū)崿F(xiàn)在軌飛行——從而達到真正的微重力環(huán)境，具有生物回轉(zhuǎn)器不可比擬的優(yōu)勢。
多與各國航天局合作，國外創(chuàng)新企業(yè)居多
在微重力實驗室的打造中，大部分項目首先由航天局牽頭或合作，高?？蒲袡C構(gòu)提供技術(shù)支持。隨著NASA低地球軌道經(jīng)濟計劃的推出，國外創(chuàng)新企業(yè)如雨后春筍般相繼成立，致力于提供一種或多種形式的微重力實驗室。而在國內(nèi)，該項目還處于孵化階段，尚未形成規(guī)模化效應。
注：本表格篩選標準為完成一次生物醫(yī)藥領(lǐng)域微重力實驗或已有公布的生物醫(yī)藥領(lǐng)域微重力實驗室設(shè)備
現(xiàn)有實驗室以生物載荷為主，地面模擬技術(shù)不斷進步
部分微重力實驗室的開發(fā)來自于商業(yè)航天公司的子項目，大部分的公司都與航天局合作共同開發(fā)生物載荷類微重力實驗室。
而在微重力地面模擬方面，也有部分公司繼續(xù)進行探索。加拿大SimulTek就號稱可以模擬高真空、紫外線輻射等太空環(huán)境，更加接近空間站實驗環(huán)境；澳大利亞Firefly Biotech也宣布開發(fā)出雙軸生物回轉(zhuǎn)器，以更高轉(zhuǎn)速模擬微重力實驗環(huán)境。
Firefly Biotech、Space Tango、SpacePharma已在動脈網(wǎng)之前的space medicine系列文章中做過詳細介紹，我們這里首先要補充介紹的是創(chuàng)立于2019年的德國公司YURI。
YURI提供全部7種類型的微重力實驗室，供給藥物開發(fā)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)和材料科學等領(lǐng)域進行科學研究。其代表性的ScienceTaxi空間科學實驗室，包含多達44個實驗單元，適用于軌道、亞軌道和拋物線平臺，實現(xiàn)實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄。
YURI開發(fā)的Clinostat生物回轉(zhuǎn)器，能夠支持45個樣本同時進行。通過計算實驗最佳轉(zhuǎn)速，提供多重重力選擇（包括微重力、火星重力和月球重力）。
最特別的是，YURI針對不同實驗內(nèi)容，開發(fā)出不同的配套實驗硬件。通過YURI進行實驗，研究人員可以在線定制實驗參數(shù)，選擇適合于實驗的細胞、晶體、植物、果蠅或魚類實驗硬件，如果沒有適用的已有硬件，YURI還可根據(jù)實驗定制硬件。實驗結(jié)束后，YURI會將數(shù)據(jù)分析和樣本一同返還給研究人員進行研究。
第二個要重點介紹的是目前涉及該領(lǐng)域業(yè)務唯一一家上市公司Redwire Space。Redwire由私募股權(quán)公司AE industrial Partners 成立，之后一直進行穩(wěn)步收購。Redwire首先收購了衛(wèi)星部件業(yè)務Adcole Space和航空航天公司Deep Space Systems，然后收購了3D打印專家Made In Space。
之后，該集團還收購了衛(wèi)星技術(shù)公司Roccor，工程服務LoadPath，模塊化航天器制造商Oakman Aerospace和衛(wèi)星機制公司Deployable Space Systems。根據(jù)Redwire的說法，合并后的管理團隊總共帶來了50多年的太空經(jīng)驗，執(zhí)行了150多項任務。通過并購，Redwire成功棲身頭部商業(yè)航空企業(yè)，積極開展各項任務，空間科學實驗室便是其中一個項目。
Varda Space Industries是由SpaceX聯(lián)合Peter Thiel的創(chuàng)始人基金共同創(chuàng)立的公司，其任務是建立一個“太空工廠”。依托于SpaceX的航天經(jīng)驗，Varda Space 已經(jīng)獲得超5000萬美元的融資，而支持微重力實驗研究的生物衛(wèi)星是其“太空工廠”布局的中重點之一。
國內(nèi)一家名叫火箭派的公司也致力于生物載荷裝置和相關(guān)航天器開發(fā)。
2021年底，火箭派公司發(fā)射我國首個商業(yè)航天生物載荷裝置——“火種一號”?！盎鸱N一號”旨在為近地生命科學探索、航天生物醫(yī)藥研究、生物技術(shù)實驗等提供微重力服務和商業(yè)化解決方案，可被應用于微重力細胞形態(tài)學觀察、PCR、在軌檢測等領(lǐng)域。
“火種一號”是火箭派打造空間科學實驗室的第一步，2022年，火箭派計劃完成六次以上的空間實驗發(fā)射任務，包括其計劃中的“火種二號”——支持細胞生態(tài)學相關(guān)研究。
在空間科學實驗室之外，火箭派繼續(xù)開發(fā)生物衛(wèi)星系列產(chǎn)品。“火炬一號”衛(wèi)星支持長期在軌飛行，為微重力生命科學研發(fā)提供微重力、常溫常壓的研發(fā)試驗環(huán)境，可以應用微重力細胞形態(tài)學研發(fā)、微重力分子生物學研發(fā)等。
基于火箭派“星箭一體化”的理念，“達爾文二號”作為其發(fā)射火箭平臺也在開發(fā)計劃中?！斑_爾文二號”能夠承擔生物載荷的發(fā)射任務（包括空間科學實驗室和生物衛(wèi)星），其LEO最大運載能力達到500kg，計劃將于2023年首飛。
火箭派作為國內(nèi)領(lǐng)銜搭建生物微重力研究平臺的企業(yè)，圍繞“需求定義載荷，載荷定義火箭”的市場化戰(zhàn)略，將空間生物試驗作為其商業(yè)化的抓手，構(gòu)建系統(tǒng)性航天發(fā)射和在軌服務能力。通過運載火箭可回收、衛(wèi)星可返回、載荷裝置可重復試用等方式提升發(fā)射效率。
微重力實驗室市場空白較大
2022年11月，“天宮”實驗艙“夢天”已成功完成轉(zhuǎn)位，我國空間站“T”字基本結(jié)構(gòu)已安裝完成。在“天宮”中，有一個面向于空間生命科學研究的實驗艙——“問天”，此前的統(tǒng)計中，生物醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)嶒炓舱嫉娇臻g實驗的六成。隨著空間站的逐步建成，相信在不遠的未來，微重力實驗會成為一種無法忽視的實驗方式。
盡管微重力實驗的市場前景逐漸明朗，但我國致力于打造微重力實驗室的企業(yè)較少，目前的國內(nèi)市場空白較大。
自2015年以來，我國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷高速發(fā)展。據(jù)艾媒咨詢數(shù)據(jù)，我國商業(yè)航天市場2017年至2021年增長率保持在20%以上，預計2024年商業(yè)航天市場規(guī)模將達23382億元。
截至2020年底，已注冊商業(yè)航天相關(guān)企業(yè)161家，其中衛(wèi)星制造相關(guān)企業(yè)48家、衛(wèi)星發(fā)射服務相關(guān)企業(yè)81家、衛(wèi)星應用相關(guān)企業(yè)32家，全年行業(yè)融資金額達到103.69億元。
在海外市場中，無論是地面模擬微重力裝置還是生物載荷，產(chǎn)品種類較多，與各國航天局緊密聯(lián)系，已經(jīng)開始形成競爭格局。但是國內(nèi)，致力于微重力實驗室的方案和產(chǎn)品較少，市場空白較大。
究其原因，一是航天從業(yè)人員對可能應用的生命科學領(lǐng)域不夠了解，而生命科學行業(yè)內(nèi)對微重力相關(guān)實驗也缺乏完整的認知，兩端人員缺少深度了解和有效的連接方式。過去，由于“沃爾夫”條款的封鎖，我國空間科學領(lǐng)域發(fā)展受到阻攔，微重力相關(guān)研究也幾乎停滯，間接導致市場認知不夠。
二是部分創(chuàng)業(yè)者認為行業(yè)阻力較大。我國第一批商業(yè)航空公司藍箭航天，作為國內(nèi)第一家取得全部準入資質(zhì)的民營運載火箭企業(yè)，在成立第三年才獲得保密資質(zhì)可以申請火箭發(fā)射許可。
2021年，《第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》指出，要打造全球覆蓋、高效運行的通信、遙感空間基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)商業(yè)航天發(fā)射場，切實解決商業(yè)航天火箭發(fā)射場地的重要問題。
同年發(fā)布的航天白皮書也指出，“未來五年，中國將利用天宮空間站、“嫦娥”系列探測器、“天問一號”探測器等空間實驗平臺，開展空間環(huán)境下的生物、生命、醫(yī)學、材料等方面的實驗和研究。
隨著“天宮”空間站的落成，國內(nèi)也有企業(yè)慢慢入局，市場認知也會不斷加深，微重力實驗室或許會成為下一個生命科學工具的風口。