模擬變重力為水生、嚙齒動物對重力變化的反應(yīng)研究提供了新的解決方案

1.研究背景與方法

使用三維可控回轉(zhuǎn)平臺將動物暴露在不同程度的超重力下是一種有效的了解重力變化如何影響生理功能及生理功能之間的相互作用的方法。此外，這種三維可控回轉(zhuǎn)平臺也被廣泛用于地面構(gòu)建模擬的空間實(shí)驗(yàn)室以用于開展基于可變重力環(huán)境的實(shí)驗(yàn)，例如，在實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施之前，進(jìn)行超重力實(shí)驗(yàn)以證明研究的可行性。

在這個(gè)領(lǐng)域，歐洲航天局（ESA）自2020年起已經(jīng)開始在地面實(shí)驗(yàn)室建立這一平臺用以研究重力變化對水生動物模型（兩棲動物胚胎/蝌蚪）和小鼠的影響。近年來，隨著我國空間站的建立，國內(nèi)科研人員對于地面模擬微重力效應(yīng)表現(xiàn)出了更多的興趣。在這一領(lǐng)域，蘇州賽吉生物科技有限公司（SAGE-BIO）作為優(yōu)秀的生物科技公司，于2022年推出了DARC-G通用重力環(huán)境模擬系統(tǒng)，隨后又推出了DARC-P帶培養(yǎng)液連續(xù)自動更新的灌流重力環(huán)境模擬系統(tǒng)，為國內(nèi)科研人員提供了新的選擇，并節(jié)約了進(jìn)口設(shè)備的采購成本。該平臺主要以能夠模擬超重力環(huán)境的設(shè)備和模擬微重力的設(shè)備構(gòu)成（主要采用了隨機(jī)定位機(jī)"RPM ---Random Position Machine"，在國內(nèi)，我們稱為雙軸回轉(zhuǎn)培養(yǎng)系統(tǒng)。

2.太空環(huán)境對生命的影響

太空對地球生命來說并不是一個(gè)友好的環(huán)境，人類和動物面臨著相同的壓力源（例如，起飛和著陸期間的超重力、整個(gè)飛行過程中的微重力、太陽和宇宙輻射、禁閉、隔離、睡眠、晝夜節(jié)律紊亂等不利條件），這會導(dǎo)致如生理失調(diào)，如心血管疾病功能障礙、骨脫礦、認(rèn)知過程受損、眼部問題，以及免疫能力降低^[1]。失重會導(dǎo)致肌肉質(zhì)量、力量和功能的下降 ^[2]，并當(dāng)再次返回地球后，會出現(xiàn)急性綜合征稱為心血管失調(diào)，將直立不耐受與暈厥聯(lián)系起來，靜息心率增加和體能下降 ^[3]。微重力已被證明會降低心率和動脈壓^[4]。如何研究微重力環(huán)境下對生命、細(xì)胞、器官的影響和變化十分重要，蘇州賽吉生物科技有限公司的產(chǎn)品不僅提供了模擬微重力效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，而且使用人員能夠直接按照預(yù)期的實(shí)驗(yàn)環(huán)境去設(shè)置，這一點(diǎn)非常友好，對于科研有重要作用。DARC-G和DARC-P系統(tǒng)的推出，標(biāo)志著國內(nèi)在這一領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，為科研人員提供了更精確、更便捷的實(shí)驗(yàn)條件模擬。

此外，人類在太空飛行中還觀察到的人類和小鼠的另一種主要損傷形式即由于骨形成和骨吸收之間的不平衡導(dǎo)致的骨丟失^[5-8]。這種現(xiàn)象對于人或動物身體結(jié)構(gòu)上額負(fù)重骨骼，如股骨、脛骨和椎骨，比非負(fù)重骨骼受到的影響更大，這可能會導(dǎo)致骨折風(fēng)險(xiǎn)增加。骨質(zhì)流失通過地面利用受控的三維回轉(zhuǎn)重力模擬平臺同樣也可以從生長并暴露其中的斑馬魚幼蟲中觀察到，而當(dāng)它們暴露于3g超重力環(huán)境中，可以觀察到骨形成^[9,10]。

DARC通用重力環(huán)境模擬系統(tǒng)

3. 重力變化對前庭系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)的影響

重力的變化同樣對維持身體平衡的前庭系統(tǒng)也會產(chǎn)生影響 ^[11],通過對暴露于變化的重力環(huán)境下的動物模型研究發(fā)現(xiàn)，重力感知的中斷可能導(dǎo)致一些太空運(yùn)動病（面色蒼白、發(fā)冷、出汗、頭暈、嘔吐）。在太空飛行中，通常宇航員會短暫地感受到。

一些研究表明在這種暴露于變化的重力環(huán)境下，魚的前庭系統(tǒng)也會受到影響，研究發(fā)現(xiàn)在模擬的微重力環(huán)境下，耳石的大小和生長速度會增加 ^[12]。此外，當(dāng)在軌飛行時(shí)間6個(gè)月后，人體的免疫系統(tǒng)也發(fā)生了失調(diào)，最近的一項(xiàng)研究表明大約50%的宇航員在國際空間站上呆了六個(gè)月（ISS）面臨免疫問題（如感染、超敏反應(yīng)）^[13]，無論是在地面模擬的變化的重力環(huán)境下還是在真實(shí)的太空飛行中，所有觀察到的變化表明太空飛行誘導(dǎo)了生理一些關(guān)鍵功能的改變。所以，了解太空環(huán)境引起生理變化的機(jī)理和原因，不僅可以保護(hù)宇航員的健康并有效地完成任務(wù)中對健康體能的要求，而且在未來的深空探索，如部署月球站、登陸火星等任務(wù)中更為至關(guān)重要。在這一方面，可以使用賽吉生物科技的SARC系列旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)來進(jìn)行研究，特別設(shè)計(jì)使其適配多種培養(yǎng)容器，如通用培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶以及專用的球形生物反應(yīng)容器、矩陣生物反應(yīng)容器等，為單樣本、大容量培養(yǎng)和小容量、多樣本的應(yīng)用提供了靈活的選擇。其對用戶友好的操作界面和精確的轉(zhuǎn)速設(shè)定，得到了越來越多實(shí)驗(yàn)人員的喜愛。該系統(tǒng)提供了直接根據(jù)微重力水平輸入?yún)?shù)的功能，極大地方便了科研人員，提高了實(shí)驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性。

SARC-G通用旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)

4.脊椎動物模型的應(yīng)用

現(xiàn)有數(shù)據(jù)還表明除了小鼠等常見的嚙齒動物外，很多脊椎動物，如斑馬魚、蝌蚪等，也可以用于暴露于變化的重力環(huán)境的研究，為人類的監(jiān)控做出貢獻(xiàn)。這些是發(fā)育和生物醫(yī)學(xué)的優(yōu)秀研究模型。并且低等脊椎動物還能滿足許多通過航天實(shí)驗(yàn)的技術(shù)要求，比如通常它們的尺寸足夠小，重量也足夠輕，這比老鼠更容易飼養(yǎng)。

5.地面模擬設(shè)施的重要性

盡管現(xiàn)在我國也建立了自己的空間站（天宮空間站，China Space Station即CSS），但資源仍是有限的，因?yàn)樘昭芯渴艿娇臻g站進(jìn)入、機(jī)組人員時(shí)間有限和各種因素的限制，很多實(shí)驗(yàn)或前期實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、后期實(shí)驗(yàn)重復(fù)驗(yàn)證等仍需要地面設(shè)施來完成。這些地面模擬設(shè)施允許獨(dú)立地在地球上模擬空間的單一條件，比如微重力模擬，從而排除了其它復(fù)雜條件的干擾，往往能夠讓研究的問題更加突出。因此可以說，即使可以不受限制的進(jìn)入空間站開展空間環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，但地面模擬設(shè)施如（可控三維回轉(zhuǎn)設(shè)備DARC）仍然具有它的特別價(jià)值。

6.球體形狀培養(yǎng)容器的優(yōu)勢

此外，通過使用一些具有特定幾何結(jié)構(gòu)——球體形狀的培養(yǎng)容器，如蘇州賽吉生物公司的BV球釜反應(yīng)容器，能夠獲得更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)萬有引力公式：

F = G × (m1 × m2) / r^2

所以，從理論上說兩個(gè)物體之間的相互作用力除與它們的質(zhì)量有關(guān)外，還與它們的距離有關(guān)，而重力本身就是一種天體引力，當(dāng)然這種影響顯然不足以影響我們?nèi)粘５膶?shí)驗(yàn)活動。但很多研究標(biāo)明，暴露于地面模擬的變化重力設(shè)施中（無論是國外的RPM 隨機(jī)定位儀還是國內(nèi)的DARC 重力環(huán)境模擬器），由于被研究的對象被設(shè)置的位置距離三維運(yùn)動球心的距離不同還是會表現(xiàn)出差異。而球體形狀的培養(yǎng)空間則可以彌補(bǔ)這一差異，因?yàn)榍蛎嫔先我庖稽c(diǎn)到達(dá)球心的距離都是一樣的，即球的半徑。

BV球釜反應(yīng)容器

總結(jié)

近年來，隨著對重力環(huán)境的改變對于生命體的影響研究不斷深入，超重力的影響也被逐漸關(guān)注到，然而關(guān)于超重力的研究才剛開始。

以上是文獻(xiàn)中披露的長期暴露于不同超重力環(huán)境下的無尾目尾蛙胚胎或蝌蚪的存活率，圖（A）顯示了分別暴露于2g、4g超重力環(huán)境下3周后的存活率，與1g對照組相比，實(shí)驗(yàn)使用的胚胎處于發(fā)育的第8階段（受精后約5小時(shí)）。圖（B）顯示了在1.5或2g下發(fā)育2周后胚胎存活率，與1g對照組相比^[14]。

這些研究成果不僅為我們提供了寶貴的數(shù)據(jù)，也突顯了在地面模擬超重力環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的重要性和緊迫性。在這樣的研究背景下，蘇州賽吉生物科技有限公司的產(chǎn)品新穎，如SARC-G、SARC-P和DARC-G系列，能夠?qū)?biāo)國際產(chǎn)品,是很好的選擇。公司不僅推動了國內(nèi)生物科技領(lǐng)域的發(fā)展，也為全球科研人員提供了高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)解決方案。

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