乘“天舟”，北理工生命“小立方”圓滿(mǎn)完成空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)，取得多項(xiàng)突破,！
——“微流控芯片空間多細(xì)胞共培養(yǎng)與分析”在軌實(shí)驗(yàn)側(cè)記
發(fā)布日期：2017-05-21 供稿：宣傳部 王征 辛嘉洋 編輯：辛嘉洋 審核：包麗穎 劉存福 閱讀次數(shù)：
中國(guó)首次獲得在軌多細(xì)胞共培養(yǎng)實(shí)時(shí)圖像?
搭乘“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船的北理工生命“小立方”回傳實(shí)驗(yàn)圖像成功解析
北京理工大學(xué)研制的“空間微流控芯片生物培養(yǎng)與分析載荷”,，搭乘“天舟”在軌期間的主要任務(wù)是自動(dòng)化實(shí)施了多種細(xì)胞在軌共培養(yǎng)和分析，這是一次對(duì)中國(guó)空間生命科學(xué)研究意義深遠(yuǎn)的探索實(shí)踐,。生命"小立方"4月21日凌晨5點(diǎn)按計(jì)劃啟動(dòng)了第一組實(shí)驗(yàn),，期間共進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)，在飛控干預(yù)下實(shí)現(xiàn)全程實(shí)驗(yàn)過(guò)程可控可監(jiān)測(cè),，至5月3日完成全部實(shí)驗(yàn)任務(wù),，實(shí)現(xiàn)了全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的下行傳輸，達(dá)到了預(yù)定的任務(wù)目標(biāo),，圓滿(mǎn)完成了飛行搭載任務(wù),。
這個(gè)由北京理工大學(xué)生命學(xué)院鄧玉林教授團(tuán)隊(duì)完全自主創(chuàng)新研制的生命“小立方”，創(chuàng)造了“使用微流控芯片開(kāi)展多種細(xì)胞在軌長(zhǎng)時(shí)間共培養(yǎng)”,、"自動(dòng)化分層調(diào)焦,、高分辨大視野細(xì)胞影像分析"、“微流控芯片蛋白質(zhì)在軌高靈敏分析檢測(cè)”并且對(duì)蛋白質(zhì)分析達(dá)到納克級(jí),，這幾項(xiàng)技術(shù)達(dá)到目前國(guó)際空間生命科學(xué)載荷的領(lǐng)先水平,，也是繼2011年“神舟八號(hào)”和2016年“長(zhǎng)征七號(hào)”搭載之后，又一項(xiàng)遨游太空的北理工牽頭研制的生命科學(xué)載荷,。
“以人為本”,，聚焦“人在太空”的健康問(wèn)題
“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船是中國(guó)研制的第一款貨運(yùn)飛船,，與“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對(duì)接、實(shí)現(xiàn)空間補(bǔ)給,，并完成相關(guān)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等任務(wù),，為中國(guó)2022年前后建成空間站“搭橋鋪路”。而在此次任務(wù)中,，北理工研制的“空間微流控芯片生物培養(yǎng)與分析載荷”由“天舟一號(hào)”搭載,，并開(kāi)展了為期兩周的在軌實(shí)驗(yàn)。
作為新中國(guó)第一所國(guó)防院校的北京理工大學(xué),，在空間生命科學(xué)領(lǐng)域,，始終將服務(wù)國(guó)家的使命感延伸向太空，始終聚焦于人在太空的生命健康問(wèn)題,，體現(xiàn)了服務(wù)載人航天工程和深空探測(cè)等國(guó)家重大科技工程整體戰(zhàn)略的發(fā)展思路,。
隨著中國(guó)空間站計(jì)劃的逐步實(shí)施，中國(guó)航天員長(zhǎng)期在軌飛行將成為常態(tài),。面對(duì)空間微重力,、輻射、噪音和幽閉環(huán)境等,，關(guān)注航天員的生命健康,，成為我國(guó)載人航天領(lǐng)域中十分迫切研究的問(wèn)題。經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究表明,，長(zhǎng)期的太空飛行,，會(huì)導(dǎo)致航天員產(chǎn)生焦慮、抑郁,、失眠及大面積潰瘍,、免疫力低下等神經(jīng)和免疫系統(tǒng)問(wèn)題。另一方面,，神經(jīng)與免疫系統(tǒng)問(wèn)題相互作用的機(jī)理研究也是當(dāng)下國(guó)際生命科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題,。北理工的研究人員立足在神經(jīng)與免疫系統(tǒng)方面多年的研究積累，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證,，在本次飛行搭載任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)將科學(xué)問(wèn)題聚焦于空間環(huán)境下的神經(jīng)與免疫系統(tǒng)相互作用,。
“針對(duì)復(fù)雜空間環(huán)境影響下神經(jīng)和免疫系統(tǒng)相互作用，在這次飛行搭載任務(wù)中我們通過(guò)精巧設(shè)計(jì),，讓神經(jīng)細(xì)胞,、膠質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞在微流控細(xì)胞培養(yǎng)芯片上進(jìn)行在軌共培養(yǎng)，并進(jìn)行自動(dòng)在線(xiàn)分析,。通過(guò)觀(guān)察各種細(xì)胞在空間環(huán)境下的形態(tài)變化和遷移情況,，并檢測(cè)培養(yǎng)基中與細(xì)胞相互作用相關(guān)的神秘物質(zhì)，以期了解神經(jīng)與免疫系統(tǒng)之間的相互作用規(guī)律和機(jī)制,，在研究中還希望獲得一系列能夠表征航天人員身體健康狀況的標(biāo)志物,。當(dāng)然,，通過(guò)單次搭載不可能一下子把這些問(wèn)題都解決，還需要開(kāi)展更加全面的地面研究,，并與地面研究進(jìn)行對(duì)照,。空間搭載在整個(gè)研究環(huán)節(jié)中是最重要也是最關(guān)鍵的,，這項(xiàng)研究對(duì)今后長(zhǎng)期在軌飛行的航天員健康保障意義重大,。”項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人鄧玉林教授這樣介紹了項(xiàng)目總體情況,。
圍繞這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路,，北理工生命科學(xué)載荷將在空間環(huán)境下，同時(shí)完成對(duì)神經(jīng)細(xì)胞(含膠質(zhì)細(xì)胞),、免疫細(xì)胞的在軌共培養(yǎng),，這種培養(yǎng)必須做到神經(jīng)和免疫細(xì)胞“共生不碰面”，而“生長(zhǎng)環(huán)境”卻又要相互聯(lián)系貫通,，這實(shí)際上是在一定程度上模擬人體中“腦與外周免疫系統(tǒng)”,。研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)成功地實(shí)現(xiàn)了多種細(xì)胞相互作用研究,。
而在“培養(yǎng)”之后實(shí)施的在線(xiàn)檢測(cè)與分析,，不僅要檢測(cè)兩種細(xì)胞各自變化的“不同”，還要檢測(cè)其共同生長(zhǎng)環(huán)境中的“相同”,，這就是所謂的神秘物質(zhì)，所獲得的“第一手”數(shù)據(jù)將是研究空間環(huán)境對(duì)航天員的健康損傷的寶貴資料,，并服務(wù)于建立空間環(huán)境損傷的預(yù)警研究,，為長(zhǎng)期載人飛行健康保障以及深空生命信息探測(cè)提供理論和技術(shù)基礎(chǔ)。
值得一提的是,，這種巧妙的細(xì)胞共培養(yǎng)和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),，也可以用于開(kāi)展其他不同細(xì)胞的相互作用研究，為空間生命科學(xué)研究提供了一個(gè)新的,、先進(jìn)的研究工具和平臺(tái),。
“方寸空間”，精造微型生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室
“最先進(jìn)最復(fù)雜的空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷”,，在年初召開(kāi)的“天舟一號(hào)”搭載項(xiàng)目研制總結(jié)評(píng)審會(huì)上,，專(zhuān)家組給予北理工載荷高度評(píng)價(jià)。載人航天辦公室也批準(zhǔn)該項(xiàng)目作為"天舟一號(hào)"任務(wù)飛船系統(tǒng)搭載項(xiàng)目,。
對(duì)神經(jīng)細(xì)胞和免疫細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng),，并自動(dòng)在線(xiàn)開(kāi)展相應(yīng)的檢測(cè)分析，即使是在地面實(shí)驗(yàn)室中,，實(shí)現(xiàn)起來(lái)都很困難,，目前也沒(méi)有集成化的儀器,。作為要“泛舟”太空的科學(xué)載荷，面臨嚴(yán)苛的航天要求,，不僅要嚴(yán)格體積,、重量以及功耗，還要在空間飛行的嚴(yán)峻環(huán)境下,，完全自主實(shí)施培養(yǎng),、檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和處理傳輸?shù)取皠?dòng)作”,，可謂難度極大,。例如載荷中的兩個(gè)用于觀(guān)測(cè)的小鏡頭,就是因?yàn)椤疤熘邸碧峁┑挠邢薰模沟苗R頭一再減少并修改,，類(lèi)似這樣因搭載條件而帶來(lái)的技術(shù)困難和挑戰(zhàn)可謂屢見(jiàn)不鮮,。
北理工生命學(xué)院在空間生命科學(xué)儀器研制方面，早已具有多年的研究積累,，本次載荷項(xiàng)目其實(shí)就是來(lái)源于學(xué)院所承擔(dān)的2012年科技部國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)“空間多指標(biāo)生物分析儀器開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”的研究成果,。
據(jù)負(fù)責(zé)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和設(shè)備研制的馬宏副研究員介紹：“由于對(duì)載荷的功耗和荷重都有著嚴(yán)格的控制，這就要求在軌研究的生物試劑和耗材必須盡可能減少用量,。同時(shí),，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)設(shè)計(jì)了自動(dòng)化的樣品制備技術(shù)，以保證實(shí)驗(yàn)細(xì)胞樣品能夠進(jìn)行生化分析,。除此之外,，為了能夠有效檢測(cè)細(xì)胞因子和免疫因子作用的分子機(jī)制，團(tuán)隊(duì)又自主創(chuàng)新了基于膠體金的高靈敏快速檢測(cè)技術(shù)(1ng),，在國(guó)際上也屬于領(lǐng)先水平,。”
針對(duì)空間生命科學(xué)研究的需求,，北理工科研人員著實(shí)在“方寸之間”下了苦功,，使之成為集生物培養(yǎng)、在軌在線(xiàn)分析,、數(shù)據(jù)處理于一體的空間多指標(biāo)生物分析集成化儀器平臺(tái),，擁有至少五項(xiàng)原始創(chuàng)新成果?！盁o(wú)論是載荷的集成與自動(dòng)控制技術(shù),、細(xì)胞的在線(xiàn)觀(guān)測(cè)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)以及在線(xiàn)分析還是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黜?xiàng)技術(shù),，都是由團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)自主創(chuàng)新完成的,。”空間生物與醫(yī)學(xué)工程研究所副所長(zhǎng)、生命學(xué)院李曉瓊副教授在介紹時(shí)充滿(mǎn)自豪,。
北理工的國(guó)防品質(zhì),，就是善于攻堅(jiān)克難。作為一項(xiàng)可以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的空間生命科學(xué)載荷裝置,，從提出設(shè)想到組建模型,，再到工程應(yīng)用，竟是由一支10余人的團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成了各項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)計(jì),?！皥F(tuán)隊(duì)內(nèi)的每一位成員在最后攻艱階段都是連續(xù)作戰(zhàn)的工作模式，吃住基本都在實(shí)驗(yàn)室,。因?yàn)橐紤]的地方太多,，時(shí)間很緊張，我們必須頂下來(lái),。載荷最大的特點(diǎn)就是由我們完全自主設(shè)計(jì)完成,，從硬件到軟件，復(fù)雜度在目前報(bào)道的所有空間生命科學(xué)載荷里都是首屈一指,?！崩顣原?cè)绱私榻B自己的團(tuán)隊(duì)。
鄧玉林教授在總結(jié)這次飛行搭載任務(wù)時(shí)表示："這次任務(wù)青年教師和研究生們擔(dān)當(dāng)大任,，博士生楊春華表現(xiàn)極為突出,，受到飛船系統(tǒng)高度好評(píng)，博士和碩士研究生韓杰,、于世永,、李永瑞、陳鈺,、褚平平,、樊云龍、張朋藝,、李堃杰、冷坤等各盡其責(zé),。我們團(tuán)隊(duì)成員在這次任務(wù)中銳意進(jìn)取,、刻苦工作，發(fā)揚(yáng)了延安精神和軍工精神,，大家共同努力才使本次任務(wù)在遭遇極大困難的情況下成功完成,。我們的研制工作得到了科技部重大科學(xué)儀器開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)的支持，得到了載人航天辦公室的指導(dǎo)和支持,，得到了航天科技集團(tuán)宇航部和航天五院載人總體部的大力支持和幫助,。此外，還要感謝航天五院513所和哈工程等兩個(gè)合作單位的精誠(chéng)合作,，感謝學(xué)校學(xué)院對(duì)團(tuán)隊(duì)以及項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的大力支持,。"
交叉融合,，“我們要在宇宙空間占一個(gè)位置！”
1957年,，北京工業(yè)學(xué)院（北京理工大學(xué)前身）師生,，在“勇攀尖端”的過(guò)程中，曾發(fā)出“我們要在宇宙空間占一個(gè)位置,！”的雄音偉志,。而一個(gè)甲子之后，北理工的生命“小立方”閃耀著學(xué)科高度交叉融合的光芒,，正在一步一個(gè)腳印的邁向宇宙空間的“北理工位置”,。
“只有我們幾位不同學(xué)科方向的老師坐在一起研究這件事，才能完全實(shí)現(xiàn)目標(biāo),，否則是不可能完成的,！”馬宏最大的感慨就是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的交叉融合。在空間完全自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn),，并且還要滿(mǎn)足一系列嚴(yán)苛的搭載要求,，這不僅要求項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)具備較高的生命科學(xué)研究能力和深厚的學(xué)術(shù)積累，還要具備極高的研制載荷裝置的工程實(shí)現(xiàn)能力,，更為重要的是兩者之間要實(shí)現(xiàn)真正的深度交融合作,。唯有高度的學(xué)科交叉融合才使這項(xiàng)超高技術(shù)難度載荷實(shí)驗(yàn)成為可能，而這也集中反應(yīng)了近年來(lái)北京理工大學(xué)在學(xué)科交叉融合方面的工作成果,。
近年來(lái),，學(xué)校大力推動(dòng)新興交叉學(xué)科的成長(zhǎng)，這其中空間生命科學(xué)研究及其所在的生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域頗具代表性,，能夠抓住機(jī)會(huì),，形成學(xué)科發(fā)展?fàn)恳Γ浞滞苿?dòng)北理工傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科與新興學(xué)科交叉融合,，不僅成為國(guó)內(nèi)空間生命科學(xué)研究的先行者,，還逐步在國(guó)際舞臺(tái)上展露頭角，培育形成學(xué)校全新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn),，優(yōu)勢(shì)漸成,。
據(jù)李曉瓊介紹，“對(duì)于學(xué)校而言,，完成這樣的項(xiàng)目非常不簡(jiǎn)單,，這項(xiàng)空間載荷涉及到光、激,、電,、熱、磁、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科,，團(tuán)隊(duì)里的成員包含各個(gè)專(zhuān)業(yè),。”李曉瓊坦言,，項(xiàng)目的成功實(shí)施,，與學(xué)校重點(diǎn)培養(yǎng)交叉融合學(xué)科是分不開(kāi)的，“這也驗(yàn)證了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科作為學(xué)校多專(zhuān)業(yè)交叉融合性學(xué)科,，經(jīng)過(guò)多年的積淀后,，開(kāi)始出現(xiàn)爆發(fā)的集中體現(xiàn)?！?/p>
另一個(gè)方面,，高度的學(xué)科交叉融合，也讓我校在國(guó)防科研中硬朗的“型號(hào)”品質(zhì)和工作作風(fēng),，得以在新興學(xué)科的拓展上得以傳承和發(fā)揚(yáng),，從理論到實(shí)踐，從方案到產(chǎn)品,，再到“不容一次失敗”的高標(biāo)準(zhǔn),、嚴(yán)要求，都彰顯著北理工肩負(fù)國(guó)家使命的深刻內(nèi)涵,。
浩瀚天際,，廣袤無(wú)垠，在中國(guó)航天事業(yè)大發(fā)展的背景下,，北理工不斷前行,，“主動(dòng)瞄準(zhǔn)國(guó)家重大戰(zhàn)略和國(guó)防重大戰(zhàn)略需求，緊密?chē)@我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展主題,，潛心研究,，重點(diǎn)攻關(guān)，大力推進(jìn)航天領(lǐng)域科技工作”成為學(xué)校的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃,。
“我們要在宇宙空間占一個(gè)位置”,，正在成為現(xiàn)實(shí)。今天,，一代代北理工人默默奉獻(xiàn),，北京理工大學(xué)在“拓天”的道路上踏實(shí)前行。我們堅(jiān)信,，廣袤星空之中必將留下北理工前進(jìn)的軌跡，向著更加浩瀚的宇宙飛翔,！
