宇航員利用磁力成功地打造了人體軟骨

國(guó)際空間站（ISS）上的一名宇航員利用磁力成功地打造了人體軟骨。

這項(xiàng)壯舉是通過(guò)安裝在空間站上的磁懸浮生物組裝裝置實(shí)現(xiàn)的。這臺(tái)機(jī)器使人類(lèi)細(xì)胞群能夠組裝成組織結(jié)構(gòu)，而無(wú)需使用物理支架。近日發(fā)表在Science Advances雜志上的一篇論文描述了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

斯坦福大學(xué)研究員、論文作者Utkan Demirci說(shuō)：“人們可以想象，在不久的將來(lái)，如果我們殖民火星或進(jìn)行長(zhǎng)期太空旅行，我們可能會(huì)想做一些實(shí)驗(yàn)，在太空中構(gòu)建功能性組織，并在外星環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試?！?/p>

想象一下，你的皮膚或骨骼受到了與太空有關(guān)的損傷，可以用生物工程組織修補(bǔ)，就像電影《星際探索》（Ad Astra）一樣，人們?cè)谶@個(gè)紅色星球上生活、工作和接受醫(yī)療。

雖然能夠打印生物材料的生物打印機(jī)已經(jīng)存在于地球上，但這些設(shè)備無(wú)法在太空中工作，因?yàn)樗鼈円蕾?lài)于地球相對(duì)強(qiáng)大的重力的存在。人們可以想象，在不久的將來(lái)，人們?cè)诨鹦巧隙ň踊蚴沁M(jìn)長(zhǎng)期太空旅行時(shí)，可以直接在太空中“構(gòu)建”功能組織在外星環(huán)境里進(jìn)行測(cè)試。相比之下，在地球上打印生物材料的方式就像擠牙膏，嚴(yán)重依賴(lài)重力作用，離開(kāi)重力就沒(méi)辦法進(jìn)行。

然而，磁懸浮在軌道上運(yùn)行得很好。這種方法是將物體懸掛起來(lái)，除了磁力外沒(méi)有其他支撐物。它可以用來(lái)抵消重力加速度和任何其他加速度的影響，也可以在沒(méi)有重力的情況下保持物體的位置。

另一方面，我們通常認(rèn)為生物組織不能像金屬一樣被磁場(chǎng)所操控，但在 2015 年，斯坦福大學(xué)的 Utkan Demirci 和 Naside Gozde Durmus 證明，活細(xì)胞可以在順磁性流體介質(zhì)中被操縱。

這需要將兩個(gè)強(qiáng)大的相對(duì)的磁體放置得無(wú)限靠近，來(lái)產(chǎn)生高梯度力。反磁性的細(xì)胞和順磁性流體的磁化率之差乘以磁場(chǎng)梯度，足以平衡細(xì)胞的重量，從而使其懸浮。反磁性的細(xì)胞和順磁性流體組成的微流體通道位于磁體之間。

也就是說(shuō)，當(dāng)細(xì)胞組處于這些條件下時(shí)，它們會(huì)“遷移”到培養(yǎng)基中的同一位置，組裝成3D組織結(jié)構(gòu)和類(lèi)器官。

位于莫斯科的生物技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，CD Bioprinting Solutions的Vladislav Parfenov和他的同事們后來(lái)擴(kuò)展了這個(gè)想法，他們制造了一種裝置，可以將一組稱(chēng)為球體的細(xì)胞組裝成三維結(jié)構(gòu)。這就是最終進(jìn)入太空的裝置。

將這臺(tái)設(shè)備運(yùn)到國(guó)際空間站并不容易，Utkan Demirci 說(shuō)：“對(duì)于將機(jī)器放置在空間站有許多苛刻的標(biāo)準(zhǔn)。而且，由于國(guó)際空間站上沒(méi)有相關(guān)光學(xué)設(shè)備，例如顯微鏡，因此必須在設(shè)備中安裝特殊的攝像頭來(lái)記錄細(xì)胞的活動(dòng)。

一切準(zhǔn)備就緒之后，2018年11月，將設(shè)備運(yùn)送到國(guó)際空間站的火箭炸毀了。Vladislav Parfenov 和他的團(tuán)隊(duì)又重新制造了一個(gè)生物組裝器，并在12月將其送上了哈薩克斯坦的下一枚火箭。

在探測(cè)器到達(dá)國(guó)際空間站俄羅斯分部的一天后，宇航員Oleg Kononenko 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，包括將順磁性介質(zhì)與軟骨細(xì)胞(來(lái)自人類(lèi)膝蓋和臀部)一起注射到試管中冷卻，將它們放入磁性生物組裝器中，然后按下“Go”-運(yùn)行鍵。

Deirci說(shuō)，這是細(xì)胞和類(lèi)器官首次在太空中組裝和生物加工。他說(shuō)：“人們一直在進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和在太空中培養(yǎng)細(xì)胞，但能夠利用生物制造工具將這些積木組裝成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這還是第一次?！?/p>

這樣的實(shí)驗(yàn)也有助于研究有益于地球生命的細(xì)胞相互作用?！霸跊](méi)有重力的情況下，細(xì)胞和蛋白質(zhì)的行為非常不同，”Deirci說(shuō)。他說(shuō)，在沒(méi)有引力噪聲的情況下理解這些相互作用可以揭示藥物和細(xì)胞如何相互作用的新信息。