在國際宇宙空間站( ISS )的“希望”日本實(shí)驗(yàn)樓，除了探索著眼于月球和火星進(jìn)出的宇宙相關(guān)技術(shù)之外，為了豐富在地面上的生活，還進(jìn)行了各種各樣的實(shí)驗(yàn)。

從2023年8月開始，宇航員古川聰長期滯留在ISS，一邊與宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)( JAXA )的地面人員合作一邊執(zhí)行多個任務(wù)，這次從中他說:“利用了微重力環(huán)境的立體臟器創(chuàng)造技術(shù)的開發(fā)Space Organogenesis

Space Organogenesis是為了發(fā)展iPS細(xì)胞的研究，以創(chuàng)造人類內(nèi)臟器官和提高醫(yī)療技術(shù)為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)。 關(guān)于實(shí)驗(yàn)的宗旨和概要，咨詢了實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人JAXA載人宇宙技術(shù)部門希望利用中心技術(shù)領(lǐng)域主干梅村沙和香氏。

從2009年開始持續(xù)的“希望”中的生命科學(xué)類實(shí)驗(yàn)

JAXA從2009年開始在位于ISS的“希望”號上進(jìn)行生命科學(xué)系的宇宙實(shí)驗(yàn)。 主要類別有“重力響應(yīng)反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”、“關(guān)于放射線影響的實(shí)驗(yàn)”、“在宇宙中培育植物的實(shí)驗(yàn)”、“微生物的監(jiān)測”、“通過小動物的宇宙飼養(yǎng)與人類健康長壽相關(guān)的研究”等，在各區(qū)域進(jìn)行了各種各樣的實(shí)驗(yàn)。

作為最近的成果，山梨大學(xué)的若山照彥教授等的研究小組，在宇宙中將老鼠凍結(jié)胚解凍，在微重力環(huán)境下使其產(chǎn)生胚成功，發(fā)表了世界上第一篇展示哺乳類在宇宙中也有繁榮可能性的論文。

關(guān)于宇宙中生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的宗旨，梅村說:“為了‘理解宇宙環(huán)境對生物的影響’的目標(biāo)，想要在人類的時間軸上弄清楚一切，轉(zhuǎn)用生命周期是需要時間的。 因此，在細(xì)胞等水平上一點(diǎn)點(diǎn)積累數(shù)據(jù)并接近的措施”。

作為生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的裝置，現(xiàn)在“希望”設(shè)置了能夠在模擬地面的1G環(huán)境和μG的微重力環(huán)境下培養(yǎng)細(xì)胞等的培養(yǎng)箱(細(xì)胞培養(yǎng)裝置)、能夠以高分辨率觀察細(xì)胞內(nèi)的共焦顯微鏡等，使用該培養(yǎng)箱進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)和觀察等 實(shí)驗(yàn)時，在地面的射場準(zhǔn)備試料(細(xì)胞)，用補(bǔ)給機(jī)將其送入發(fā)射目標(biāo)。 培養(yǎng)后的細(xì)胞等，為了維持在宇宙中的狀態(tài)，加入保護(hù)劑進(jìn)行“化學(xué)固定”，凍結(jié)，帶回地面進(jìn)行基因和形態(tài)等的分析。

“例如，在若山老師曾經(jīng)實(shí)施的實(shí)驗(yàn)中，也有將被冷凍的老鼠的精子在軌道上保存最多5年10個月并帶回地面，使其授精從而生下孩子的情況。”(梅村)。

在μG環(huán)境中培育由iPS細(xì)胞制成的肝臟寶寶

Space Organogenesis以通過利用微重環(huán)境的體培養(yǎng)，開發(fā)人類內(nèi)臟器官創(chuàng)造所需的要素技術(shù)為目的，是東京大學(xué)教授、橫濱市立大學(xué)客座教授谷口英樹的研究提案。

到目前為止，谷口先生通過將從iPS細(xì)胞分化出來的3種細(xì)胞混合在一起，成功地制作出了名為“肝芽”的類似肝臟寶寶的東西，也就是再現(xiàn)了生物體內(nèi)的組織和內(nèi)臟器官的被稱為有機(jī)物質(zhì)的模擬組織。 目的是這次將其帶到宇宙，在接近失重的μG環(huán)境中成功賦予大血管，為將來的再生醫(yī)療鋪平道路。

有機(jī)物質(zhì)是試管中由干細(xì)胞制成的小型臟器，但在沒有來自血管的營養(yǎng)和血流的物理刺激的情況下無法生長成實(shí)際的臟器。 雖然實(shí)現(xiàn)了從iPS細(xì)胞到制造有機(jī)物質(zhì)的過程，但是現(xiàn)在還沒有確立向內(nèi)臟器官創(chuàng)造所需的大血管提供有機(jī)物質(zhì)的技術(shù)，因此將在宇宙中對其進(jìn)行驗(yàn)證。

“在地上培養(yǎng)細(xì)胞的話，會完全展開變成二維的。 但是，臟器是三維的，如果不立體培養(yǎng)，就不能生長到充分發(fā)揮功能的狀態(tài)。 關(guān)于這一點(diǎn)，宇宙是沒有沉降和對流，容易制作立體結(jié)構(gòu)的環(huán)境。 因此，給“希望”帶去模仿肝芽和大血管的東西，在培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(梅村)

在接近生物體的環(huán)境中促進(jìn)肝芽的“自組織”

該實(shí)驗(yàn)是第二次，第一次于2020年12月實(shí)施。 當(dāng)時，野口聰一宇航員負(fù)責(zé)的第1次實(shí)驗(yàn)中，確認(rèn)了“向管周圍的肝芽三維凝集技術(shù)和向管賦予技術(shù)的成功”。

在這次的實(shí)驗(yàn)中，接受上次的成功，確認(rèn)“通過灌流培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行肝芽的組織化”。 其步驟是，將模擬在地面上制作的肝芽和大血管的人造血管以零散的狀態(tài)運(yùn)送到“希望”。 然后，在微重力環(huán)境下，施加離心力使肝芽凝聚在大血管周圍，通過使培養(yǎng)液持續(xù)流入人造血管中的“灌流培養(yǎng)”，創(chuàng)造出更接近人類內(nèi)臟的狀態(tài)，在肝芽之間制作毛細(xì)血管，使之自組織化。

“第一次和第二次的不同在于血管的方式，實(shí)驗(yàn)用的大血管的結(jié)構(gòu)更接近生物體。 另外，有一種培養(yǎng)液用于喂養(yǎng)細(xì)胞“培養(yǎng)基”，與第一次實(shí)驗(yàn)中只有肝芽周圍的培養(yǎng)液相比，這次培養(yǎng)液也通過血管的結(jié)構(gòu)。 因?yàn)槲覀兊难芾锪鲃又海阅M血液持續(xù)流動的地方是這次最大的點(diǎn)。 此外，由于第一次在新冠災(zāi)禍高峰期無法在火箭發(fā)射場進(jìn)行試料的準(zhǔn)備，培養(yǎng)期間稍微縮短了，所以也有以更完美的形式實(shí)施的意義。”

實(shí)驗(yàn)時，負(fù)責(zé)的工作人員一邊看著宇航員的一舉一動，一邊從地面筑波宇宙中心發(fā)送指示。 但是，這句話是從負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的工作人員，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)運(yùn)用管制員、“希望”的運(yùn)用管制員傳達(dá)給ISS的宇航員的。

據(jù)說在這期間，還負(fù)責(zé)將來自專家工作人員的指示轉(zhuǎn)換成即使是宇航員也容易理解的語言，確保宇航員不會對指示感到困惑和弄錯。 梅村說，像這樣，為了在有限的資源和時間中取得實(shí)驗(yàn)成果，他做了各種各樣的努力。 當(dāng)然，據(jù)說執(zhí)行它們的宇航員的負(fù)擔(dān)也很大。

“宇航員負(fù)責(zé)在培養(yǎng)箱中安裝和更換樣品容器、更換容器中的培養(yǎng)基、用顯微鏡觀察時的設(shè)置和觀察后恢復(fù)原狀等工作。 裝置為了能在“希望”內(nèi)的規(guī)定空間中使用而被緊湊化，因此嚴(yán)格的工作很多。 例如，第一次有將注射器刺入小容器更換培養(yǎng)基的作業(yè)，這次有新制作的“自動營養(yǎng)液更換器具2型”裝置內(nèi)的部件更換等細(xì)小的作業(yè)。 雖然事先準(zhǔn)備了詳細(xì)的工作手冊，但是宇航員在工作時是在把它放在腦子里的。”(梅村)

在繼續(xù)醫(yī)學(xué)研究的同時促進(jìn)民間利用

日本在ISS的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，日本在“希望”的環(huán)境中充分確保了實(shí)驗(yàn)機(jī)會，日本的研究者可以使用的環(huán)境也變得完備了。 但是，據(jù)說基本上也有公開招募制的成果公開型，目前大部分是學(xué)院的實(shí)驗(yàn)。 雖然民間研究者逐漸開始參與的研究，以及企業(yè)付錢實(shí)施的有償利用，但梅村說:“作為JAXA，今后也希望更多的民間人士使用實(shí)驗(yàn)環(huán)境。”

在此基礎(chǔ)上，這次的Space Organogenesis實(shí)驗(yàn)可能成為一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 “迄今為止，為了了解細(xì)胞在宇宙中發(fā)生了什么的基礎(chǔ)研究很多，但這次技術(shù)探索是理所當(dāng)然的，使用宇宙環(huán)境能得到什么好處，將宇宙作為‘工具’來使用這一點(diǎn)廣為人知。 通過這個實(shí)驗(yàn)，如果“宇宙看起來很有趣”“好像會獲得好的成果”的看法擴(kuò)大的話，就有可能成為可以用于其他再生醫(yī)療相關(guān)的研究者和企業(yè)的各位的契機(jī)。”(梅村)

據(jù)說實(shí)際上細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域，在世界上也還處于研究開發(fā)階段。 盡管如此，在該領(lǐng)域，加上這次著眼于中長期再生醫(yī)療的三維培養(yǎng)，生物制造領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)被認(rèn)為是有前途的，國際間已經(jīng)開始了競爭。 梅村說:“我想在繼續(xù)學(xué)術(shù)研究的同時，設(shè)法降低民間利用的門檻，將日本在宇宙中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的成果與未來聯(lián)系起來。”

“人們從LEO(Low Earth Orbit :地球低軌道)進(jìn)入前方的宇宙中，會對人體產(chǎn)生什么樣的影響呢？ 光靠人和小動物的實(shí)驗(yàn)并不能知道所有的成果，所以細(xì)胞實(shí)驗(yàn)變得非常重要。 我們在繼續(xù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的同時，致力于作為另一個支柱的可以為再生醫(yī)療做出貢獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。 在那之中，也想和民間人士積極合作下去。 例如，對于骨骼和肌肉的量急速減少等宇宙中發(fā)生的老化的影響，調(diào)查藥物的效果，“希望”的實(shí)驗(yàn)成果不僅對宇宙，對地面也可能有幫助。

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