中国生物医药太空漫游指南

今年4月29日,11时23分,长征五号B运载火箭从我国海南文昌的航天发射场点火升空。大约8分钟后,成功将中国空间站的“天和”核心舱送入预定轨道……这标志着中国空间站的组建取得关键性胜利。


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长征五号B运载火箭托举着“天和”核心舱

一飞冲天(来源:中国航天科技集团)


核心舱是整个空间站最基础的部分,其他舱段都将围绕核心舱进行对接叠加。按照中国的空间站建设规划,空间站建造任务分为关键技术验证和建造两个阶段实施,两阶段各6次飞行任务。


关键技术验证阶段除现已圆满完成的长征五号B火箭首飞和“天和”核心舱发射,今年还将陆续实施2次天舟货运飞船和2次神舟载人飞船发射。建造阶段将陆续发射问天实验舱和梦天实验舱,两个实验舱与核心舱将组成“天宫”空间站。


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预计在2022年前后,我国空间站将完成建造,此后将进入为期10年以上的应用与发展阶段,大量科学研究任务将在空间站实验舱内开展。


不久之后,“天宫”空间站也将成为唯一一个在人类近地轨道上运行的空间站。因为美国主导的国际空间站(ISS)已经服役超过20年,它将在2024年退役。


太空空间站的建设,对于一个国家无疑具有重大的战略意义。不仅会直接带动整个航天科技产业链相关的科学技术进步,还可以利用稀缺的空间资源进行太空探索和前沿科学研究。例如,太空微重力条件下,使得一些受到地球重力环境限制的科学研究得以开展,从中获得的科学发现和技术突破将为地面研究提供辅助数据,甚至还将为有朝一日人类能移民外太空积累科学基础。


正是由于太空资源的稀缺和宝贵,美国的国际空间站明令禁止中国科研人员进行太空科学实验,所以中国的科研人员此前并没有机会进行太空探究,而“天宫”空间站将为中国的科研人员插上“梦想的翅膀”。


说到这里,肯定会有读者好奇,在中国空间站上可以进行那些科学研究呢?跟生物医药相关的实验都有哪些呢?小编在此也给大家简单介绍一下。


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空间站上的生物医药研究


据统计,国际空间站在轨20多年间共进行了大约3000项各学科的科学研究,其中占比最高的就是来自生命科学和生物技术领域。


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来源:Nature


甚至于个别明星重磅炸弹新药的身后,也有太空实验的贡献。只不过是因为新药研发的链条实在太长,或者其他原因,没有得到大家广泛关注。我们可以分享两个有趣的案例。


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K药上天记

K药(Keytruda)是一款PD-1单抗,作为默沙东的王牌产品,K药已在22种不同的适应证中获批上市,K药的优异表现也带来了国内外PD-1抑制剂的研发热潮。


K药作为一种大分子蛋白质,在制造、递送和储存上面临着许多技术难题。例如,单抗药物的制造过程很复杂,通常需要多个色谱步骤进行纯化,昂贵又耗时。最终生产出来的单抗还需要冷藏保存,药物的保质期受限较多。此外,单抗的一般给药方式都是静脉注射,耗时较长,有时还需要给患者打留置针。


这些难题有望通过改进单抗纯化技术,生产出具有高度均匀和稳定性的单抗浓缩结晶悬浮液来解决。小分子药物和肽类药物(如胰岛素)通常通过结晶过程进行纯化,结晶可使纯化过程更快、成本更低。此外,结晶能生产出浓度更高、粘性更低的药物,可以进行皮下注射给药,降低给药频率。但是大分子蛋白质通过结晶纯化也具有颇多技术难题。


为了研究影响晶体生长的关键变量,2019年,默沙东的研究人员与国际空间站合作,在 SpaceX商业补给服务 10 号太空任务中使用K药进行了结晶实验,利用微重力实验研究了沉降速率和温度梯度对结晶纯化的影响。结果发现,在微重力条件下,沉降和对流减少,产生的结晶悬浮液具有更低的粘度,并且比地面的对照组更加均匀。


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默沙东研究中的地面对照样品(左)和

航天样品(右)的紫外成像(来源:默沙东)


后来,研究小组使用旋转混合器控制沉降速率和温度梯度等变量、诱导成核和控制结晶,在地面实验中成功复制了太空中均匀的结晶悬浮液。


这对单抗的药物纯化和储存具有重要意义,有望推动K药的给药方式由静脉注射转为皮下注射,提高患者和护理人员的生活质量。


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安进小鼠太空之旅

在太空中,航天员长期处于微重力条件下,身体会发生一系列变化,可能会诱发一些潜在疾病,最突出的问题便是骨质疏松。


骨骼是支撑身体和储存钙的重要结构,正常情况下,骨骼在成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收的相互作用下维持着骨量的平衡。在微重力环境中,因为骨骼不再需要抵抗重力的作用,负荷减少会导致骨吸收的增加,加快的骨量损失使宇航员更易骨折。虽然进行体育锻炼可以缓解这些问题,但并不能完全消除骨质疏松的风险。


为了进一步了解太空环境对骨密度的影响,解决宇航员的身体健康问题,以及为地面骨质疏松患者开发新药,安进在2001-2011年间与NASA合作进行了3次小鼠太空实验。这3项研究使用的药物分子和阻断的靶点各不相同,2001 年进行了骨保护蛋白研究,2007 年进行了肌肉生长抑制素抑制剂研究,2011年进行了硬化蛋白抗体研究。


硬化蛋白是一种由骨骼分泌的蛋白质,是骨形成、骨量和骨强度的关键负调节蛋白。安进2011年这项实验的假设是在进入太空前注射了硬化蛋白抗体的小鼠骨骼不会像安慰剂组一样受到微重力暴露的不良影响。


安进公司的研究人员给两组10周龄左右的小鼠在发射进入太空的前一天分别注射了硬化蛋白抗体和安慰剂,同时也给留在地球上的另外两组小鼠进行了相同的治疗。


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承载小鼠太空实验的仪器(来源:NASA)


两周后,已在太空适应了自由漂浮的小鼠返回了地面。在分析了太空和地面小鼠骨骼的各项指标后,安进的研究人员表示注射了硬化蛋白抗体的小鼠骨形成增加,骨结构发生改善,骨密度甚至还得到了增强。


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硬化蛋白抗体太空实验结果展示(来源:American Astronautical Society)


这些实验数据不仅推动了针对宇航员骨质疏松疗法的开发,而且也为“骨骼废用”所致的骨骼脆弱性(如卒中、脑瘫和脊髓损伤)人群带来了新希望。骨保护蛋白的太空研究助力FDA在2010年批准了地舒单抗的上市,而硬化蛋白抗体研究的太空数据则推动了罗莫索单抗在2019年获FDA批准上市。


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中国太空研究初探


“天宫”空间站会给中国科研人员的太空研究提供最大的便利,尤其是“实验样本”的可回收更是具有巨大的优势,因为太空实验舱中通过观测会获得一部分数据,而实验样本回收到地面上同样能提供更丰富更有价值的信息。这一优势也有利于拓展我国太空实验设计的蓝图。


太空研究对我们来说也还是全新的探索,中国空间站的实验柜,正如一个个太空魔盒一样,等待着与各学科的碰撞。


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中国空间站上的实验柜(空间站中所支持的学科领域包括空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、微重力燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理等;图片来源:科学大院)


据医药魔方了解,我国的太空医药研究规划已初具雏形,将遵从从易到难的原则,目前正从以下方向开始尝试:


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微生物研究

在太空特殊的环境条件下,宇航员和空间仪器设备所携带的微生物可能会发生一定的变异,科学家们想要研究微生物会发生哪些变异,以及如何防止有害变异或利用有益变异。


事实上,在2020年5月,长征五号B运载火箭和新一代载人飞船就曾将益生菌搭载至太空进行了了3天太空实验。经过太空诱变的鼠李糖乳杆菌M9的菌落形态较上天前变得更大更黏,菌株的益生特性很可能发生了一定变化。


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鼠李糖乳杆菌M9上天前(左)后(右)菌落形态变化(来源:航天生物)


对于益生菌菌株而言,在地球上的变异频率十分低,要想获得耐酸性更好、性能更优的益生菌株并非易事。随着近年来微生物疗法的兴起,以及肠道菌群在各类疾病中的重要作用不断被揭示,利用空间环境加速微生物疗法的发展具有很大的前景。


此外,中国空间站也可以在医药领域热门的肠道菌群的筛选和功能改造方面进行探索


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宇航员健康研究

聚焦宇航员的身体健康和免疫系统问题是空间医药规划的第二大方向。正如前文的安进案例,这一方向的探索(如肌肉骨骼类药物研究)不仅有望保证航天员的健康和太空探索的顺利进行,也将对地面上相关患者的药物研发提供重要帮助。


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新药研发

空间医药规划的第三个维度,也是目前非常具有挑战的任务是“新药研发”。


太空具有与地面条件差异巨大的环境,对于新药研发无疑是不可替代的新资源。如何有效利用这一难能可贵的资源,从而真正帮助在攻克地面药物研发所面临的挑战是中国空间医药规划的重点。


据了解,我国计划在今年6月运送3名航天员进入太空,他们将成为空间站“天和”核心舱的首批“入住人员”。此外中科院上海药物所提供的天然药物库验证样本也将搭乘今年9月的神舟十三号载人飞船前往核心舱。中国的太空药物研发已经拉开了帷幕……


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其他

当然,中国空间站在生命科学和生物医药领域的尝试远不止以上三个方向,生物芯片、3D打印类器官、造影剂研发、胚胎研究等方向的探索也在规划和进行中。比如,中国空间站正与拥有全球最丰富斑马鱼鱼种的中科院水生所合作,计划将药物研发的常用模式动物斑马鱼的胚胎送上太空,这对于解密疾病发病机理以及指导药物研发具有重要意义。


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无限可能的序章


我国的新药研发从曾经的落后到如今的奋起直追,正逐渐成为全球创新药研发的中坚力量,中国空间站的建成将为中国医药的发展提供新的创新载体,助力中国医药的整体创新提升,将航天技术造福人类生命健康。在太空进行药物研发的梦曾经很远,但随着中国空间站组建完成的脚步越来越近,我们即将把那片未知的领域拥入怀中。


可上九天揽月,

可下五洋捉鳖,

谈笑凯歌还。

世上无难事,

只要肯登攀。


在未来,太空与生物医药将会有怎样奇妙的协同,会迸发出怎样的强劲力量呢?对于前进的医药人来说,这是前所未有的机遇,也是无限可能的开始。


关于中国空间站太空实验的更多信息,请关注6月20日BioChina大会上航天生物副总经理吴城锦带来的主题分享。同时,航天生物在本届BioChina大会上设有展位,欢迎大家莅临垂询!


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参考资料:

[1] 天和核心舱成功升空,明年问天实验舱和梦天实验舱也将发射(来源:澎湃新闻)

[2] Astronauts have conducted nearly 3,000 science experiments aboard the ISS(来源:Nature)

[3] Reichert, P., Prosise, W., Fischmann,T.O. et al. Pembrolizumab microgravity crystallization experimentation. npjMicrogravity (2019)

[4] Published Results From Crystallization Experiments on the ISS Could Help Merck Improve Cancer Drug Delivery(来源:ISS National Laboratory)

[5] Andersen T.L., Sondergaard T.E.,Skorzynska K.E. et al. A Physical Mechanism for Coupling Bone Resorption and Formation in Adult Human Bone. The American Journal of Pathology (2009)

[6] Why Do Astronauts Lose Bone Mass InSpace?(来源:Forbes)

[7] Rodent Research Contributes to Osteoporosis Treatments(来源:NASA Spinoff)

[8] 这次,天和带了“套娃”和“太上老君的炼丹炉”上天(来源:科学大院)

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投稿时间:2021-06-16  最后更新:2021-09-01

标签:中国   太空   天和   小鼠   空间站   骨骼   结晶   蛋白   生物医药   药物   来源   指南

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