在空间和地球上微重力细胞培养

一百年前,悬滴法是微生物学常用的,用这种方法,罗伯特·科赫能够**次看到显微镜下培养的炭疽杆菌和活埃博拉病毒霍乱弧菌在埃及的污染水域。 该方法很简单:只需将一滴含有微生物的水放在显微镜载玻片的表面上,并用快速手转将其倒转,使水滴从载玻片上悬浮,由表面张力维持。 在水滴内,微生物自由移动并且可以用光学显微镜观察。 水滴内的微生物被限制在水滴中,不能穿过水 - 空气界面,因此不能接触表面而附着。 相同的原则,今天使用创建微观3D细胞聚集。 

大约在同一时间,大约1880年,儒勒·凡尔纳出版了一个讽刺小说“从地球到月球”,关于人类在空间飞行,在炮弹壳内到达地球的卫星的可能性。 但是,只有大约一百年后,人类在月球上行走,由火箭和推进装置的复杂组合运输。 

早在1961年,美国科学家对研究太空飞行对细胞生物学的影响感兴趣,并在Discoverer卫星XXIX和XXX(1)(2)中进行器官和细胞培养实验。 两个基本的物理因素是本研究的目标:重力和电磁辐射对活生物体的影响,从单细胞到胚胎发育和到成熟的复杂生物体。

从1966年到1969年,NASA推出了“生物卫星”作为研究计划的一部分,以评估航天,特别是微重力对生命过程的影响,研究基本的细胞生物化学,细胞和组织的生长结构,生长和植物和动物的形式。 类似地,一个国际科学家组织与Cosmos 1129进行的另一个生物空间研究计划提供了关于干细胞和生物发育行为的重要数据,通过用胡萝卜胚胎证实微重力中培养的干细胞可以产生胚胎和体细胞胚,并且空间低重力环境可以支持已经组织的体细胞胚的正常生长,产生完全发育的苗(3)。 
从所有这些早期实验获得**少两个基本结论:A)细胞寿命和一般结构不是重力依赖性的。 B)胚发生也是重力无关的

在20世纪80年代的航天飞行任务期间,NASA生命科学部门对微重力对细胞行为的影响进行了研究。 这项研究的主要目的是分析对生物的失重状态的影响,因为在轨道这是正常的环境。 不幸的是,由于在货物的预发射载荷和轨道飞行阶段之间,细胞不处于微重力条件下的事实,结果是不确定的。 在这些实验之后,科学家意识到这种在空间飞行器上进行的研究是有限的,但它可以在地球上用特殊技术模拟。 不久,重力归/令人不安的仪器,如回转器,随机定位机(RPM),自由落体机(FFM)和抛物线飞行飞机被开发(http://www.descsite.nl/RPM_Frames.htm )。 

NASA工程师开发了在地球上提供“模拟微重力”的旋转壁容器(RWV)生物反应器。 装置的旋转运动抵抗重力以将细胞保持在“模拟微重力”环境中。 在这些条件下,在旋转壁血管内生长的细胞聚集在一起形成与3D组织结构相当的3D多细胞结构或团块,如果不同的细胞类型一起培养,甚**更多(7)。 该装置在1993年工业生产,并且因为许多人已经对用RWV获得的3D培养物进行了重要研究。 
很快研究不是专门集中在微重力或g力减少,重力矢量方向和超重力也是重力作为重力的增量重要。 

大多数这些培养实验是在半固体(凝胶)培养基中开发的; 然而,具有液体水基介质的生物反应器在微重力方面显示出另外的问题,介质在任何内壁表面上扩散,生活在空气的中心气泡中,或者介质从壁移除而形成大的中心液滴,到没有介质的烧瓶的内表面。 此外,在微重力条件下,烧瓶中气体和液相之间的气体扩散不稳定。 

在1997年大肠杆菌巴贝拉-纪莲博士开发的**个细胞培养装置没有内部气相,所述的OptiCell的基础上,使用呼吸膜(的控制的气体扩散膜 )(4)这些装置避免所提到的空间的细胞培养的问题,并被NASA迅速采用,并且仍然用于许多空间生物实验(5)(6)。

从1993年到1996年,科学家与瑞典空间局合作,在空间研究了重力对非洲爪蟾早期发育的作用,表明在受精期间短时间的微重力和开始的几分钟的发展导致异常的轴形成。 在抛物线飞行火箭内添加特殊的离心机可以区分飞行扰动和实际微重力的影响,显示在微重力中受精的卵产生了囊胚的形态变化,但是这些胚胎恢复并恢复了地球的正常发育(8) 。 这些结果表明,需要更长的微重力才能真正地揭示对发展过程的影响。

在20世纪90年代中期,哥伦比亚航天局进行了多次生物实验,包括细胞培养,其中大多数在地球上制备,但在船员控制下在太空飞船上发育。 由于这些实验所需的专门技能和船员的任务超载,仪器被开发以自动执行大多数任务,并从地球控制,如用于卵子受精的柱塞盒(9),用于免疫细胞的通用细胞激活试剂盒1和2微重力环境(10)和骨髓细胞成熟研究(11)。 

1998年11月,美国航天局与俄罗斯空间计划合作启动国际空间站(ISS)的装配,仅仅五年后,轨道实验室开始真正的科学操作,包括细胞生物学研究,开辟轨道环境研究的有前途的未来12)。

在2008年初,欧洲哥伦布实验室组装到携带Biolab模块的ISS,其设计用于支持生物实验,包括失重在细胞和组织培养中从单细胞到复杂细胞结构的作用。 基于这些机会,正在开发用于小卵孵化,植物培养或支持昆虫物种的特定硬件。

**近,为了扩大研究机会和能力,已经整合了细胞培养单位,以及用于啮齿动物的**动物栖息地,用于支持小鱼和水生标本的水生设施,用于植物培育的植物研究单位和专用蛋发育生物学研究孵化器。 主机系统如2.5米离心机转子,用于g和可选g水平之间的直接比较,生命科学手套箱用于包含的操作,以及Habitat保持架,其将提供电力,通信链路和对栖息地的冷却。 栖息地将为各种研究生物提供食物,水,光,空气和废物管理以及湿度和温度控制。 常见的实验室设备如显微镜,低温冷冻器,辐射剂量计和质量测量装置也可以由ISS或地球上的船员操作,科​​学家将能够发送命令到实验室设备和监测环境和特定栖息地内的实验参数(12,13,14,15)
petaka微重力
 
由于这些实验室已经到位,已经开发和验证了许多“地球”仪器来模拟地球的空间条件,扩大研究情景以及这些特殊条件应用于医药和工业的可能性。 空间实验设置的主要属性是g力接近零; 因此使用离心机允许增加和重定向g载体,使细胞培养物在强度和方向上暴露于不同的g力。 这些领域的研究带来了关于免疫系统细胞行为在微重力环境结合定向向量力(12)使用远程控制细胞培养生物反应器(Techshot,多标本可变重力平台)的重要数据。 也已经在组织工程中模拟微重力的可能应用中的重要发现(17)。 自由落体技术已经实施了PetakaG3缺氧minichamber,以产生微重力像3D细胞聚集在地球上。

癌症生物学家在空间微重力环境下进行的实验不频繁。 然而,微重力提供物理条件,可用于研究控制细胞生长和功能(18),改变与癌症研究(19)相关的生物过程包括内皮细胞改变(20)和免疫解除管制(21)的机制和途径。 
模拟的微重力提供3D文化,关闭了一个技术圈,开始与简单,但有效的悬滴法,现在再次以不同的模式和解决方案,如细胞附着损伤方法和微重力技术的方式。
 
空间研究介绍了在轨道飞行和ISS之前无法想象的细胞生物学数据,甚**具有启发小说家的想象力和创造力,如Jules Verne。 但是,不仅如此,像许多其他领域一样,空间飞行已经刺激了新技术和在任何实验室中在地球上使用的高科技仪器的发展,再现轨道飞行器的环境,因此可以在验证之前执行实验在空间。 

一百多年前,实验胚胎学显示一个卵通过细胞分裂成为囊胚。 这个囊胚由许多细胞(卵裂球)制成,只要它们保持在一起并且健康将形成复杂和**的生物体。 然而,如果一个卵裂球死亡,则只要死细胞仍然附着在健康的细胞上,那么相邻者就不能再生正常的身体。 然而,汉斯·德里施在1892年能够证明每个分离的卵裂球具有开发一个完整的动物的能力。 每个单独的卵裂球所遵循的发展步骤是相同的​​,总是增加彼此邻接的细胞的数量,指导邻居的命运。 所以分化是一个离心和随机的过程,它不与今天的3D文化,这是简单的方便的聚合细胞没有一个继承的组织程序。