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不仅天舟一号的细胞实验箱,量子卫星和“风云四号”气象卫星的主载荷,也是他们研制的

天舟一号货运飞船,不仅承担了“快递员”的角色,还将开展包括人类胚胎干细胞、肝干细胞系、诱导型多能干细胞、小鼠胚胎干细胞和拟胚体等在内的8种细胞样品的科学实验。这些细胞在空间的“实验箱”,正是出自中科院上海技术物理研究所。

说到空间载荷,不管是“墨子号”量子卫星还是“风云四号”气象卫星的载荷研制,上海技物所一直都是自主研发所有核心技术,实现了多项突破。此次的细胞生物反应器,如何确保细胞维持活性,成为了技术上重要的难点之一。

细胞只能在36.5摄氏度正负0.5范围内存活

还记得天宫二号唯一的生命科学实验吗?正是在上海技物所研制完成的高等植物培养箱里,拟南芥和水稻完成了为期6个月的“从种子到种子”全生命周期培养实验。适合植物生长的温度一般在17到28摄氏度,水稻甚至40摄氏度下也能存活。而细胞只能在36.5摄氏度正负0.5范围内存活,娇气得很。

细胞需要养在液体里,培养液的酸碱度必须适中,保持方法是定期更换培养液。这在地面上轻而易举就可做到,细胞沉在培养器皿底部,只需倒掉旧的培养液,直接更换新的培养液即可。在空间微重力环境中,细胞(不包括贴壁细胞)悬浮在液体中,不能采用直接换液的方式,而是利用间歇式供液结合液体扩散的方式进行置换。

上海技物所通过自主研发,设计了24路相互独立的间歇式灌流培养系统,来完成15种不同类型细胞的空间贴壁贴壁或悬浮培养实验。七八十个装有培养液的储液袋,安装在特殊设计的抗振结构中,可以经受发射时的冲击和振动,方能上太空。不管是哪一种培养液,都必须保证无菌,不仅培养系统要做无菌处理,实验操作也必须在无菌环境下。

尽管内部如此精细,悬浮培养和贴壁培养两个模块,体积并不大——每个模块长约55厘米,宽19厘米,高21厘米,重量也只有8~9公斤。更让人称奇的是,不需要经过任何测量,航天工作人员只需把它放入细胞生物反应器主箱体,一推到底,拧好两颗螺丝,两个培养模块便和主箱体严丝合缝,保证主箱体内的显微(荧光)相机与培养单元的精确配准

  

左边的为悬浮培养模块,右边的为贴壁培养模块

如何让地面科研人员直接观察细胞实验

科研人员平时在实验室里若想观察细胞,通常要将装细胞的容器从培养箱中取出来,放在显微镜下即可。此次实验的细胞样品不会返回地面,只能利用细胞在轨原位显微(荧光)图像来进行观察。这些细胞的形态、尺度各不相同,尺度从几微米到几十微米不等,有的是梭状,有的是圆形。就算在地面实验室,也需调节显微镜方能看清楚不同的细胞,此次在空间的30天里,要在二维方向搜索微米级目标,如何在原位就能让身处地面的科研人员实时看到呢?

  

  

形态各异的细胞

这就要提及上海技物所自主研制的国内第一台适用于空间生命科学实验的自动搜索捕获识别显微(荧光)成像巡检系统。项目负责人张涛研究员介绍,本系统采用了特殊的自动搜索算法,对不同类型的细胞样品具有普适性。地面实验室常用的荧光激发光源功率大、发热多,不适用于资源有限的空间生命科学实验。本系统采用了高光效低功耗的发光二极管作为激发光源,通过光谱优化,实现了细胞样品荧光的有效激发,获得了细胞样品的显微荧光图像。不过,发光二极管激发的荧光信号比较微弱,为了让科研人员看得到看得清,就要在成像方法里进行补偿优化设计,增强荧光图像效果。

悬浮和贴壁培养两个模块各有24个单元,一共48个单元。为了使得每个单元的细胞都被观察到,并对每个单元的细胞单独成像,整个实验载荷里安装了6台显微(荧光)相机。在对48个单元显微成像巡检时,如果某个单元看得不清楚,可以在地面给显微(荧光)相机发指令让其再瞧一瞧。显微(荧光)相机不仅想看那个就可以看哪个,还可以调节相机参数和观察位置。有的细胞实验如果先做完,还可以在显微成像巡检时直接跳过去。

从2013年启动项目设计,上海技物所用了两年半时间,研制成功了细胞生物反应器,为空间站生命科学研究提供了新型实验模式和技术手段。

项目研制全过程中,凝聚了科研团队不懈的努力。熬夜对于他们来说,就是家常便饭,有时是技术攻关到了关键时刻,有时是因为标记在生物样品上的荧光过几天就没有了,时不我待。家里的事情,他们全然顾不上,出差更是说走就走,有时出差回到家已经夜里12点多,第二天一早又精神抖擞赶到单位。

来源:上观新闻

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