太空生物3D打印開啟腫瘤研究新范式

來源：EFL生物3D打印與生物工程

相較于傳統(tǒng)二維/三維細(xì)胞模型，在軌生物3D打印技術(shù)能更精準(zhǔn)模擬太空微重力環(huán)境下的復(fù)雜腫瘤微環(huán)境，為解析太空條件下腫瘤發(fā)生與抑制的分子調(diào)控機(jī)制提供全新路徑，有望加速地球創(chuàng)新癌癥療法的研發(fā)進(jìn)程。近日，清華大學(xué)機(jī)械工程系熊卓教授團(tuán)隊(duì)在國際權(quán)威期刊Trends in Biotechnology（影響因子14.3）發(fā)表題為On-orbit 3D bioprinting for tumor modeling in space的綜述論文，系統(tǒng)梳理太空癌癥研究的發(fā)展脈絡(luò)，深度剖析在軌生物3D打印技術(shù)的核心挑戰(zhàn)，并前瞻性探討其在腫瘤模型構(gòu)建及空間生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

清華大學(xué)機(jī)械系方永聰助理教授為論文第一作者，清華大學(xué)機(jī)械系熊卓教授和方永聰助理教授為通訊作者，博士后郝文帥為論文共同作者。

隨著人類深空探測的持續(xù)推進(jìn)，空間生物醫(yī)學(xué)研究的戰(zhàn)略價值日益凸顯。作為全球公共衛(wèi)生重大挑戰(zhàn)，癌癥在太空環(huán)境中的研究已成為國際前沿?zé)狳c(diǎn)。太空特有的微重力環(huán)境能夠顯著改變細(xì)胞物理力學(xué)特性、分子互作模式及信號傳導(dǎo)通路，不僅為解析腫瘤生物學(xué)特征提供了全新視角，更為腫瘤藥物研發(fā)與治療策略創(chuàng)新開辟了未知疆域�，F(xiàn)有研究表明，微重力可通過機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制影響癌細(xì)胞細(xì)胞因子表達(dá)及腫瘤相關(guān)基因活性，但其精準(zhǔn)調(diào)控機(jī)制仍需深入破譯。由于地面模擬微重力實(shí)驗(yàn)存在局限性，無法完全復(fù)現(xiàn)真實(shí)太空環(huán)境的復(fù)雜影響，開展在軌實(shí)驗(yàn)已成為腫瘤研究領(lǐng)域的關(guān)鍵突破方向。

圖1 腫瘤空間研究進(jìn)展

（1）空間癌癥研究進(jìn)展：    從細(xì)胞表型到機(jī)制探索
國際空間站（ISS）與美國國家航空航天局（NASA）的聯(lián)合研究揭示了微重力對癌細(xì)胞行為的多維度影響：ISS培養(yǎng)的甲狀腺癌細(xì)胞增殖速率顯著抑制，初步證實(shí)與ERK/RELA信號通路調(diào)控相關(guān)；模擬微重力（SMG）環(huán)境下的黑色素瘤細(xì)胞，其增殖與轉(zhuǎn)移能力受抑，潛在機(jī)制涉及FAK/Rho信號軸下調(diào)；患者來源的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞短暫暴露于微重力后，遷移能力與干性特征顯著增強(qiáng)。傳統(tǒng)二維培養(yǎng)模型難以模擬腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性，而三維（3D）腫瘤球體與類器官模型正成為研究主流。例如，MicroQuin公司基于ISS平臺，利用前列腺癌和乳腺癌類器官開展信號通路解析與藥物篩選，為腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)療提供了新靶點(diǎn)。值得關(guān)注的是，當(dāng)前多數(shù)腫瘤模型需在地球構(gòu)建后再送往太空，發(fā)射振動可能破壞模型結(jié)構(gòu)完整性，且地面預(yù)適應(yīng)狀態(tài)干擾太空生物效應(yīng)的準(zhǔn)確評估，因此開發(fā)在軌構(gòu)建的高仿真腫瘤模型成為關(guān)鍵前沿。

（2）在軌生物3D打印：構(gòu)建腫瘤微環(huán)境的“太空工廠”   
生物3D打印技術(shù)憑借其精準(zhǔn)組裝活細(xì)胞與生物材料的能力，在構(gòu)建復(fù)雜異質(zhì)性腫瘤模型方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。美國Techshot公司開發(fā)的3D生物制造設(shè)施已成功在ISS上實(shí)現(xiàn)心臟組織結(jié)構(gòu)的打印制造。在微重力環(huán)境下，軟組織能夠在無需外部支撐的情況下，維持結(jié)構(gòu)完整性，并構(gòu)建出復(fù)雜幾何形狀與血管化組織。同時，微重力環(huán)境允許使用低粘度生物墨水，有效促進(jìn)軟組織功能成熟。但在軌生物3D打印技術(shù)也面臨諸多挑戰(zhàn)：發(fā)射振動、通信延遲與空間輻射等因素可能影響生物墨水的可打印性與細(xì)胞活性；微重力環(huán)境下，表面張力改變生物墨水流變特性與擴(kuò)散行為，易導(dǎo)致大液滴形成與層間粘附不良。針對上述難題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出熱敏微凝膠基生物墨水，該墨水兼具良好生物相容性、可打印性、低溫長期儲存穩(wěn)定性與防漏特性；同時提出嵌入式打印策略，有效緩解空間環(huán)境中空氣-液體界面強(qiáng)表面張力效應(yīng)，為在軌生物3D打印與原位組織培養(yǎng)提供有力支持。

（3）設(shè)備自動化與智能化：應(yīng)對太空約束的“硬核創(chuàng)新”   
嚴(yán)苛的太空環(huán)境要求——有限的尺寸、重量、功率和人工干預(yù)，給在軌生物3D打印帶來了挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些限制，熊卓等人開發(fā)了一種緊湊的自動化打印設(shè)備，集成了生物3D打印、監(jiān)測和控制模塊。生物3D打印模塊能夠創(chuàng)建復(fù)雜的組織模型，支持原位培養(yǎng)以進(jìn)行太空藥物測試。監(jiān)測模塊采用雙熒光顯微鏡對腫瘤模型進(jìn)行實(shí)時、長期成像，而控制模塊則負(fù)責(zé)管理打印、成像、在軌數(shù)據(jù)分析以及向地面站的數(shù)據(jù)傳輸。人工智能（AI）的快速發(fā)展進(jìn)一步提高了這些系統(tǒng)的可靠性，基于AI的邊緣計算能夠?qū)崟r處理大量數(shù)據(jù)集。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)提高了太空成像中的自動對焦成功率，大大減少了處理時間和存儲需求。緊湊、自動化和智能化系統(tǒng)的集成對于推進(jìn)在軌生物3D打印、促進(jìn)空間生物醫(yī)學(xué)研究、藥物研發(fā)和組織再生至關(guān)重要。

（4）太空腫瘤治療前景：從機(jī)制發(fā)現(xiàn)到臨床轉(zhuǎn)化     
化療作為一種常用的癌癥治療方法，因耐藥性而面臨挑戰(zhàn)。微重力可能會影響癌細(xì)胞對化療的反應(yīng)，有望解決這一耐藥問題。例如，Andrew Ekpenyong等人利用旋轉(zhuǎn)細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)模擬微重力，證明其以藥物依賴的方式調(diào)節(jié)白血病癌細(xì)胞對化療的反應(yīng)。同樣，Julita Kulbacka等人發(fā)現(xiàn)模擬微重力導(dǎo)致化療耐藥和敏感的胃癌細(xì)胞中耐藥相關(guān)基因的表達(dá)降低，同時DNA/RNA損傷標(biāo)記物增加。此外，熊卓等人通過基于衛(wèi)星的在軌藥物測試發(fā)現(xiàn)，與地面培養(yǎng)相比，三維腫瘤模型中的肺癌細(xì)胞在太空對化療藥物的敏感性增強(qiáng)。盡管這些令人興奮的發(fā)現(xiàn)基于特定的細(xì)胞系和腫瘤類型，但它們表明微重力可能增強(qiáng)癌細(xì)胞對化療的敏感性。這些結(jié)果為癌癥治療開辟了充滿希望的新途徑，不過還需要進(jìn)一步研究以排除電離輻射等環(huán)境因素的影響。未來在空間站進(jìn)行深入研究對于揭示微重力對腫瘤化療的調(diào)控機(jī)制至關(guān)重要，有助于推動這一創(chuàng)新型癌癥治療方法在地球上的應(yīng)用。

總結(jié)與展望
在軌生物3D打印技術(shù)為腫瘤研究提供了“太空視角”，其構(gòu)建的高仿真模型將加速微重力下癌癥發(fā)生與治療響應(yīng)機(jī)制的深度解析。多模態(tài)傳感與高分辨率成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)長期原位監(jiān)測的核心支撐，而自動化、智能化系統(tǒng)的持續(xù)創(chuàng)新將推動組織工程過程的實(shí)時優(yōu)化。這項(xiàng)技術(shù)不僅有望揭示微重力抗癌的分子密碼，更將為地球個性化治療提供空間衍生策略，并為深空探測中的宇航員健康構(gòu)建可持續(xù)生物制造能力。隨著基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用的深度融合，在軌生物3D打印正成為連接太空探索與人類健康的重要橋梁，為攻克癌癥難題注入“太空科技”新動能。

參考文獻(xiàn)
Yongcong Fang*, Wenshuai Hao, Zhuo Xiong*. On-orbit 3D bioprinting for tumor modeling in space. Trends in Biotechnology, 2025.

網(wǎng)頁鏈接：https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2025.03.018

關(guān)于BRE團(tuán)隊(duì)：
Bioprinting and Regeneration Engineering（BRE）：清華大學(xué)生物制造中心生物打印與再生工程團(tuán)隊(duì)，聚焦生物制造、生物3D打印、再生醫(yī)學(xué)、組織工程等前沿領(lǐng)域，分享進(jìn)展，交流體會。