模拟变重力为水生、啮齿动物对重力变化的反应研究提供了新的解决方案

模拟变重力为水生、啮齿动物对重力变化的反应研究提供了新的解决方案

1.研究背景与方法

使用三维可控回转平台将动物暴露在不同程度的超重力下是一种有效的了解重力变化如何影响生理功能及生理功能之间的相互作用的方法。此外，这种三维可控回转平台也被广泛用于地面构建模拟的空间实验室以用于开展基于可变重力环境的实验，例如，在实验方案实施之前，进行超重力实验以证明研究的可行性。

在这个领域，欧洲航天局（ESA）自2020年起已经开始在地面实验室建立这一平台用以研究重力变化对水生动物模型（两栖动物胚胎/蝌蚪）和小鼠的影响。近年来，随着我国空间站的建立，国内科研人员对于地面模拟微重力效应表现出了更多的兴趣。在这一领域，苏州赛吉生物科技有限公司（SAGE-BIO）作为优秀的生物科技公司，于2022年推出了DARC-G通用重力环境模拟系统，随后又推出了DARC-P带培养液连续自动更新的灌流重力环境模拟系统，为国内科研人员提供了新的选择，并节约了进口设备的采购成本。该平台主要以能够模拟超重力环境的设备和模拟微重力的设备构成（主要采用了随机定位机"RPM ---Random Position Machine"，在国内，我们称为双轴回转培养系统。

2.太空环境对生命的影响

太空对地球生命来说并不是一个友好的环境，人类和动物面临着相同的压力源（例如，起飞和着陆期间的超重力、整个飞行过程中的微重力、太阳和宇宙辐射、禁闭、隔离、睡眠、昼夜节律紊乱等不利条件），这会导致如生理失调，如心血管疾病功能障碍、骨脱矿、认知过程受损、眼部问题，以及免疫能力降低^[1]。失重会导致肌肉质量、力量和功能的下降 ^[2]，并当再次返回地球后，会出现急性综合征称为心血管失调，将直立不耐受与晕厥联系起来，静息心率增加和体能下降 ^[3]。微重力已被证明会降低心率和动脉压^[4]。如何研究微重力环境下对生命、细胞、器官的影响和变化十分重要，苏州赛吉生物科技有限公司的产品不仅提供了模拟微重力效应的关键参数设置，而且使用人员能够直接按照预期的实验环境去设置，这一点非常友好，对于科研有重要作用。DARC-G和DARC-P系统的推出，标志着国内在这一领域的技术进步，为科研人员提供了更精确、更便捷的实验条件模拟。

此外，人类在太空飞行中还观察到的人类和小鼠的另一种主要损伤形式即由于骨形成和骨吸收之间的不平衡导致的骨丢失^[5-8]。这种现象对于人或动物身体结构上额负重骨骼，如股骨、胫骨和椎骨，比非负重骨骼受到的影响更大，这可能会导致骨折风险增加。骨质流失通过地面利用受控的三维回转重力模拟平台同样也可以从生长并暴露其中的斑马鱼幼虫中观察到，而当它们暴露于3g超重力环境中，可以观察到骨形成^[9,10]。

DARC通用重力环境模拟系统

3. 重力变化对前庭系统、免疫系统的影响

重力的变化同样对维持身体平衡的前庭系统也会产生影响 ^[11],通过对暴露于变化的重力环境下的动物模型研究发现，重力感知的中断可能导致一些太空运动病（面色苍白、发冷、出汗、头晕、呕吐）。在太空飞行中，通常宇航员会短暂地感受到。

一些研究表明在这种暴露于变化的重力环境下，鱼的前庭系统也会受到影响，研究发现在模拟的微重力环境下，耳石的大小和生长速度会增加 ^[12]。此外，当在轨飞行时间6个月后，人体的免疫系统也发生了失调，最近的一项研究表明大约50%的宇航员在国际空间站上呆了六个月（ISS）面临免疫问题（如感染、超敏反应）^[13]，无论是在地面模拟的变化的重力环境下还是在真实的太空飞行中，所有观察到的变化表明太空飞行诱导了生理一些关键功能的改变。所以，了解太空环境引起生理变化的机理和原因，不仅可以保护宇航员的健康并有效地完成任务中对健康体能的要求，而且在未来的深空探索，如部署月球站、登陆火星等任务中更为至关重要。在这一方面，可以使用赛吉生物科技的SARC系列旋转细胞培养系统来进行研究，特别设计使其适配多种培养容器，如通用培养皿、培养瓶以及专用的球形生物反应容器、矩阵生物反应容器等，为单样本、大容量培养和小容量、多样本的应用提供了灵活的选择。其对用户友好的操作界面和精确的转速设定，得到了越来越多实验人员的喜爱。该系统提供了直接根据微重力水平输入参数的功能，极大地方便了科研人员，提高了实验的效率和准确性。

SARC-G通用旋转细胞培养系统

4.脊椎动物模型的应用

现有数据还表明除了小鼠等常见的啮齿动物外，很多脊椎动物，如斑马鱼、蝌蚪等，也可以用于暴露于变化的重力环境的研究，为人类的监控做出贡献。这些是发育和生物医学的优秀研究模型。并且低等脊椎动物还能满足许多通过航天实验的技术要求，比如通常它们的尺寸足够小，重量也足够轻，这比老鼠更容易饲养。

5.地面模拟设施的重要性

尽管现在我国也建立了自己的空间站（天宫空间站，China Space Station即CSS），但资源仍是有限的，因为太空研究受到空间站进入、机组人员时间有限和各种因素的限制，很多实验或前期实验准备、后期实验重复验证等仍需要地面设施来完成。这些地面模拟设施允许独立地在地球上模拟空间的单一条件，比如微重力模拟，从而排除了其它复杂条件的干扰，往往能够让研究的问题更加突出。因此可以说，即使可以不受限制的进入空间站开展空间环境下的实验，但地面模拟设施如（可控三维回转设备DARC）仍然具有它的特别价值。

6.球体形状培养容器的优势

此外，通过使用一些具有特定几何结构——球体形状的培养容器，如苏州赛吉生物公司的BV球釜反应容器，能够获得更好的实验结果。根据万有引力公式：

F = G × (m1 × m2) / r^2

所以，从理论上说两个物体之间的相互作用力除与它们的质量有关外，还与它们的距离有关，而重力本身就是一种天体引力，当然这种影响显然不足以影响我们日常的实验活动。但很多研究标明，暴露于地面模拟的变化重力设施中（无论是国外的RPM 随机定位仪还是国内的DARC 重力环境模拟器），由于被研究的对象被设置的位置距离三维运动球心的距离不同还是会表现出差异。而球体形状的培养空间则可以弥补这一差异，因为球面上任意一点到达球心的距离都是一样的，即球的半径。

BV球釜反应容器

总结

近年来，随着对重力环境的改变对于生命体的影响研究不断深入，超重力的影响也被逐渐关注到，然而关于超重力的研究才刚开始。

以上是文献中披露的长期暴露于不同超重力环境下的无尾目尾蛙胚胎或蝌蚪的存活率，图（A）显示了分别暴露于2g、4g超重力环境下3周后的存活率，与1g对照组相比，实验使用的胚胎处于发育的第8阶段（受精后约5小时）。图（B）显示了在1.5或2g下发育2周后胚胎存活率，与1g对照组相比^[14]。

这些研究成果不仅为我们提供了宝贵的数据，也突显了在地面模拟超重力环境进行实验的重要性和紧迫性。在这样的研究背景下，苏州赛吉生物科技有限公司的产品新颖，如SARC-G、SARC-P和DARC-G系列，能够对标国际产品,是很好的选择。公司不仅推动了国内生物科技领域的发展，也为全球科研人员提供了高质量的实验解决方案。

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Julie Bonnefoy 1,* , Stéphanie Ghislin 1, Jérôme Beyrend 2, Florence Coste 1, Gaetano Calcagno 1,Isabelle Lartaud 2, Guillemette Gauquelin-Koch 3, Sylvain Poussier 2 and Jean-Pol Frippiat 1