MicroAge 任务：支持组织工程骨骼肌的定制培养系统的实验设计与硬件

为什么太空有助于我们理解肌肉无力

随着年龄增长，我们的肌肉会逐渐萎缩和变弱，使日常活动更困难，并增加跌倒与虚弱的风险。宇航员在失重环境中仅数周就会出现类似的肌肉丧失。MicroAge 任务将国际空间站（ISS）变成了一个实验室，使用微型体外培养的人类肌肉和定制硬件来研究这种快速的肌肉流失。通过了解肌肉在太空中如何异常表现，研究团队希望揭示新的方法，以便既能帮助宇航员，也能帮助地球上的老年人保持肌肉力量。

太空肌肉作为快进键

在轨道上，通常的重力牵引消失，肌肉不再需要像在地球上一样费力地支撑身体。即便有严格的日常锻炼，宇航员在几周内仍会失去 3–10% 的肌肉体积，长期任务中损失更甚。这种模式与地球上的年龄相关肌肉衰退惊人地相似，只是进程被放大加速。MicroAge 的目标是检验两种情形下是否存在相同的生物学基础，重点研究肌肉细胞对收缩以及那些通常帮助其适应并保持强健的化学信号的反应。

构建微型人类肌肉

团队没有研究动物肌肉或培养皿中的二维细胞层，而是工程化了三维的人类肌肉“条”。他们从已充分表征的人肌细胞系开始，将细胞混入由纤维蛋白和其他天然材料制成的柔软凝胶中，并将混合物倒入定制的 3D 打印塑料支架中。大约 12 天内，细胞在凝胶和彼此之间牵拉，形成沿向排列、绳索状的肌肉束，拉伸在固定的锚点之间，极为接近真实肌纤维的结构。精细的显微染色确认这些细胞已组织成成熟的条纹状肌组织，具备收缩能力。

用于在轨肌肉的智能硬件

为了在太空中维持这些脆弱构建体的生命，研究人员与工程师合作设计了一种紧凑的培养系统，可安放在欧洲航天局的 Kubik 孵育器内。每个实验单元包含一个用于放置肌肉支架的培养室、用于刷新营养物的微型泵与管路，以及一个两部分的液体储存器，分别保存新鲜培养基和用于后续分析的固定液。一层薄薄的气体可渗透膜允许氧气和其他气体进出，同时保持液体隔离。团队仔细选择了既生物相容又能承受发射条件的材料，并验证了在微重力下使用柔性膜推动液体朝出口方向移动并在相对侧收集已用培养液时，流体可以可靠地被泵送。

让肌肉“运动”并测量其用力

单靠在太空中漂浮不足以揭示肌肉的行为；它们还需要“锻炼”。构室内内嵌的铂电极提供短促的电脉冲列，促使肌肉条以受控模式收缩。由于在有限空间内安装力传感器或摄像头不切实际，团队采用了巧妙的替代方法：监测电阻抗，随着收缩组织的形状和内部结构变化，阻抗会发生变化。通过比较刺激期间及刺激后空支架、死亡组织与活体构件的阻抗，研究人员证明收缩肌肉在低频段产生了独特的签名，证明该系统能够在无活动部件的情况下检测功能性活动。

从火箭到空间站保持细胞存活

另一个主要挑战是从地面发射到在轨孵育器安装之间的时间段，此期间无法进行主动加热、制冷或受控二氧化碳环境。团队使用平铺的肌肉细胞层筛选了不同的“非依赖 CO₂”培养基和储存温度。他们发现一种名为 Leibovitz L-15 的培养基最能维持细胞存活，该培养基依赖特殊盐类和糖类而非溶解 CO₂ 来维持 pH 稳定。令人意外的是，将培养物以略低的 30 °C 存放、并在五天内不更换培养基，能使其健康状况至少不逊于标准 37 °C 且需定期补养的条件。这种策略降低了代谢需求与废物堆积，为发射和对接期间争取了宝贵时间。

这项工作对地球与太空生活的意义

MicroAge 任务主要报告了团队如何构建和测试这一定制培养系统，而最终的生物学结果将会在后续论文中公布。不过，这项工作表明可以培养出逼真的人类肌肉组织，将其送入轨道，对其施加收缩刺激，并使用紧凑的半自动化硬件监测其行为。这为研究基因、类似锻炼的刺激和人工重力如何在太空中保护肌肉打开了大门，也使人们可以利用微重力作为肌肉衰老的加速模型。最终，来自这些轨道微型肌肉的见解可能会指导新的疗法和训练策略，帮助地球上的人们在变老过程中维持力量、独立性与生活质量。

引用: Jones, S.W., Shigdar, S., Temple, J. et al. MicroAge mission: experimental design and hardware for a bespoke culture system supporting tissue-engineered skeletal muscle. npj Microgravity 12, 29 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00579-z

关键词: 微重力, 骨骼肌, 组织工程, 航天生物学, 肌肉衰老