用于航天医学研究的骨骼扫描仪促进医疗研究进步

用于航天医学研究的骨骼扫描仪促进医疗研究进步

Space-Based Bone Scanner Expands Medical Research

长达数月的失重环境会对肌肉和骨骼产生怎样的影响呢？这是美国国家航空航天局（NASA）的研究人员重点关注的研究课题之一，这些研究成果也可为地球上的医疗保健领域开辟新的思路。但是，在国际空间站（ISS）上，科学研究的空间是非常宝贵的。其中要安装非常先进的仪器设备以帮助地面上的研究人员与轨道实验室进行连接，开展研究工作。对于骨密度的研究来说，NASA希望研发一种不会使宇航员暴露在有害辐射下的扫描仪。

国际空间站在地球表面上空大约400km的轨道上运行，其上的许多研究硬件已在轨运行了几年甚至几十年，已经越来越陈旧，不能满足目前科学研究的需求。隶属于约翰逊航天中心的国际空间站美国国家实验室办公室的Mike Read说：“这可能有点难以接受，但却是现实。”1996年国际空间站在轨装配前不久，Mike Read曾是国际空间站有效载荷办公室的一员。2012年国际空间站的设备需要更新的时候，他又回到了这一办公室。他说：“我们一直在做的事情就是，提高我们模拟地面实验室中设备的能力，以提高空间研究能力。”

对于NASA的潜在商业伙伴来说，需要注意的是新装配到国际空间站的设备既要与地面上使用的设备相似，以方便对比测试结果，也要保证将其发射到太空中的花费是值得的。为了更好地升级国际空间站的研究设备，NASA向美国太空先进科学中心（CASIS）寻求帮助，以帮助他们获得用于太空研究的更新、更先进的设备。

自2011年以来，CASIS作为国际空间站美国国家实验室（国际空间站上隶属于美国的研究设施）的管理者，开始为国际空间站寻找商业客户。CASIS基于商业建议对项目进行筛选，并在300万美元的预算内提供资助，同时，其还为其客户和其他投资者牵线搭桥。

为了获得能够在失重条件下研究骨骼健康的设备，特别是能够扫描小白鼠等小动物身体的设备，CASIS与位于美国印第安纳州格林威尔镇的Techshot公司取得了联系。CASIS的高级研究员Mike Robert说：“Techshot公司与NASA的合作已有超过25年的历史。自2011年以来，Techshot公司一直与CASIS合作，致力于设计开发用于空间研究的新工具和新设备，以支撑国际空间站美国国家实验室有关生命科学研究有效载荷的研究。”

Techshot公司在一项小企业创新研究（SBIR）计划合同的支持下，计划以已有的骨密度测试方法——双能X射线骨密度仪（DXA）为基础，开发在太空中应用的骨密度测量仪。利用NASA和CASIS提供的资助，Techshot公司经过18个月的努力，成功开发出了可用于国际空间站的DXA设备。

▲ Techshot公司为国际空间站应用开发的骨骼扫描仪

Techshot公司基于生物医学研究人员广泛用于为啮齿目动物进行X射线扫描的设备——GE Lunar PIXImus X射线密度仪，进行了适应性改进，使其更小、更轻，以满足国际空间站中载荷箱的空间和形状要求，并保证使用相同的软件、操作系统和显示设备，以使地面研究人员能够对比在国际空间站上和在地球上获得的扫描结果。

为防止辐射对宇航员造成伤害，Techshot公司为新的骨骼扫描仪配备了铅屏蔽罩和开关，使设备只有被固定到国际空间站的指定载荷箱中才会启动。Techshot公司负责企业发展的副总裁Rich Boling说：“即使出现差错，宇航员也不会受到该设备辐射的严重危害。在国际空间站中，宇航员吃两根香蕉所遭受的X射线辐射都比接触该设备多。在此之前，我甚至不知道香蕉中含有辐射。”

2015年4月，一台骨骼扫描仪成功进入国际空间站启动运行，研究人员首次实时观察到了试验动物在太空中的肌肉组织和骨密度变化，这对于关注肌肉和骨骼疾病治疗的生物学家和制药公司来说具有重要意义。Techshot公司和CASIS迅速确定Novartis公司作为使用该骨骼扫描设备的首个客户。作为Techshot公司和NASA、CASIS合同的一部分，Techshot公司负责维护设备，引进商业客户，而国际空间站的宇航员负责开展科学研究。Novartis公司是一家制药巨头，总部位于美国马萨诸塞州剑桥市。该公司希望利用基因改良的啮齿类动物来研究肌肉萎缩症。这些啮齿类动物与肌肉蛋白降解有关的无名指肌肉的1号基因的作用被预先压制了。

Novartis公司肌肉研究组的研究人员Sam Cadena说：“Novartis公司非常高兴能够在国际空间站上开展研究，因为国际空间站为肌肉萎缩研究提供了‘独特的模型’。在地球上，能够模拟肌肉萎缩的唯一方式是自然老化，这需要花费很长的时间。而国际空间站上的失重环境能够加速老化，很短的时间即可提供研究肌肉萎缩的模型。”

Novartis公司计划在国际空间站上开展两次研究实验，每次实验均采用两组共十几只小白鼠，其中一组置于地面上，生活在肯尼迪航天中心的一种新设施中，而另一组生活在国际空间站的微重力环境中。每组中大约一半为基因改良的小白鼠，另一半为正常的小白鼠，45天后，Novartis公司的研究人员对每组小白鼠肌肉的差异进行比较。在研究中，宇航员将小白鼠暴露在X射线下3min，并将扫描结果近实时地传送到Techshot公司的载荷运行中心，以方便地面研究人员开展研究。第二次实验原计划在2015年秋季开展，但由于SpaceX公司“猎鹰-9”火箭2015年初发射失败而推迟。

Rich Boling自豪地说：“现在，该骨骼扫描仪被称为Bone D，已成为国际空间站EXPRESS Rack7载荷箱上的常驻仪器。虽然目前其仅在啮齿类动物的研究中进行了应用，但将来，其很可能会被用于其它生物的扫描。”

NASA对国际空间站上硬件能力的提升表示高兴。Mike Read说：“我们将国际空间站上宇航员的研究时间分配了一大部分开展对啮齿类动物的研究，Bone D是其中的重要部分。这是以前国际空间站并不具备的研究能力，我们希望能够丰富太空研究，而Techshot公司为我们提供了支撑。”其他公司也正在就国际空间站中骨骼扫描仪的使用时间与CASIS及Techshot公司进行协商，而Techshot公司对于能够参与未来地球和太空的研究感到非常高兴。Rich Boling说：“作为一家仅拥有30名员工的企业，我们感到非常兴奋。骨骼扫描仪现已成为我们的旗舰产品。我们对于未来的发展，以及与NASA的合作可以为像Techshot公司一样的小企业带来利益感到兴奋。” (唐 甜)

▲ 研究人员在Techshot公司的有效载荷操作控制中心近实时地下载Bone D获得的数据