为什么太空自动化是一项关键投资

干细胞是科学家工具箱中的一个重要工具。干细胞疗法已被开发用于一系列应用，从生长新的心肌细胞和替换心脏病发作时受损的心肌细胞，到加速受伤运动员的康复。但是，干细胞研究的最大挑战之一——以及扩大它们的临床适用性——是控制它们何时分化。

当然，完全停止分化是不好的——例如，不能分化成骨细胞以产生新的骨量的细胞就不是很有用。然而，确定研究人员可以更好地控制分化的因素，可能被证明是设计更好的干细胞治疗骨质疏松症、伤口和肌肉愈合、心肌修复和再生的关键。

这种能力已经存在，但遗憾的是，绝大多数能够最大程度利用它的研究人员和组织——比如生物制药公司——并没有意识到它比他们想象的更接近:他们只需要去太空旅行。

未来的太空科学，以及今天的地球科学

研究表明，在微重力状态下，肌肉细胞萎缩，免疫细胞结构和激活受到损害，而胚胎干细胞对干细胞研究至关重要，由于一种名为P21的细胞周期抑制剂上调，胚胎干细胞不会分化，而是保持“干细胞”状态。这一现象最早是由伊丽莎白Blaber和爱德华多·阿尔梅达他们是世界上为数不多的研究微重力条件下干细胞分化的科学家之一。

他们的研究结果是诱人的，微重力研究员兼首席科学家卡尔·卡拉瑟斯博士说NanoRacks这家总部位于休斯顿的公司专注于在太空建立科学的未来．通过帮助解开细胞分化的分子过程,Blaber和阿尔梅达精英的一部分,一些识别因素,不仅可以帮助支持人类健康和长寿微重力(想想延长停留在国际空间站或火星上的生命),而且还提高干细胞疗法在地球上。

磁性载体(GEM)珠上的诱导多能干细胞衍生心肌细胞(细胞动力学)。图片来源:Eduardo Almeida

那么，为什么在微重力条件下的干细胞研究结果相对来说是未知的呢?为什么没有人利用真正的金矿?根据卡拉瑟斯的说法，这归结为两个主要问题:微重力研究的科学成果仍然太慢，在NASA之外，用于微重力研究的投资几乎不存在。

自动化:在地球上被认为是理所当然的，但在太空中却迫切需要

对大多数科学家来说，在六个微板上进行细胞生长实验，然后进行RT-PCR来评估基因表达，或者提取DNA进行测序，这些都是日常工作。但有句老话说得好:“直到失去了，你才知道你拥有了什么。”

像卡拉瑟斯这样试图在微重力环境下进行科学实验的研究人员意识到，在太空中，大多数地面上的研究人员都毫不犹豫地缺乏一种东西:自动化。从液体处理机器人到高容量平板读取器，自动化仪器极大地提高了世界各地实验室的科学研究速度和数量。由于微重力研究缺乏这些关键工具，国际空间站(ISS)更像是一个时间胶囊:实验的速度就像在20世纪70年代的地球实验室里做科学。

这在很大程度上是由于宇航员繁忙的日程安排，以及需要飞往国际空间站的不同想法的数量之多——有很多伟大的想法，但有时这些想法都是一次性的。科学家们通常期望在地球上的实验室中使用自动化实验室设备，但很难对这些设备进行初始投资。

正因为如此，大多数在微重力环境下进行的科学实验都必须使用国际空间站宇航员特制的、永不再使用的设备。即使是阿尔梅达和布拉伯在近十年前完成的革命性的干细胞研究，也是用退役的硬件完成的。阿尔梅达说:“这种硬件不再能飞了，它是航天飞机独有的。”自那以后，阿尔梅达帮助美国宇航局开发了一种新的细胞培养系统，以将有效载荷送回太空。他说:“在航天飞机发射后，我们花了近十年时间才让PIs再次在生物培养系统上飞行。”

携带爱德华多·阿尔梅达的干细胞实验的STS-131飞行后，航天飞机时代的退役细胞培养单元CCU。样品在这个盒子里在航天飞机着陆后硬件马上被打开。图片来源:Eduardo Almeida。

近年来，国际空间站引进了更强大的设备，如美国宇航局改进的生物培养系统，牛津纳米孔测序仪，以及NanoRacks的立方体卫星纳米实验室和微重力优化的反应器微板在美国，移液等活动仍然是手工完成的，这对工作人员来说是一个冗长而耗时的过程，他们的时间被精心安排，并被分配到不同的任务中。

阿尔梅达说:“很多都是非常基础的。”“一个细胞生物学家看到它会扭曲他或她的鼻子。这对于实验来说并不理想。在太空做实验有很多限制，我们认为这些是理所当然的，在地球上是例行公事，....仅仅是让后勤和所有硬件工作都是非常困难的——所以(太空)进展是缓慢的——但尽管如此，我们在太空细胞生物学研究方面取得了进展。”

NanoRacks对于如何改变这一现状有很多想法，而这一切都归结为自动化。卡拉瑟斯指出潮湿的实验室它为研究人员提供了基础设施，他们可以发送样本，通过一个基于网络的系统在线选择一种分析方法，从他们的笔记本电脑上监控实验，然后在实验结束时收到样本。在地面实验室中，这样的不干涉式基础设施正变得越来越普遍，因此成本也越来越低。卡拉瑟斯说:“我希望在空间站上看到这种自动化。”这正是NanoRacks计划推动国际空间站商业实验室发展的方向。

机器人:地球上和地球外自动化的未来

这样的场景很可能在很大程度上通过机器人实现，机器人极大地提高了科学实验的吞吐量:DAMP实验室的很大一部分过程依赖于Opentrons OT-2机器人为例。然而，机器人并不完美，如何在国际空间站或其他太空实验室中使用它们将是一个挑战。

“这是一个学习曲线——没有人知道流体处理机器人在空间站上是否能有效工作，”卡拉瑟斯说，“也没有人知道我们要给机器人什么适应，如果有的话，让它们在微重力下精确工作。”

但卡拉瑟斯看到宇航员在微重力条件下用手移液相对容易，因此他认为优化设备并使其在微重力条件下工作不是一个不可克服的问题。事实上，NanoRacks已经与奥利机器人(之前名为BlueHaptic)，该公司开发了用于水下无人机的遥控机器人操作软件在石油钻塔附近使用。为了过渡到太空飞行市场，Olis一直在与NanoRacks密切合作，研究如何将他们的软件应用到NanoRacks正在为国际空间站和他们自己的下一代商业太空实验室开发的设备和系统上。

在未来的微重力研究实验室中，实验可能由地面指挥中心遥控机器人进行，数据将实时传回研究人员。图片来源:NanoRacks

NanoRacks公司商务总监Adrian Mangiuca表示，他们的目标是使用远程机器人操作，“从方程式中去除宇航员的成本，并能够从指挥中心在近地轨道上操作有效载荷。”削减人力成本的最大方法之一是使用遥控机器人操作来处理转换点，比如当盘子从液体处理器移到读数器上时。正是这种愿景——遥控机器人操作接管微重力研究——是NanoRacks的近地轨道商业化研究的重点之一，该研究于去年12月交付给了NASA。

商业化和私有化:微重力研究的燃料

近地轨道商业化研究(LEOCOM)是一项为期4个月的研究，旨在研究国际空间站和其他地方的近地轨道商业市场的未来。在这项研究中，NanoRacks聘请了一个由13个伙伴组成的团队(包括Olis Robotics)——这在他们的行业中是前所未有的——提出了“前哨站”(Outpost)，一种“轨道上的商业空间站栖息地开发，使美国在近地轨道上的存在具有成本效益和可持续发展”。

“我们需要所有这些合作伙伴，因为他们代表了我们想象中的完整服务生态系统，我们需要在一个广阔的、商业采购的近地轨道平台上有一个成功的市场，”该研究的首席研究员Mangiuca说。“(他们)代表硬件供应商、服务提供商和商业用户。我们(大部分)关注的是，我们目前从这些平台看到了什么样的市场，以及它们需要具备什么样的商业可行性。自动化……是我们考虑的重要因素。”

LEOCOM的一个重要建议是该部门需要私人资金。今天大多数太空研究都是由NASA资助的。这本身是一件积极的事情，但这些资金不可能解决真正发射太空科学的所有需求。相反，来自可能从微重力研究中受益的部门(如生物制药部门)的资金，将对将微重力研究从上世纪70年代的实验室转移到完全自动化、最先进的设施至关重要。

让投资者参与进来

阻碍私人投资的一个主要问题是人们没有意识到已经存在的能力。他们不知道那些真正令人印象深刻的研究是用笨拙、缓慢的系统完成的——这些研究可以被利用，可以推动医疗保健向前发展，比如Blaber的干细胞研究。

投资者和公司更难理解这种商业模式。不像助推有效载荷交付的火箭发射器，太空自动化的投资回报率并不明显。卡拉瑟斯说:“科学不像工程学那样凭直觉。”这就是为什么“PowerPoint火箭”在紧要关头很容易得到辩护和资金支持的原因——尤其是在一个由SpaceX的成功和蓝色起源的承诺主导的领域。

国际空间站上的宇航员所经历的微重力会导致骨骼和肌肉的流失。预防或保护药物的研究不仅可以帮助国际空间站的宇航员，还可以帮助地球上患有骨质疏松症或其他肌肉骨骼疾病的人。图片来源:美国国家航空航天局(公共领域)．

然而，一些主要的生物制药公司已经跟上了潮流。保罗Reichert自1993年以来，默克公司的结构化学副首席科学家一直在微重力下为默克公司晶体蛋白质。因为在微重力环境下生长的蛋白质晶体会变得更大、更纯，它们可以用来研究如何改善结构脆弱的药物的存储，并改善药物的输送。事实上，默克公司的药物Keytruda在微重力条件下进行优化。制药公司诺华(Novartis)和礼来(Eli Lilly)也投资了微重力研究，安进(Amgen)的骨质疏松药物Prolia也投资了在航天飞机上的老鼠身上进行了测试在FDA批准之前。

默克(Merck)、诺华(Novartis)、礼来(Eli Lilly)和安进(Amgen)等更多私人投资，对于帮助NanoRacks及其商业合作伙伴实现太空科学自动化至关重要。当这一切发生时，我们将见证微重力研究领域的一个激动人心的转变，也将见证人类医疗保健领域的一个令人振奋的转变，这一转变将一直延续到我们的骨骼。

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