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/三維細胞模型，在軌生物3D打印技術能更精準模擬太空微重力環(huán)境下的復雜腫瘤微環(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)進程。近日，清華大學機械工程系熊卓教授團隊在國際權威期刊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，深度剖析在軌生物3D打印技術的核心挑戰(zhàn)，并前瞻性探討其在腫瘤模型構建及空間生物醫(yī)學領域的應用潛力。

清華大學機械系方永聰助理教授為論文第一作者，清華大學機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，空間生物醫(yī)學研究的戰(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熱點。太空特有的微重力環(huán)境能夠顯著改變細胞物理力學特性、分子互作模式及信號傳導通路，不僅為解析腫瘤生物學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。現(xiàn)有研究表明，微重力可通過機械轉導機制影響癌細胞細胞因子表達及腫瘤相關基因活性，但其精準調(diào)控機制仍需深入破譯。由于地面模擬微重力實驗存在局限性，無法完全復現(xiàn)真實太空環(huán)境的復雜影響，開展在軌實驗已成為腫瘤研究領域的關鍵突破方向。

圖1 腫瘤空間研究進展

（1）空間癌癥研究進展：    從細胞表型到機制探索
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胞行為的多維度影響：ISS培養(yǎng)的甲狀腺癌細胞增殖速率顯著抑制，初步證實與ERK/RELA信號通路調(diào)控相關；模擬微重力（SMG）環(huán)境下的黑色素瘤細胞，其增殖與轉移能力受抑，潛在機制涉及FAK/Rho信號軸下調(diào)；患者來源的膠質(zhì)母細胞瘤干細胞短暫暴露于微重力后，遷移能力與干性特征顯著增強。傳統(tǒng)二維培養(yǎng)模型難以模擬腫瘤微環(huán)境的復雜性，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，為腫瘤精準醫(yī)療提供了新靶點。值得關注的是，當前多數(shù)腫瘤模型需在地球構建后再送往太空，發(fā)射振動可能破壞模型結構完整性，且地面預適應狀態(tài)干擾太空生物效應的準確評估，因此開發(fā)在軌構建的高仿真腫瘤模型成為關鍵前沿。

（2）在軌生物3D打印：構建腫瘤微環(huán)境的“太空工廠”   
生物3D打印技術憑借其精準組裝活細胞與生物材料的能力，在構建復雜異質(zhì)性腫瘤模型方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。美國Techshot公司開發(fā)的3D生物制造設施已成功在ISS上實現(xiàn)心臟組織結構的打印制造。在微重力環(huán)境下，軟組織能夠在無需外部支撐的情況下，維持結構完整性，并構建出復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，有效促進軟組織功能成熟。但在軌生物3D打印技術也面臨諸多挑戰(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散行為，易導致大液滴形成與層間粘附不良。針對上述難題，研究團隊開發(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-液體界面強表面張力效應，為在軌生物3D打印與原位組織培養(yǎng)提供有力支持。

（3）設備自動化與智能化：應對太空約束的“硬核創(chuàng)新”   
嚴苛的太空環(huán)境要求——有限的尺寸、重量、功率和人工干預，給在軌生物3D打印帶來了挑戰(zhàn)。為了應對這些限制，熊卓等人開發(fā)了一種緊湊的自動化打印設備，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)建復雜的組織模型，支持原位培養(yǎng)以進行太空藥物測試。監(jiān)測模塊采用雙熒光顯微鏡對腫瘤模型進行實時、長期成像，而控制模塊則負責管理打印、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，機器學習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)的集成對于推進在軌生物3D打印、促進空間生物醫(yī)學研究、藥物研發(fā)和組織再生至關重要。

（4）太空腫瘤治療前景：從機制發(fā)現(xiàn)到臨床轉化     
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胞對化療的反應，有望解決這一耐藥問題。例如，Andrew Ekpenyong等人利用旋轉細胞培養(yǎng)系統(tǒng)模擬微重力，證明其以藥物依賴的方式調(diào)節(jié)白血病癌細胞對化療的反應。同樣，Julita Kulbacka等人發(fā)現(xiàn)模擬微重力導致化療耐藥和敏感的胃癌細胞中耐藥相關基因的表達降低，同時DNA/RNA損傷標記物增加。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胞在太空對化療藥物的敏感性增強。盡管這些令人興奮的發(fā)現(xiàn)基于特定的細胞系和腫瘤類型，但它們表明微重力可能增強癌細胞對化療的敏感性。這些結果為癌癥治療開辟了充滿希望的新途徑，不過還需要進一步研究以排除電離輻射等環(huán)境因素的影響。未來在空間站進行深入研究對于揭示微重力對腫瘤化療的調(diào)控機制至關重要，有助于推動這一創(chuàng)新型癌癥治療方法在地球上的應用。

總結與展望
在軌生物3D打印技術為腫瘤研究提供了“太空視角”，其構建的高仿真模型將加速微重力下癌癥發(fā)生與治療響應機制的深度解析。多模態(tài)傳感與高分辨率成像技術是實現(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時優(yōu)化。這項技術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建可持續(xù)生物制造能力。隨著基礎研究與臨床應用的深度融合，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
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

關于BRE團隊：
Bioprinting and Regeneration Engineering（BRE）：清華大學生物制造中心生物打印與再生工程團隊，聚焦生物制造、生物3D打印、再生醫(yī)學、組織工程等前沿領域，分享進展，交流體會。