2023年12月25日，清华大学张婷课题组在《Advanced Materials》（IF=29.4）杂志上发表了题为《Satellite-Based On-Orbit Printing of 3D Tumor Models》的长篇研究论文，本研究中，作者开发了一种结构强度高、体积小、重量轻(小于6kg)的新型卫星3D生物打印设备。并开发了一种基于微凝胶的双相热敏生物墨水和悬浮培养基质，支持复杂肿瘤模型的在轨打印和原位培养。同时还开发了一种智能控制算法，可以自动控制3D打印、自动对焦、荧光成像和数据传输回地面。利用这些技术，首次通过卫星在太空中以稳定的形态和适度的生存能力实现肿瘤模型的3D在轨打印。通过一系列肿瘤模型实验发现，3D肿瘤模型在太空中比在地球上对抗肿瘤药物更敏感。这项研究为太空3D生物打印开辟了一条新途径，并为未来太空生命科学和医学研究提供了新的可能性。

值得注意的是本研究中在使用了汉恒生物的慢病毒产品对实验细胞进行荧光标记。

图1. 太空3D生物打印设备的开发

 

 

研究成果

01.  用于在轨实验的太空 3D 生物打印设备

由于当前火箭发射的高成本和卫星有效载荷的体积和重量有限，空间生物打印设备必须具有非常紧凑和轻巧的特点。因此，作者开发了一种尺寸仅为220mm x250mm x150mm、重量仅为6kg的太空生物3D打印设备。该设备包括3D打印模块、生物模块、显微镜模块和控制模块。这种紧凑集成、可靠的设备，能够进行太空在轨3D打印、观测和培养，这为未来的空间实验奠定了基础。

图2. 用于在轨实验的太空 3D 生物打印设备

 

02. MBT生物墨水的设计和表征

由于未来太空任务潜在的发射延迟和遥远距离，生物墨水的可储存性研究势在必行。为此，作者开发了基于氨基凝胶的双相热敏（MBT）生物墨水、因为微凝胶相（8% 明胶甲基丙烯酰（GelMA）/10% 基质胶）和连续相（7.5% GelMA/1.5% 甲基丙烯酰化透明质酸 (HAM)透明质酸 (HAMA)）均来自细胞外基质，MBT生物墨水具有很高的生物相容性。

图3. MBT生物墨水的设计和表征

 

03.  MBT悬浮介质的设计和表征

为解决卫星上很难进行培养基再灌注的问题，作者开发了一种嵌入式3D打印策略，即支持MBT 生物墨水的3D打印，也支持打印出的肿瘤模型的原位培养。研究结果表明，MBT生物墨水可以用来打印复杂的结构(例如网格)且具有高保真度。模拟MBT生物墨水，作者开发了MBT悬浮培养基质，其主要由微凝胶组成。流变测试表明，MBT悬浮培养基质具有剪切稀化和自愈合特性，有利于嵌入式打印。由于微凝胶存在， MBT悬浮培养基质在加热过程中，35度发生凝胶-溶胶转化，冷却过程中，20发生溶胶-凝胶转化。装入生物模块后， MBT 悬浮培养基质可在 4℃下迅速凝固，同时在 37 ℃ 的 MBT 悬浮培养基质中培养的打印构建体保持了较高的细胞活力(24 小时：93.7 ± 0.94%；48 小时：73.6 ± 3.38%；72 小时：65.4 ± 2.93%）。这些结果表明，MBT悬浮培养基质可在 30-37℃的温度下溶胶化支持复杂构建体的嵌入打印和原位培养，同时在 4℃ -25℃的温度下经受长途运输而不会发生泄漏。

图4. MBT悬浮介质的设计和表征

 

04. 利用自动对焦技术进行原位观测的示意图和特性分析

由于常规图像清晰度算法(如Laplacian算子)效率有限，作者还开发了一个显微镜模块，用于在轨培养期间每12h检查和捕捉一次生物样本。同时开发了一种有效的智能自动聚焦算法，以提高捕获的荧光图像的清晰度，并通过使用深度学习结合人工智能技术来更有效地评估图像。经过训练后，使用基于YOLOv5的分类模型来分析单个输入图。结果显示，基于YOLO的算法实现了43次对焦任务，并获得清晰有效的明场图像，而基于拉普拉斯算法仅成功22次，并且于YOLO的算法耗时更短、占用储存空间更小，分别占拉普拉斯算法的14.4%和9.8%。尽管受到处理终端(如树莓PI)的计算能力的限制，这项工作证明神经网络算法在图像处理和分析方面表现出显着优势，这为未来空间生命科学和医学研究提供了新的可能性。

图5. 利用自动对焦技术进行原位观测的示意图和特性分析

 

05.  复杂肿瘤模型的在轨 3D 打印

2023年6月7日，火箭装载着卫星从酒泉卫星发射中心发射，随后卫星进入500公里以上的太阳同步轨道，在轨道上进行了肿瘤模型3D打印研究。打印的3D肿瘤模型其底部有网格结构，用于原位荧光观察，顶部有方形螺旋结构，以展示打印能力。肿瘤模型包括用携带绿色荧光(GFP)的慢病毒标记肺癌细胞H460、携带绿色荧光的慢病毒 (RFP) 标记的顺铂耐药细胞H460-cis和肿瘤相关成纤维细胞CAFS。培养3天后，打印的肿瘤模型生长出有细长的间质CAFs包围的致密且异质的肿瘤实质结构，与体内肿瘤组织相似，且在肿瘤标志物的表达中表现出空间异质性，表明3D打印模型和人体内肿瘤组织相似。此外，分别在地面和太空中展示肿瘤模型的嵌入式打印和405nm紫外线交联，也显示3D生物打印本身在太空中与在地球上没有表现出实质性的差异。值得注意的是，MBT悬浮培养基质在地面上的应力松弛导致打印结构在原位培养过程中下沉，然而在轨3D打印的结构在打印后至少3天内可保持其原始形状和位置。定量分析显示在轨3D打印具有更高程度的空间形状保真度，这非常有利于原位培养和观察3D肿瘤模型。显微镜模块在打印后12小时启动，之后每隔12小时捕获一次肿瘤模型。以平均荧光强度的变化作为细胞活性的指标，以3D打印结构在12小时的荧光强度作为基线(100%)，太空条件下60h后细胞活性下降到75%。而在常规重力状态下，细胞的荧光强度也会随着时间的推移逐渐下降。这项研究证明了通过卫星对复杂肿瘤模型进行在轨3D打印的可行性。

图6. 复杂肿瘤模型的在轨 3D 打印

 

06.  空间环境影响癌细胞对顺铂的反应

之后，作者重点研究了空间环境的复合效应对肺癌细胞化疗反应的影响。为此，设计了一个具有8孔培养室的生物模块，其中装有顺铂敏感和顺铂抗性H460/CAF癌细胞组装体，敏感组和耐药组均给予不同剂量的顺铂治疗。荧光和组织学染色显示，培养一周的癌细胞组装体形成肿瘤组织样结构，其肿瘤实质和基质成分与体内肿瘤组织相似。为了研究空间环境对药物治疗肿瘤反应的影响，在地面和空间同时捕获了明场和荧光图像。在相同的预定位置、不同的时间点捕捉这些图像，以准确评估不同组的荧光强度变化。结果发现，与地面条件相似，空间环境中的耐药组对顺铂的耐药性比药物敏感组中的耐药性更强，无论是顺铂耐药组还是顺铂敏感组在空太间环境中给药36小时都表现出显着变化，并且这些变化在太空中比在地球上更为迅速和敏感。这些结果表明，空间微环境可能会大大增加细胞对化疗药物的反应性，从而使耐药细胞更容易接受这些抗肿瘤治疗，这一发现为解决肿瘤耐药性问题提供了一种新的方法。

图7. 空间环境影响癌细胞对顺铂的反应

 

总之，本研究开发出了一种基于卫星的新型生物打印设备，使得能够在太空中打印和培养3D肿瘤模型。该研究将航空技术、工程技术、生物医疗技术相结合，实现了在太空研究肿瘤基本模型的创新，为未来太空生命科学和医学研究提供了新的可能性。