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随着人类进行更长时间、更远距离的深空旅行，太空飞行的医学风险也随之增加。在太空任务中，宇航员面临一些危害健康的极端情况，如宇宙辐射和微重力，以及尚未知晓的威胁。为了这些任务能够富有成效并取得成功，确保宇航员的安全与福祉是最重要的优先事项，而这可以通过太空医学的创新来实现。

来自美国休斯顿卫理公会医院的Alessandro Grattoni团队探讨了材料技术在提供太空医学方面的应用，包括健康维护和预防保健，以及非紧急和紧急需求的治疗。本文强调了创新的药物递送系统、活体药房、再生医学，以及3D打印和生物打印方法在医疗保健提供中的应用，并分享了本研究团队对它们在太空中潜在应用的愿景。最后，讨论了太空医学研究的好处及其对推进地球医疗保健的影响。相关工作以题为“Advanced material technologies for space and terrestrial medicine”的文章发表在2024年06月03日的国际顶级期刊《Nature Reviews Materials》。

【太空环境带来的生物医学挑战】

太空环境全方位地影响生物系统的各个层面，从分子到细胞再到整个器官。太空对肌肉骨骼、心血管、神经前庭和免疫系统都有深远的影响。微重力导致肌肉骨骼系统的卸载，进而导致骨矿物质含量和密度的逐渐丧失（每月高达1-2%）以及肌肉萎缩。封闭的环境限制了足够的医疗设备和供应品，以及诊断能力。此外，通信延迟或中断使得远程医疗变得具有挑战性。而且，飞船上的设备和资源有限以及通信延迟，都给飞行中的医疗管理带来了挑战。这些挑战在更长时间和距离的太空旅行中被放大，这涉及到更小的货物、减少的可居住空间容量、有限的补给能力和不可靠的通信（图1）。商业太空旅游的普及使那些可能不像接受过严格训练的宇航员那样身体健康的旅行者暴露在太空的危险中。为此，有效的飞行中医疗护理对所有任务来说都是不可或缺的，包括进行深空探索和可持续居住。为此，无论是在太空还是地球上进行的材料研究都可以产生解决外太空和地面医疗保健挑战的关键技术。

图1 太空医学面临的医疗和后勤挑战

在各种预防和治疗环境中，长期疾病管理或治疗需要持续稳定的药物递送。然而，对于其他应用（如图2所示），如急救医学和时间治疗学而言，则需要可调、按需、自主或远程控制的药物递送。疼痛管理、昼夜节律失衡和高血压是一些例子，其中调节药物给药能力至关重要。为此，远程医疗使能技术可以在医生的监控下实现实时、个性化的药物给药和剂量调整。其中一些已经获得临床批准，可以帮助提高诊断准确性。人工智能（AI）启用的医学成像在深空任务中是不可或缺的，因为在那里进行实时或近乎实时的通信是不可能的。总的来说，需要远程控制的治疗和诊断工具来补充人类太空旅行的医疗能力。无论使用何种类型的技术，可以预见这些远程医疗使能平台将在下一代宇航员医疗包中发挥关键作用。

图2 长效递送系统在太空医学中的潜在应用

细菌可以通过合成微生物学方法被设计为活体生物治疗产品。这些经过特殊设计的微生物产品可以作为疾病检测的诊断生物传感器或医学成像载体，并有可能在太空旅行中监测和调节宇航员的健康（图3）。微生物可以被改造以响应生理或外部刺激产生和分泌治疗剂。这些微生物可以利用细胞复制将更稳定的原料（无论是机载的还是在目的地找到的）转化为有用的治疗和监测产品。此外，最近对工程微生物的稳定化可能允许开发模仿当前药物剂量形式（如片剂）的微生物医疗包，并避免需要专门的实验室或储存设施。

图3 微生物传感器和治疗

【对地面医学的益处】

微重力提供了研究与太空飞行相关的生理变化的理想环境。在这种情况下，分离由持续微重力引起的压力可以提供关于老化过程和各种疾病进展的宝贵资料。例如，NASA的为期一年的Scott Kelly宇航员任务发现了端粒长度的变化，这可能是针对老化和与年龄相关的疾病的治疗目标。有鉴于此，国际空间站（ISS）已被用于研究基于持续的太空暴露而加速老化或癌症发展的机制，并扩大人类对细胞过程的理解并探索发育生物学的概念。某些疾病和老化病理在微重力中迅速发展，但在返回1g重力时则迅速减缓和逆转。这些现象可以在体外使用类器官和微生理系统（MPS）进行建模（图4a），因此，微重力环境为探索培养和分化干细胞的替代方法提供了机会。在再生医学中使用的人类诱导多能干细胞（iPSCs）通常作为粘附的二维培养物进行繁殖。在地面上，它们倾向于自发分化并因此失去多能性，这证明了需要开发新的培养制度的理由。胚胎干细胞和人类多能干细胞在太空中保持其干细胞特性并且分化减少。与此一致，人类iPSCs在微重力中以自由漂浮的聚集体形式增殖，这对于定向分化和轨道测试提供了光明的前景（图4b）。

图4 微生物传感器和治疗

目前，太空中的生物材料制造包括自组装、结晶和3D打印等过程（图5）。在太空中进行生物材料制造可以使得一些在地球上不可行或无法实现的技术进展成为可能。例如，生物制造严重依赖于受重力影响的生物力学和机械生物学；微重力条件可以使得对这些线索的完全控制成为可能。学者们在太空中已经测试了各种基于支架的组织制造方法，包括聚（乳酸-共-乙醇酸）（PLGA）、聚乙交酯（PGA）、聚己内酯（PCL）、胶原和藻酸盐。这些支架可以装载细胞以生成3D类器官、球体或组织类似物，它们可以通过多种细胞类型和伪循环系统更好地模拟人类生理过程。在微重力中，这些3D结构可以在没有支架衍生的机械支持的情况下被制造出来，这在生成更接近模拟生物系统的无添加剂生物结构方面提供了巨大优势。

图5 在太空中按需医疗用品的3D打印和生物打印

【总结与展望】

总之，虽然太空医学研究在不断进步，但仍然存在几个主要挑战：在长期任务中保持乘员的身心健康、减轻微重力对人体生理的影响，以及确保太空中的可持续医疗自主性。太空医学技术当前的研究方向应该优先考虑针对长期任务和太空环境定制的先进诊断工具、远程医疗能力和再生疗法。为此，太空机构、生物医学研究人员、工程师和医疗保健专业人员之间的跨学科合作至关重要。科学界应专注于整合人工智能、机器人技术、生物打印和个性化医疗方法，以应对这些挑战并增强宇航员在太空探索任务中的适应力和福祉。

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