太空探索的重要性日益凸顯，越來越多的宇航員在太空漫游。然而，失重狀態(tài)對(duì)人體老化究竟有什么影響？在小型衛(wèi)星和小行星等微重力環(huán)境下，某些細(xì)胞又如何發(fā)展？針對(duì)上述問題，瑞士人工重力實(shí)驗(yàn)（SAGE）開始專注研究。由瑞士多所大學(xué)學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)（瑞士學(xué)術(shù)空間倡議ARIS）希望探究太空環(huán)境下人體的衰老過程，以及細(xì)胞衰老如何影響衰老和年齡相關(guān)疾病的發(fā)展。這些年輕研究人員目前正設(shè)計(jì)一款衛(wèi)星平臺(tái)，用于進(jìn)行相應(yīng)的生物實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)的運(yùn)行具有非常高規(guī)格的要求。具體而言，這套全自動(dòng)化系統(tǒng)作為一個(gè)持久的測(cè)試場(chǎng)地，在所需的太空條件下將成為人類細(xì)胞系列的離心機(jī)。

在有關(guān)該平臺(tái)的解決方案中，友思特 IDS uEye XLE系列的熒光顯微鏡和微流控芯片的裝置是核心搭載器件。友思特產(chǎn)品究竟在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中扮演了什么重要角色？讓我們一起通過這期應(yīng)用案例了解吧！

01 太空實(shí)驗(yàn)的設(shè)備需求

人體的衰老過程發(fā)生在細(xì)胞層面，這一過程通常被稱為細(xì)胞衰老。當(dāng)然，這也是一種細(xì)胞停止分裂并分泌炎癥因子的現(xiàn)象。SAGE負(fù)載工程師Jonas Schl?r解釋道：“基于NASA及全球許多其他團(tuán)隊(duì)的研究，我們有理由相信細(xì)胞在微重力下的衰老速度比地球上慢。這種效應(yīng)可以通過某些蛋白質(zhì)和mRNA的測(cè)量來衡量，這些蛋白質(zhì)和mRNA在細(xì)胞衰老時(shí)釋放。信使RNA（mRNA）已成為促進(jìn)或抑制細(xì)胞衰老的關(guān)鍵因素。通過熒光標(biāo)記，可以標(biāo)記這些mRNA，并在合適的光照射下使其發(fā)出熒光。整個(gè)實(shí)驗(yàn)將在僅十立方厘米的空間內(nèi)進(jìn)行兩個(gè)月。為了在這樣的條件下測(cè)量和分析必要的過程，我們需要一臺(tái)特別可靠且緊湊的熒光顯微鏡?！?/p>

圖一：SAGE Cubesat必須在發(fā)射到太空的過程中承受強(qiáng)大的物理應(yīng)力，之后將經(jīng)受輻射和溫度波動(dòng)的考驗(yàn)

02 友思特 IDS產(chǎn)品的絕妙應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，團(tuán)隊(duì)的顯微鏡使用了友思特 IDS U3-38J1XLE-C-HQ相機(jī)。該相機(jī)捕捉了放置在微流控芯片上的人體細(xì)胞的熒光mRNA。微流控芯片可以將復(fù)雜實(shí)驗(yàn)室功能微型化并集成到單個(gè)芯片中，從而節(jié)省空間并減少樣本需求。微流控芯片包含刻有或成型的微通道，可供要分析的液體流動(dòng)。使用微流控通道可測(cè)試非常小的樣品體積。借助IMX415滾動(dòng)快門傳感器高分辨率的相機(jī)，可以區(qū)分個(gè)別細(xì)胞。該傳感器的高像素密度尤其能夠顯示直徑僅為15微米的個(gè)別細(xì)胞。藍(lán)色LED激發(fā)微流控芯片中的細(xì)胞，這些細(xì)胞會(huì)發(fā)出綠光，其亮度取決于衰老速率。衰老速率較高的細(xì)胞釋放更多的熒光蛋白，因此更亮。光學(xué)濾波器僅允許細(xì)胞的綠光通過鏡頭進(jìn)入相機(jī)。上述操作不僅可以確定細(xì)胞的總衰老率，還能測(cè)量特定的活細(xì)胞數(shù)目。

圖二：熒光顯微鏡屏幕顯示相機(jī)捕捉到的細(xì)胞

我們可以看到，相機(jī)具有眾多軟件相關(guān)的設(shè)置選項(xiàng)，如曝光時(shí)間或色彩濾鏡，這讓它在設(shè)計(jì)過程中能夠保持高度的靈活性。因此，該相機(jī)獲得的數(shù)據(jù)非常有科學(xué)價(jià)值，特別是以前沒有通過這種方式進(jìn)行過可比較的研究。同時(shí)，熒光顯微鏡通常需要一個(gè)復(fù)雜的裝置，現(xiàn)在可以省去。這又節(jié)省了大量空間。此外，我們的相機(jī)也滿足了航空環(huán)境的嚴(yán)苛要求，包括火箭發(fā)射時(shí)的強(qiáng)烈震動(dòng)以及真空和宇宙輻射條件下的軌道環(huán)境。

圖三：友思特- IDS相機(jī)、微流控芯片和LED參與細(xì)胞研究的顯微鏡方案

圖四：細(xì)胞根據(jù)衰老速度發(fā)出不同數(shù)量的綠光

接下來，讓我們來看看這個(gè)用于航空科學(xué)探索的相機(jī)參數(shù)。友思特 IDS U3-38J1XLE Rev.1.1具有8.41 MPixels和4K分辨率，非常適合高精度的可視化任務(wù)。借助2x2 binning功能，它可以將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量減少四分之一，從而提高光敏感度和幀率。由于其極其節(jié)省空間的設(shè)計(jì)，友思特 IDS相機(jī)可以理想地集成到此嵌入式應(yīng)用中。相機(jī)由微控制器控制，該控制器在衛(wèi)星上處理和壓縮數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送回地球。

圖5：友思特 IDS的uEye XLE系列高分辨率USB3相機(jī)

03 未來展望

該實(shí)驗(yàn)計(jì)劃運(yùn)行3年?；谘芯拷Y(jié)果，我們有許多可考慮的情景。例如，科學(xué)家們想找出是否某些療法可以改善宇航員的福祉。但衰老細(xì)胞也可能是引發(fā)各種困擾人類特別是老年人的疾病的驅(qū)動(dòng)因素，如癡呆癥、動(dòng)脈硬化、糖尿病和關(guān)節(jié)炎。此外，它們也被懷疑是腫瘤發(fā)展的因素之一。根據(jù)一項(xiàng)研究，SARS-CoV-2可能也是衰老的觸發(fā)因素，這可能是長(zhǎng)期Covid持續(xù)癥狀的一個(gè)可能解釋。

總而言之，瑞士人工重力實(shí)驗(yàn)可能為潛在療法提供有趣的方法。由此可見，友思特 IDS相機(jī)正在全球范圍內(nèi)為健康促進(jìn)做出貢獻(xiàn)。