用于航天醫(yī)學研究的骨骼掃描儀促進醫(yī)療研究進步

Space-Based Bone Scanner Expands Medical Research

長達數(shù)月的失重環(huán)境會對肌肉和骨骼產(chǎn)生怎樣的影響呢？這是美國國家航空航天局（NASA）的研究人員重點關注的研究課題之一，這些研究成果也可為地球上的醫(yī)療保健領域開辟新的思路。但是，在國際空間站（ISS）上，科學研究的空間是非常寶貴的。其中要安裝非常先進的儀器設備以幫助地面上的研究人員與軌道實驗室進行連接，開展研究工作。對于骨密度的研究來說，NASA希望研發(fā)一種不會使宇航員暴露在有害輻射下的掃描儀。

國際空間站在地球表面上空大約400km的軌道上運行，其上的許多研究硬件已在軌運行了幾年甚至幾十年，已經(jīng)越來越陳舊，不能滿足目前科學研究的需求。隸屬于約翰遜航天中心的國際空間站美國國家實驗室辦公室的Mike Read說：“這可能有點難以接受，但卻是現(xiàn)實?！?996年國際空間站在軌裝配前不久，Mike Read曾是國際空間站有效載荷辦公室的一員。2012年國際空間站的設備需要更新的時候，他又回到了這一辦公室。他說：“我們一直在做的事情就是，提高我們模擬地面實驗室中設備的能力，以提高空間研究能力?！?/p>

對于NASA的潛在商業(yè)伙伴來說，需要注意的是新裝配到國際空間站的設備既要與地面上使用的設備相似，以方便對比測試結果，也要保證將其發(fā)射到太空中的花費是值得的。為了更好地升級國際空間站的研究設備，NASA向美國太空先進科學中心（CASIS）尋求幫助，以幫助他們獲得用于太空研究的更新、更先進的設備。

自2011年以來，CASIS作為國際空間站美國國家實驗室（國際空間站上隸屬于美國的研究設施）的管理者，開始為國際空間站尋找商業(yè)客戶。CASIS基于商業(yè)建議對項目進行篩選，并在300萬美元的預算內(nèi)提供資助，同時，其還為其客戶和其他投資者牽線搭橋。

為了獲得能夠在失重條件下研究骨骼健康的設備，特別是能夠掃描小白鼠等小動物身體的設備，CASIS與位于美國印第安納州格林威爾鎮(zhèn)的Techshot公司取得了聯(lián)系。CASIS的高級研究員Mike Robert說：“Techshot公司與NASA的合作已有超過25年的歷史。自2011年以來，Techshot公司一直與CASIS合作，致力于設計開發(fā)用于空間研究的新工具和新設備，以支撐國際空間站美國國家實驗室有關生命科學研究有效載荷的研究?！?/p>

Techshot公司在一項小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）計劃合同的支持下，計劃以已有的骨密度測試方法——雙能X射線骨密度儀（DXA）為基礎，開發(fā)在太空中應用的骨密度測量儀。利用NASA和CASIS提供的資助，Techshot公司經(jīng)過18個月的努力，成功開發(fā)出了可用于國際空間站的DXA設備。

▲ Techshot公司為國際空間站應用開發(fā)的骨骼掃描儀

Techshot公司基于生物醫(yī)學研究人員廣泛用于為嚙齒目動物進行X射線掃描的設備——GE Lunar PIXImus X射線密度儀，進行了適應性改進，使其更小、更輕，以滿足國際空間站中載荷箱的空間和形狀要求，并保證使用相同的軟件、操作系統(tǒng)和顯示設備，以使地面研究人員能夠對比在國際空間站上和在地球上獲得的掃描結果。

為防止輻射對宇航員造成傷害，Techshot公司為新的骨骼掃描儀配備了鉛屏蔽罩和開關，使設備只有被固定到國際空間站的指定載荷箱中才會啟動。Techshot公司負責企業(yè)發(fā)展的副總裁Rich Boling說：“即使出現(xiàn)差錯，宇航員也不會受到該設備輻射的嚴重危害。在國際空間站中，宇航員吃兩根香蕉所遭受的X射線輻射都比接觸該設備多。在此之前，我甚至不知道香蕉中含有輻射?！?/p>

2015年4月，一臺骨骼掃描儀成功進入國際空間站啟動運行，研究人員首次實時觀察到了試驗動物在太空中的肌肉組織和骨密度變化，這對于關注肌肉和骨骼疾病治療的生物學家和制藥公司來說具有重要意義。Techshot公司和CASIS迅速確定Novartis公司作為使用該骨骼掃描設備的首個客戶。作為Techshot公司和NASA、CASIS合同的一部分，Techshot公司負責維護設備，引進商業(yè)客戶，而國際空間站的宇航員負責開展科學研究。Novartis公司是一家制藥巨頭，總部位于美國馬薩諸塞州劍橋市。該公司希望利用基因改良的嚙齒類動物來研究肌肉萎縮癥。這些嚙齒類動物與肌肉蛋白降解有關的無名指肌肉的1號基因的作用被預先壓制了。

Novartis公司肌肉研究組的研究人員Sam Cadena說：“Novartis公司非常高興能夠在國際空間站上開展研究，因為國際空間站為肌肉萎縮研究提供了‘獨特的模型’。在地球上，能夠模擬肌肉萎縮的唯一方式是自然老化，這需要花費很長的時間。而國際空間站上的失重環(huán)境能夠加速老化，很短的時間即可提供研究肌肉萎縮的模型?！?/p>

Novartis公司計劃在國際空間站上開展兩次研究實驗，每次實驗均采用兩組共十幾只小白鼠，其中一組置于地面上，生活在肯尼迪航天中心的一種新設施中，而另一組生活在國際空間站的微重力環(huán)境中。每組中大約一半為基因改良的小白鼠，另一半為正常的小白鼠，45天后，Novartis公司的研究人員對每組小白鼠肌肉的差異進行比較。在研究中，宇航員將小白鼠暴露在X射線下3min，并將掃描結果近實時地傳送到Techshot公司的載荷運行中心，以方便地面研究人員開展研究。第二次實驗原計劃在2015年秋季開展，但由于SpaceX公司“獵鷹-9”火箭2015年初發(fā)射失敗而推遲。

Rich Boling自豪地說：“現(xiàn)在，該骨骼掃描儀被稱為Bone D，已成為國際空間站EXPRESS Rack7載荷箱上的常駐儀器。雖然目前其僅在嚙齒類動物的研究中進行了應用，但將來，其很可能會被用于其它生物的掃描?！?/p>

NASA對國際空間站上硬件能力的提升表示高興。Mike Read說：“我們將國際空間站上宇航員的研究時間分配了一大部分開展對嚙齒類動物的研究，Bone D是其中的重要部分。這是以前國際空間站并不具備的研究能力，我們希望能夠豐富太空研究，而Techshot公司為我們提供了支撐?！逼渌疽舱诰蛧H空間站中骨骼掃描儀的使用時間與CASIS及Techshot公司進行協(xié)商，而Techshot公司對于能夠參與未來地球和太空的研究感到非常高興。Rich Boling說：“作為一家僅擁有30名員工的企業(yè)，我們感到非常興奮。骨骼掃描儀現(xiàn)已成為我們的旗艦產(chǎn)品。我們對于未來的發(fā)展，以及與NASA的合作可以為像Techshot公司一樣的小企業(yè)帶來利益感到興奮。” (唐 甜)

▲ 研究人員在Techshot公司的有效載荷操作控制中心近實時地下載Bone D獲得的數(shù)據(jù)