從高空氣球到神舟四號| 空間細胞電融合儀發展歷程回顧

高空科學氣球因為飛行高度高（20-45km），可以接近太空環境，同時又具有成本相對衛星低廉，準備周期短，發放靈活，儀器可回收等諸多優點，可為實施大型空間計劃進行科學思想、儀器原理、技術方法的有效的低成本驗證。

高空氣球典型任務剖面

氣球攜帶載荷儀器發放之後，隨著高度的升高，球體逐漸膨脹，到了設計的平飛高度，球體脹滿，浮力和重量平衡，氣球不再上升，轉入平飛階段，一般載荷儀器都是在這一階段開機工作。儀器採集完數據，試驗完成，則平飛段結束，球體切割，由降落傘帶著儀器返回地面，回收隊根據吊艙定位信息到達落點，及時回收吊艙和儀器設備。

高空科學氣球準備發放

高空氣球工作流程

今天給大家介紹的空間細胞電融合儀，就經歷了從高空氣球飛行驗證，技術改進，到太空飛行器太空飛行這樣一個典型的過程。

細胞融合是細胞工程的重要方法之一，植物細胞可通過體細胞融合克服遠緣雜交不孕性培育新品種，動物細胞可通過產生特定抗體的B淋巴細胞和骨髓瘤細胞融合獲得用於生產單克隆抗體的雜交瘤細胞。地面細胞融合實驗中，由於重力引起的細胞沉澱和熱對流幹擾了細胞膜的緊密接觸，大大限制了異源細胞配對和細胞融合效率的提高。

細胞融合

電融合誘導法是20世紀80年代發展起來的一門新興的細胞工程和生物物理技術。自電穿孔及電融合技術發明創造以來的20 年裡，電穿孔和電融合已成為一門成熟的學科。其原理是在短時間強電場的作用下，細胞膜發生可逆性電擊穿，瞬時失去其高電阻和低通透特性，然後在數分鐘後恢復原狀。當可逆電擊穿發生在2個相鄰細胞的接觸區時，即可誘導它們的膜相互融合，從而導致細胞融合。電融合誘導法在農業和醫學上也展現了廣泛的應用前景。

有關細胞電融合現象為科學家Zimmermann 在1978 年所發現，並採用電脈衝方法成功地誘導了細胞融合，開創了細胞融合技術的新局面。日本科學家Senda 也在1979 年利用電場刺激實現了植物細胞的融合，並首次實現了電穿孔的實驗和用電刺激植物原生質體融合的實驗，其後他又對植物細胞電融合技術進行了研究。以後幾年裡，人們把這種新的融合手段從動、植物擴展到微生物和真菌的原生質體融合研究中，導致了原生質體融合技術的新突破。與使用聚乙二醇(PEG) 的化學法相比，電場刺激法是種非常高效的細胞融合方法。電融合技術操作簡單、電參數(如脈衝強弱、長短等)容易精確地調節、無化學毒性,對細胞損傷小，可以免去細胞融合後的洗滌程序，融合率高，可應用於許多種不同的細胞。故這種方法得以在短期內被廣泛採用，成為細胞融合的主要技術手段。不過需要購置專用的細胞電融合設備(細胞電融合儀)。

而空間微重力環境中，重力沉降趨於消失，為提高細胞融合效率創造了前所未有的條件和特別的機會，在這種條件下實施細胞融合，可以獲得比較理想的實驗結果。

與化學誘導融合和生物誘導融合相比，電融合具有較大的技術優勢：可以用顯微鏡跟蹤觀察細胞融合過程；融合過程在細胞群體中同步進行；高效無毒、簡便易行、通用性強，易於實施遙控，更適合於應用於空間實驗。因此，對空間細胞電融合技術的研究具有非常重要的實際意義，研究空間微重力條件對細胞電融合效率、生物樣品的活性及相關的細胞電融合參數的影響，將為開展空間生物加工和空間製藥技術的研究奠定技術基礎。

細胞電融合儀是進行空間細胞電融合的實驗裝置。1992年我國空間細胞電融合技術研究開始起步，細胞電融合儀被列為921-2空間生命科學分系統的研製項目。1995年起，上海技術物理所根據細胞電融合實驗的要求和高空氣球落艙搭載試驗的技術條件，研製了一臺適合於落艙搭載的細胞電融合儀，1998年，該儀器成功實施了中德合作的高空氣球落艙(MIKROBA)搭載試驗，驗證了實驗方法，為尋找最佳電融合實驗參數和船載裝置設計提供了依據。

該儀器及其高空氣球搭載試驗的成功，在國際上首次成功實現了在一套裝置中同時進行動物細胞和植物細胞的空間電融合實驗，為我國的空間生物實驗技術積累了寶貴的經驗，為我國進一步開展空間生物加工和空間製藥領域的技術研究創造了良好的條件。微重力細胞電融合實驗本身達到預期，但發現在回收的6小時過程中，細胞融合所需電解液對融合後的細胞有不利影響，為此改進了設計，後在神舟4號飛船細胞電融合實驗中取得優異結果，這一預備實驗發揮了不可替代的作用。

搭載試驗

大型高空氣球系統進行科學試驗一般都有一個最主要的科學目標，用來完成這個科學目標的載荷一般被稱為主載荷。除此之外，在浮力還有富餘的情況下，可視情裝載其它載荷同時進行飛行試驗，但飛行的任務剖面不能影響主載荷，這些其它的載荷被稱為搭載載荷。它們在高空氣球上進行的試驗被稱為搭載試驗。

中德合作氣球微重力實驗場景：40萬氣球正在充氣(左)，落艙在發放車前部高高升起（右）

2002年12月29日至2003年1月5日，細胞電融合儀在神舟四號飛船上成功進行了空間細胞電融合實驗，生物學初步測定已經確認可獲得具有重要研究價值的實驗結果，標誌著我國掌握了空間細胞融合等技術，為我國空間實驗室和空間站生命科學儀器的發展奠定了技術基礎。

空間細胞電融合儀實物）

「神舟四號」飛船空間細胞電融合儀及其空間飛行實驗的圓滿完成，首次在外層空間成功實現了在同一套裝置內同時完成動物細胞和植物細胞的保存、換液、融合和培養全過程實驗, 標誌著我國已突破並掌握了空間細胞保存、空間細胞換液、空間細胞電融合、數據實時傳輸和無菌培養等關鍵技術；表明實驗裝置設計合理，能夠適應空間環境和飛船總體對硬體的各項技術要求和約束條件，各項性能技術指標能夠滿足空間細胞電融合所需要的生物實驗環境和條件，可以作為重要的空間生物技術實驗裝置和手段，其關鍵技術研究和重要部件研製為我國空間實驗室和空間站生命科學儀器的發展奠定了技術基礎。本次空間飛行實驗驗證了有關的實驗方法，確定了融合實驗參數，技術研究和實驗方法具有獨創性，取得的成果屬國內首創，到達國際先進水平。空間細胞電融合儀及其空間飛行實驗為我國進一步開展空間生物加工和空間製藥領域的技術研究建立了良好的基礎。空間細胞電融合儀首次在外層空間成功實現了在同一套裝置內同時完成動物細胞和植物細胞的保存、換液、融合和培養全過程實驗，其關鍵技術研究和重要部件研製為我國空間實驗室和空間站生命科學實驗與技術探索了新方法，為我國進一步開展空間生物加工和空間製藥領域的技術研究建立了良好的基礎。