把微型大脑送上太空，西奈山伊坎医学院想从中读懂什么？

一块由人体细胞构建的大脑组织，能够回答多少关于衰老的问题？

如果只观察神经元，研究者可能错过免疫细胞引发的炎症、血管屏障的变化，以及支持细胞对神经网络的影响。如果直接研究人体，这些过程又很难被单独拆开、持续测量。

现在，科学家正把这个问题带入太空。

2026 年 10 月，西奈山伊坎医学院宣布，将两类工程化人体组织搭载 SpaceX CRS-35 任务送往国际空间站：一类是整合六种主要脑细胞的 miBrain，另一类是置于微流控芯片中的搏动性心血管类器官。研究目标是观察太空环境如何影响神经活动、心血管功能，以及与衰老相关的生物学过程。

布兰查德（Blanchard）实验室正在为 SpaceX CRS-35 任务准备“miBrains”——即由诱导多能干细胞衍生而成的人类脑组织。（图片来源：西奈山）

这项研究的关键，在于把复杂的人体组织变成可以反复观察、控制变量的实验系统，再让它承受地面实验室难以完整复现的环境压力。

它能否帮助理解地球上的衰老，取决于研究者能从这些变化中辨认出多少共同机制。

科学家选择太空，有一个已有证据支持的理由：某些人体组织在轨道环境中，会出现与衰老部分重叠的功能变化。

2024 年，约翰斯·霍普金斯大学公布的一项研究，将 48 份工程化人体心脏组织送往国际空间站，持续研究约 30 天。与留在地面的同源组织相比，飞行组织逐渐出现收缩减弱和节律紊乱；研究人员报告，其搏动强度大约降至地面对照的一半。

NASA 对相关研究的总结还提到，这些组织出现了亚细胞结构变化和应激增加。这使工程化心脏组织成为研究太空心血管风险、探索年龄相关疾病机制的一种工具。

但“出现类似衰老的变化”，不能直接换算为“在太空一天，相当于地球多少年”。

自然衰老是长期、多器官共同参与的过程。组织芯片中的细胞没有完整人体的神经调节、内分泌环境和免疫循环。太空实验可以放大某些易受损环节，却未必重现人体衰老的全部路径。

整合了人类免疫、胶质及神经血管成分的“miBrain”三维模型。(A) miBrain 形成示意图。(B) miBrain 的宏观视图：(i) 俯视图和 (ii) 侧视图（图中一枚硬币可供参考）。(C) 各组分的分布情况（从左至右依次为）：iPSC 衍生周细胞、星形胶质细胞、iPSC 衍生脑微血管内皮细胞 (BMEC)、神经元、少突胶质细胞以及 iPSC 衍生小胶质细胞 (iMG)。(图片来源：PNAS)

因此，更准确的理解是：轨道环境提供了一种特殊的生物学压力测试。研究者要寻找的是，哪些功能先发生变化、哪些细胞参与其中，以及这些变化是否与地球上的疾病共享机制。

miBrain 的全称是 multicellular integrated brain，即多细胞整合脑模型。其技术基础发表于 2025 年的《美国国家科学院院刊》（PNAS），由 Alice Stanton、Adele Bubnys 等研究者开展。

这个模型整合了六种主要细胞：神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞、周细胞和内皮细胞。

它们分别承担信息传递、代谢与环境支持、免疫监视、髓鞘形成，以及血管和屏障相关功能。将这些细胞共同培养，研究者才有机会观察一个细胞群的变化如何传递到另一个细胞群。

这里的工程难点，是让不同细胞在同一套条件下存活、维持功能，并建立相互联系。

团队为此开发了模拟脑组织微环境的三维水凝胶。它既提供空间支撑，也为细胞组织成网络提供生化线索。既有研究在 miBrain 中观察到了神经活动、功能连接、屏障功能，以及少突胶质细胞与神经元之间的相互作用。

这意味着，研究对象从“某种细胞有没有受损”，进一步延伸为“多种细胞如何共同产生损伤”。

由 miBrain 构建的神经元与血管表型。(A) 整合至 miBrain 中的神经元表征（免疫组化结果；绿色：微管相关蛋白 2 (MAP2)，红色：TUBB3，蓝色：Hoechst）；（比例尺：30 µm）。(B) miBrain 中的突触（上图）与神经元单培养（下图）的对比。（图片来源：PNAS）

例如，神经元功能下降，可能涉及自身状态，也可能受到胶质细胞或血管相关细胞的影响。具备多细胞相互作用的系统，为拆解这些因果关系提供了条件。

不过，miBrain 仍然是重现部分脑组织功能的模型。神经活动和屏障特征的存在，并不意味着它具备完整大脑的结构、认知或生理能力。

太空环境带来的风险，可能因遗传背景而不同。

miBrain 使用人体诱导多能干细胞，即 iPSC，作为细胞来源。这类细胞可以被分化成不同脑细胞，并保留供体的遗传信息，使研究者能够构建具有个体遗传背景的组织模型。

其中一个重点是 APOE4。APOE 存在不同基因变体，APOE4 与阿尔茨海默病风险升高相关。miBrain 的既有地面研究已经利用 APOE3、APOE4 模型，考察遗传差异如何影响疾病相关表型。

这里有一个重要的实验设计问题：如果两份组织来自不同供体，观察到的差异可能来自大量背景基因。

利用基因编辑构建遗传背景高度一致、仅目标基因版本不同的细胞系，可以减少这一干扰。进一步替换某一种细胞，还能追问风险究竟由哪类细胞传递。

将这套思路扩展到太空，研究者希望回答：同样的飞行环境，是否会对不同基因背景的组织造成不同影响？

西奈山将识别损伤生物标志物、评估遗传易感性和验证保护措施列为研究目标。它们目前属于需要飞行实验验证的方向，尚不能用于预测某位宇航员的个人神经风险。

多细胞模型之外，研究者还在解决另一个问题：怎样把循环引入工程化脑组织？

这对应一项独立的地面研究——miBrain-on-chip。研究团队通过名为 GelChip 的微流控平台，让水凝胶中的血管网络形成可灌注通路。相关工作以《Vascular-Perfusable Human 3D Brain-on-Chip》为题列于研究团队的论文目录中，目前标注为 bioRxiv 预印本。

“长出了血管样结构”与“液体能沿血管腔流动”，代表不同的技术阶段。

前者主要提供结构和细胞相互作用；后者允许研究者从入口加入示踪物，观察它如何沿血管移动、是否穿过屏障，以及如何进入周围组织。

这对研究血脑屏障尤其重要。血脑屏障调控循环系统中的物质进入脑组织，也是脑部药物递送的一道关键关卡。可灌注模型能够把血管通路、屏障穿越和组织反应连接起来研究。

工程上，微流控装置还必须兼容水凝胶的膨胀和细胞网络的形成。团队在会议摘要中指出，受限空间中的水凝胶膨胀可能对细胞产生不利应力，GelChip 的设计正是为了改善这类兼容性。

这条技术路线展示了脑模型进一步复杂化的方向。但现有公开项目说明不足以证明，此次送入太空的 miBrain 就采用了这一可灌注配置。地面平台进展与飞行载荷，需要分别看待。

此次心血管项目采用了另一种组织与设备结合的方式。

西奈山团队将健康人体干细胞培育出的搏动性心血管类器官，放入名为 µCVchip 的微流控装置。项目配置包括两块芯片，合计最多容纳 16 个类器官，并由 Space Tango 的自动化 CubeLab 系统支持。

APOE4基因型小鼠脑类器官（miBrains）中的Tau蛋白磷酸化情况。实验组分别接受以下处理（从左至右）：仅培养基、单培养条件培养基（CM）、共培养条件培养基（CM），且均同时给予外源性Aβ 1-42（红色：AT8，绿色：TUBB3，蓝色：Hoechst）。（图片来源：PNAS）

根据项目公告，系统将进行每日电刺激起搏、压力测试、显微成像和流体样本采集。团队曾在 2023 年 CRS-29 任务中研究干细胞来源心肌细胞的存活，此次则进一步研究更复杂组织的功能变化。

这些测量之所以需要组合使用，是因为“还能跳动”只是一个起点。

电刺激提供可控制的节律输入，显微成像记录组织状态和运动，流体采样则为后续分析提供材料。把不同时间点的数据连接起来，才有机会判断功能变化何时出现、是否持续，以及它与组织状态之间的关系。

自动化也直接影响实验质量。活组织需要持续维护，重复测量需要稳定执行；在宇航员操作时间有限的条件下，设备必须承担更多日常任务，才能形成连续、可比较的数据。

这类实验首先要证明，复杂组织能在飞行和在轨培养过程中保持足够稳定的功能，使测量具有解释价值。

随后才是更困难的因果判断。

如果飞行组织与地面对照出现差异，研究者仍需考虑培养条件、设备运行、发射运输等因素。若没有足以拆分变量的实验设计，就不能把所有变化都归因于微重力，也不能直接认定它们由辐射造成。

第三步是检验普适性。一个供体、一个基因背景或一批组织中的结果，需要在更多细胞系、培养批次和实验条件中重复。只有这样，才能判断它揭示的是稳定机制，还是特定模型的反应。

此次任务尚未提供抗衰老疗法，也没有建立个人健康预测工具。它推进的是更基础的一步：让人体来源、多细胞相互作用的组织模型，在轨道上产生可追踪的功能数据。

未来真正有分量的发现，将是研究者能否沿着这些数据找到一条清楚的证据链——从环境压力，到特定细胞的反应，再到组织功能受损，最终证明某种干预能够改变这一过程。

当这条链条建立起来，太空中的微型组织，才可能为地球上的衰老研究提供新的解释。

参考文献：

Spaceflight-induced contractile and mitochondrial dysfunction in an automated heart-on-a-chip platform reports functional changes in engineered heart tissue after spaceflight. (PNAS, 2024)

Effects of microgravity on human iPSC-derived neural organoids on the International Space Station examines earlier neural organoid experiments in orbit. (Stem Cells Translational Medicine, 2024)

Mount Sinai Bioengineers Send Cardiac Muscle Samples Into Space to Study Heart Cell Biology in Microgravity describes the team’s earlier cardiac cell mission. (Mount Sinai, 2023)

Tissue Chips Accurately Model Organs in Space introduces tissue-chip research aboard the station. (NASA, 2024)

NASA’s Twins Study Results Published explains findings from comparing an astronaut with his Earth-based identical twin. (NASA, 2019)

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