太空生物3D打印开启肿瘤研究新范式

来源：EFL生物3D打印与生物工程

相较于传统二维/三维细胞模型，在轨生物3D打印技术能更精准模拟太空微重力环境下的复杂肿瘤微环境，为解析太空条件下肿瘤发生与抑制的分子调控机制提供全新路径，有望加速地球创新癌症疗法的研发进程。近日，清华大学机械工程系熊卓教授团队在国际权威期刊Trends in Biotechnology（影响因子14.3）发表题为On-orbit 3D bioprinting for tumor modeling in space的综述论文，系统梳理太空癌症研究的发展脉络，深度剖析在轨生物3D打印技术的核心挑战，并前瞻性探讨其在肿瘤模型构建及空间生物医学领域的应用潜力。

清华大学机械系方永聪助理教授为论文第一作者，清华大学机械系熊卓教授和方永聪助理教授为通讯作者，博士后郝文帅为论文共同作者。

随着人类深空探测的持续推进，空间生物医学研究的战略价值日益凸显。作为全球公共卫生重大挑战，癌症在太空环境中的研究已成为国际前沿热点。太空特有的微重力环境能够显著改变细胞物理力学特性、分子互作模式及信号传导通路，不仅为解析肿瘤生物学特征提供了全新视角，更为肿瘤药物研发与治疗策略创新开辟了未知疆域。现有研究表明，微重力可通过机械转导机制影响癌细胞细胞因子表达及肿瘤相关基因活性，但其精准调控机制仍需深入破译。由于地面模拟微重力实验存在局限性，无法完全复现真实太空环境的复杂影响，开展在轨实验已成为肿瘤研究领域的关键突破方向。

图1 肿瘤空间研究进展

（1）空间癌症研究进展：    从细胞表型到机制探索
国际空间站（ISS）与美国国家航空航天局（NASA）的联合研究揭示了微重力对癌细胞行为的多维度影响：ISS培养的甲状腺癌细胞增殖速率显著抑制，初步证实与ERK/RELA信号通路调控相关；模拟微重力（SMG）环境下的黑色素瘤细胞，其增殖与转移能力受抑，潜在机制涉及FAK/Rho信号轴下调；患者来源的胶质母细胞瘤干细胞短暂暴露于微重力后，迁移能力与干性特征显著增强。传统二维培养模型难以模拟肿瘤微环境的复杂性，而三维（3D）肿瘤球体与类器官模型正成为研究主流。例如，MicroQuin公司基于ISS平台，利用前列腺癌和乳腺癌类器官开展信号通路解析与药物筛选，为肿瘤精准医疗提供了新靶点。值得关注的是，当前多数肿瘤模型需在地球构建后再送往太空，发射振动可能破坏模型结构完整性，且地面预适应状态干扰太空生物效应的准确评估，因此开发在轨构建的高仿真肿瘤模型成为关键前沿。

（2）在轨生物3D打印：构建肿瘤微环境的“太空工厂”   
生物3D打印技术凭借其精准组装活细胞与生物材料的能力，在构建复杂异质性肿瘤模型方面展现出独特优势。美国Techshot公司开发的3D生物制造设施已成功在ISS上实现心脏组织结构的打印制造。在微重力环境下，软组织能够在无需外部支撑的情况下，维持结构完整性，并构建出复杂几何形状与血管化组织。同时，微重力环境允许使用低粘度生物墨水，有效促进软组织功能成熟。但在轨生物3D打印技术也面临诸多挑战：发射振动、通信延迟与空间辐射等因素可能影响生物墨水的可打印性与细胞活性；微重力环境下，表面张力改变生物墨水流变特性与扩散行为，易导致大液滴形成与层间粘附不良。针对上述难题，研究团队开发出热敏微凝胶基生物墨水，该墨水兼具良好生物相容性、可打印性、低温长期储存稳定性与防漏特性；同时提出嵌入式打印策略，有效缓解空间环境中空气-液体界面强表面张力效应，为在轨生物3D打印与原位组织培养提供有力支持。

（3）设备自动化与智能化：应对太空约束的“硬核创新”   
严苛的太空环境要求——有限的尺寸、重量、功率和人工干预，给在轨生物3D打印带来了挑战。为了应对这些限制，熊卓等人开发了一种紧凑的自动化打印设备，集成了生物3D打印、监测和控制模块。生物3D打印模块能够创建复杂的组织模型，支持原位培养以进行太空药物测试。监测模块采用双荧光显微镜对肿瘤模型进行实时、长期成像，而控制模块则负责管理打印、成像、在轨数据分析以及向地面站的数据传输。人工智能（AI）的快速发展进一步提高了这些系统的可靠性，基于AI的边缘计算能够实时处理大量数据集。例如，机器学习提高了太空成像中的自动对焦成功率，大大减少了处理时间和存储需求。紧凑、自动化和智能化系统的集成对于推进在轨生物3D打印、促进空间生物医学研究、药物研发和组织再生至关重要。

（4）太空肿瘤治疗前景：从机制发现到临床转化     
化疗作为一种常用的癌症治疗方法，因耐药性而面临挑战。微重力可能会影响癌细胞对化疗的反应，有望解决这一耐药问题。例如，Andrew Ekpenyong等人利用旋转细胞培养系统模拟微重力，证明其以药物依赖的方式调节白血病癌细胞对化疗的反应。同样，Julita Kulbacka等人发现模拟微重力导致化疗耐药和敏感的胃癌细胞中耐药相关基因的表达降低，同时DNA/RNA损伤标记物增加。此外，熊卓等人通过基于卫星的在轨药物测试发现，与地面培养相比，三维肿瘤模型中的肺癌细胞在太空对化疗药物的敏感性增强。尽管这些令人兴奋的发现基于特定的细胞系和肿瘤类型，但它们表明微重力可能增强癌细胞对化疗的敏感性。这些结果为癌症治疗开辟了充满希望的新途径，不过还需要进一步研究以排除电离辐射等环境因素的影响。未来在空间站进行深入研究对于揭示微重力对肿瘤化疗的调控机制至关重要，有助于推动这一创新型癌症治疗方法在地球上的应用。

总结与展望
在轨生物3D打印技术为肿瘤研究提供了“太空视角”，其构建的高仿真模型将加速微重力下癌症发生与治疗响应机制的深度解析。多模态传感与高分辨率成像技术是实现长期原位监测的核心支撑，而自动化、智能化系统的持续创新将推动组织工程过程的实时优化。这项技术不仅有望揭示微重力抗癌的分子密码，更将为地球个性化治疗提供空间衍生策略，并为深空探测中的宇航员健康构建可持续生物制造能力。随着基础研究与临床应用的深度融合，在轨生物3D打印正成为连接太空探索与人类健康的重要桥梁，为攻克癌症难题注入“太空科技”新动能。

参考文献
Yongcong Fang*, Wenshuai Hao, Zhuo Xiong*. On-orbit 3D bioprinting for tumor modeling in space. Trends in Biotechnology, 2025.

网页链接：https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2025.03.018

关于BRE团队：
Bioprinting and Regeneration Engineering（BRE）：清华大学生物制造中心生物打印与再生工程团队，聚焦生物制造、生物3D打印、再生医学、组织工程等前沿领域，分享进展，交流体会。