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，某些細胞又如何發(fā)展？針對上述問題，瑞士人工重力實驗（SAGE）開始專注研究。由瑞士多所大學學生組成的團隊（瑞士學術空間倡議ARIS）希望探究太空環(huán)境下人體的衰老過程，以及細胞衰老如何影響衰老和年齡相關疾病的發(fā)展。這些年輕研究人員目前正設計一款衛(wèi)星平臺，用于進行相應的生物實驗。該平臺的運行具有非常高規(guī)格的要求。具體而言，這套全自動化系統(tǒng)作為一個持久的測試場地，在所需的太空條件下將成為人類細胞系列的離心機。

在有關該平臺的解決方案中，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)品究竟在這項實驗中扮演了什么重要角色？讓我們一起通過這期應用案例了解吧！

01 太空實驗的設備需求

人體的衰老過程發(fā)生在細胞層面，這一過程通常被稱為細胞衰老。當然，這也是一種細胞停止分裂并分泌炎癥因子的現(xiàn)象。SAGE負載工程師Jonas Schl?r解釋道：“基于NASA及全球許多其他團隊的研究，我們有理由相信細胞在微重力下的衰老速度比地球上慢。這種效應可以通過某些蛋白質(zhì)和mRNA的測量來衡量，這些蛋白質(zhì)和mRNA在細胞衰老時釋放。信使RNA（mRNA）已成為促進或抑制細胞衰老的關鍵因素。通過熒光標記，可以標記這些mRNA，并在合適的光照射下使其發(fā)出熒光。整個實驗將在僅十立方厘米的空間內(nèi)進行兩個月。為了在這樣的條件下測量和分析必要的過程，我們需要一臺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大的物理應力，之后將經(jīng)受輻射和溫度波動的考驗

02 友思特 IDS產(chǎn)品的絕妙應用

在實驗室測試中，團隊的顯微鏡使用了友思特 IDS U3-38J1XLE-C-HQ相機。該相機捕捉了放置在微流控芯片上的人體細胞的熒光mRNA。微流控芯片可以將復雜實驗室功能微型化并集成到單個芯片中，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。使用微流控通道可測試非常小的樣品體積。借助IMX415滾動快門傳感器高分辨率的相機，可以區(qū)分個別細胞。該傳感器的高像素密度尤其能夠顯示直徑僅為15微米的個別細胞。藍色LED激發(fā)微流控芯片中的細胞，這些細胞會發(fā)出綠光，其亮度取決于衰老速率。衰老速率較高的細胞釋放更多的熒光蛋白，因此更亮。光學濾波器僅允許細胞的綠光通過鏡頭進入相機。上述操作不僅可以確定細胞的總衰老率，還能測量特定的活細胞數(shù)目。

圖二：熒光顯微鏡屏幕顯示相機捕捉到的細胞

我們可以看到，相機具有眾多軟件相關的設置選項，如曝光時間或色彩濾鏡，這讓它在設計過程中能夠保持高度的靈活性。因此，該相機獲得的數(shù)據(jù)非常有科學價值，特別是以前沒有通過這種方式進行過可比較的研究。同時，熒光顯微鏡通常需要一個復雜的裝置，現(xiàn)在可以省去。這又節(jié)省了大量空間。此外，我們的相機也滿足了航空環(huán)境的嚴苛要求，包括火箭發(fā)射時的強烈震動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、微流控芯片和LED參與細胞研究的顯微鏡方案

圖四：細胞根據(jù)衰老速度發(fā)出不同數(shù)量的綠光

接下來，讓我們來看看這個用于航空科學探索的相機參數(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。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)省空間的設計，友思特 IDS相機可以理想地集成到此嵌入式應用中。相機由微控制器控制，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

03 未來展望

該實驗計劃運行3年?；谘芯拷Y(jié)果，我們有許多可考慮的情景。例如，科學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)動因素，如癡呆癥、動脈硬化、糖尿病和關節(jié)炎。此外，它們也被懷疑是腫瘤發(fā)展的因素之一。根據(jù)一項研究，SARS-CoV-2可能也是衰老的觸發(fā)因素，這可能是長期Covid持續(xù)癥狀的一個可能解釋。

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