“国际空间站”生物医药商业应用研究进展

张美姿 赵辉 胡肖传

（1中国空间技术研究院航天神舟生物科技集团有限公司 2天津第一中心医院生殖医学科）

众所周知，“国际空间站”是开展科学研究和技术开发的平台，主要采用政府提供资助、承包商提供产品和服务的模式。随着商业公司在“国际空间站”活动参与度的增加，从制药公司在“国际空间站”上开展基于商业目的的研究，到私人公司为“国际空间站”研究提供独特的运输、保障服务，再到商业运输旅游乘员项目，“国际空间站”正调整自身，以适应新的模式需求——商业需求，这是一种以公司或个人提供资金支持、政府作为客户的新模式。

1 空间商业应用的法规与发展计划

为了更好地开展空间商业应用，美国和日本的航天机构纷纷出台了鼓励“国际空间站”商业研究的政策法规与发展计划。

美国空间商业应用的政策与法规

美国国家航空航天局（NASA）已经立法并行政授权与商业部门共同工作，推动美国的空间商业应用。2010年，美国的空间政策提出将空间商业研究领域作为空间技术持续发展的重要驱动力，致力于鼓励和促进空间商业领域的增长，这不仅能满足美国航空航天事业的需要，也将形成具有全球竞争力的新市场和持续创新力的新产业。2010年12月，美国国会通过《美国国家航空暨太空法案》，该法案航空和航天活动协调章节的管理功能部分提出，寻求和鼓励最大程度地实现空间的商业用途。这表明，美国鼓励和促进空间商业领域的发展，使“国际空间站”作为其引领全球创新产业的新平台。

日本的空间经济发展计划

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）一直鼓励“国际空间站”日本“希望”实验舱和H-2转移飞行器的商业化发展，提出了“希望”实验舱的商业利用计划，使其为全人类和日本造福。JAXA的商业利用计划聚焦三个方面：第一，促进空间站的应用成为潜在的新商业领域；第二，为利用空间站资源的商业客户提供新的机会；第三，增强“希望”实验舱的功能。

在促进潜在的商业市场形成方面，JAXA确定了面向地面应用的空间有前途的研究领域，它们是空间蛋白质晶体生长的药物设计、地球观测和新材料。

在为商业客户提供新机会方面，2013年JAXA启动了新的商业使用计划，持续鼓励非传统的客户利用空间站，为客户提供更友好的使用服务。如基于自身的小卫星发射技术帮助巴西微小卫星发射，基于空间蛋白结晶技术平台为日本制药公司提供空间服务等。

在加强“希望”实验舱的商业支持能力建设方面，JAXA持续升级现有的“希望”实验舱内的装备，同时安装一些新的设备，包括用于啮齿动物空间研究的啮齿动物培养装置、荧光显微镜和用于新材料研究和高温热性能数据采集的静电悬浮炉(ELF)等。

2 空间生物医药的商业应用研究

“国际空间站”生物医药商业应用是在新型产业迫切需求基础上发展起来，依托政府扶持，各国航天机构整体设计和主导，由大型医药企业和科研院校研究人员参与共同推动空间生物医药的创新发展。

美国是全球生物技术的产业龙头，其开发的产品和市场销售额均占全球70%以上，遥遥领先于其他国家。100种畅销药中有约30%的药物用于防治退行性疾病，如关节炎、癌症和骨质疏松症，而空间微重力环境为这些退行性疾病研究带来了持续发现新药的机会。

在企业需求、新型产业和NASA任务主导下，NASA战略制定办公室制定了10个私营企业感兴趣并愿意投资的空间商业应用研究领域，生物医药的微重力研究位列其中。生物技术制药公司感兴趣的空间生物医药研究主要集中在与老年相关的疾病、肿瘤和感染性疾病的药物研究，针对药物开发的蛋白质结晶研究以及干细胞的组织工程和再生医学研究等方面。

与老年相关的疾病、肿瘤和感染性疾病的药物研究

（1）骨质丢失药物研究

美国加州的安进生物制药公司提供大量研究资金，采用动物培养模块，在微重力下利用小鼠测试了三种在研药物：骨保护素、肌肉生长抑制素和硬化蛋白抗体。

第一种药物是骨保护素。它是一种天然的核因子κB受体活化因子（RANK）配体抑制剂，作用于破骨细胞前体细胞和破骨细胞的RANK信号通路抑制骨吸收。2001年5月12日，在航天飞机第108次任务中，用24～30只雌鼠在空间开展了11天20小时的飞行试验。研究表明，空间飞行药物处理组的小鼠骨密度远高于空间飞行未处理组和地面对照组；空间飞行促进了骨吸收、降低了骨形成，导致骨密度降低，骨保护素可通过抑制骨吸收而增加骨密度。2010年，美国国家食品与药品管理局（FDA）批准RANK配体抑制剂人单抗地诺塞麦上市，商品名为Prolia的注射剂用于预防女性绝经后骨质疏松，商品名为Xgeva的注射剂用于骨转移肿瘤的治疗。2012年两款产品的营业额超过12亿美元，2014年营业额超过30亿美元。安进生物制药公司继续开展上市药物其他适应症的临床试验研究，Prolia用于类风湿性关节炎、糖皮质激素诱导的骨质疏松以及男性骨质疏松治疗；Xgeva用于治疗多发性骨髓瘤以及预防乳腺癌和前列腺癌的骨转移。

第二种药物是肌肉生长抑制素。该抑制素于1997年被发现，是转化生长因子β（TGF-β）超家族成员，在骨骼肌中广泛表达并负调节肌肉的生长。2007年8月8日，在航天飞机第118次任务中， 注射了肌肉生长抑制素（单跨膜域丝氨酸/苏氨酸激酶激活素受体IIB型，ActRIIB）的24只小鼠在空间开展了12天18小时的飞行试验。肌肉组织研究表明，空间飞行使肌纤维变小，改变了肌纤维的类型（由慢型转向快型）；ActRIIB空间药物处理组的肌纤维变大，肌卫星细胞被激活。骨组织研究表明，ActRIIB可有效缓解空间小鼠的骨丢失。经研究，ActRIIB可以用于治疗肿瘤的恶病质，有效延长患者的生存期。肌肉生长抑制素的药物开发已经被多家生物制药公司，如安进生物制药公司、惠氏公司、亚原子制药公司、礼来公司、辉瑞公司和米洛生物技术公司，用于治疗肿瘤和各种肌肉营养不良的临床Ⅰ和Ⅱ试验研究。

第三种药物是硬化蛋白抗体。2011年8月7日在航天飞机第135次任务中，用30只小鼠在空间开展了12天18小时的飞行试验。研究表明，空间飞行药物处理组的小鼠骨密度远高于空间飞行未处理组和地面对照组；空间飞行促进了骨吸收、降低了骨形成，导致骨密度降低，OPG可通过抑制骨吸收而增加的骨密度。硬化蛋白抗体显著增加了骨形成，完全阻止了空间飞行引起的骨丢失。安进生物制药公司与加州大学伯克利分校联合开展硬化蛋白抗体Romosozumab的临床试验研究，用于治疗绝经期妇女的骨质疏松。

（2）肌肉萎缩药物研究

肌肉萎缩易发于两类人群：长期飞行的航天员和老年人。尽管航天员每天进行至少2h的身体锻炼，但仍无法补偿微重力导致的肌肉萎缩。肌肉萎缩在地面更加普遍，而且每个人在变老过程中都要经历肌肉的丢失；另外，许多严重疾病，如癌症，肌肉萎缩更加严重。诺华生物医学研究所利用小鼠在空间微重力环境下研究肌肉丢失的机制。诺华生物医学研究所的科学家们用几年时间，将加速肌肉丢失的环指蛋白-1（MuRF-1）进行基因敲除，获得了可抵抗肌肉损失的转基因小鼠。首席科学家Sam Cadena已于2014年9月将10只MuRF-1敲除小鼠送到“国际太空站”，完成了3周的在轨实验，验证MuRF-1敲除小鼠模型是否有效，这对于MuRF-1靶点的药物开发具有重要意义。

（3）肿瘤药物输送技术研究

全身侵袭的肿瘤化疗方案能引发患者出现恶心、免疫抑制、脱发甚至器官衰竭等。微囊技术是一种肿瘤靶向治疗方法，能直接将治疗药物输送到肿瘤组织，显著缓解全身治疗的副作用。NASA的Dennis Morrison博士在2002年“国际空间站”第5次远征任务开展了微囊静电处理系统（MEPS）项目研究。研究表明，微重力环境下，不同密度的药物和包裹液体由于无沉降不会产生分层现象，而且借助表面张力包裹药物的微囊更易形成球形，因此产生的包裹浓缩抗癌药物的微囊更有效。地面医学实验表明，采用微囊技术进行局部注射，能抑制人体前列腺肿瘤和肺肿瘤的生长；抗癌微囊注射结合冷冻外科治疗，能够在3周内使肿瘤缩小1～2cm。至今，MEPS技术已有13项专利获得授权，2项在受理中。纽维生物制药公司已获得该技术的授权，针对乳腺癌的微囊治疗技术正在申请FDA的批准，预计10年后将大规模应用于临床治疗。该项研究已被NASA的“国际空间站”实验室首席科学家朱莉·罗宾逊博士列为“国际空间站”最重要的十大科学成就中的第一名。

（4）疫苗研究

致病菌的疫苗研究是制药企业所关心的领域。美国达勒姆退伍军人事务医学中心的Timothy G. Hammond研究员在空间站远征任务16、17、18、19/20、21/22、23/24、25/26和 27/28上， 开展了沙门氏菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、致病菌、铜绿假单胞菌、克雷伯氏菌、奇异变形杆菌、肺炎链球菌、粪肠球菌、李斯特氏菌病和白色念珠菌等致病菌的毒力研究。研究表明，空间飞行中，PipA缺陷的沙门氏菌感染野生型和Tol1缺失的L2幼虫时，沙门氏菌毒力降低；李斯特菌、粪肠球菌、白色念珠菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的毒力降低。这些研究结果有助于新型减毒活疫苗的开发。

由美国亚利桑那州立大学的Cheryl A.Nickerson博士主持开展的重组减毒沙门氏菌疫苗研究（“国际空间站”27/28远征任务），实验目标是在空间创新平台上，通过获得新的疫苗基因和疫苗再设计等手段，提高疫苗的疗效与保护性免疫应答，同时尽量减少不必要的副作用。该实验设计将空间飞行的疫苗与地面的样品进行比较分析，活的样品用于免疫小鼠模型和固定后电镜分析，在轨固定的样品进行全基因组表达谱分析。目前，该项目的试验结果还没有公布。

空间蛋白质结晶的药物研究

蛋白质在空间微重力环境（无沉降、无对流、低扩散）下，形成的结晶更大，更高度有序、更纯、悬浮更均一。地面科学家用X线晶体学确定空间形成的蛋白质晶体结构，有助于研究人员设计新的药物。在空间蛋白结晶方面，NASA和JAXA开展了大量商业研究。

（1)单克隆抗体晶体研究

默克公司早期利用航天飞机开展了一系列蛋白结晶研究。基于前期研究成果，默克公司自2014年4月起又持续进行了10次单克隆抗体晶体的空间飞行实验。由首席科学家Paul Reichert主持，采用手动高密度蛋白晶体生长设备（HDPCG），在“国际空间站”上研究默克公司研制的用于治疗疾病的单克隆抗体，以期在结构解析、药物输送、蛋白纯化和生物活性物保存等应用中获得突破。目前研究表明，微重力环境下获得的蛋白浓度更高，这不仅可改善现有抗体浓度低、输液时间长的问题，也将提高抗体的运输和储存效率。

（2）蛋白质晶体生长

JAXA在蛋白结晶方面已开展了20多年的研究，致力于获得高质量的蛋白结晶，300多个蛋白样品已被送到太空，80%的蛋白获得了高质量的晶体，这为设计新药提供了重要信息。除了开展国家资助的科研项目外，JAXA也积极鼓励药物研发公司开展空间蛋白结晶药物研究。截至目前，日本的Interprotein公司、中外制药株式会社和爱科来公司都参加了空间蛋白质晶体生长实验。

CASlS奖励空间干细胞技术研究

Interprotein公司与日本中外制药株式会社公司参加了“JAXA蛋白结晶计划”第2阶段实验系列的第1次实验（2014年3-5月），Interprotein公司需要获得高质量、共结晶的蛋白质和小分子化合物结构，便于有效的药物设计；日本中外制药株式会社通过微重力高质量的晶体生长，旨在获得精确的三维结构蛋白质，有助于了解候选药物的结构/功能关系，开发革命性的新药物。

ARKRAY公司和东京农业技术大学合作，参加“JAXA蛋白结晶计划”第2阶段实验系列的第2次实验（2014年9-11月）。此项实验希望通过对研发生物传感技术所必不可少的蛋白质结构进行分析，获得高纯蛋白样品的制备方法和结晶条件，将其应用到有助于糖尿病诊断和治疗的创新型生物传感系统。这是世界上首次尝试利用空间环境研发糖尿病护理用生物传感系统。

空间干细胞的组织工程和再生医学研究

干细胞的空间微重力研究有助于药物筛选、组织工程、细胞替代治疗和细胞重编程方面的技术进步。为此，空间科学发展中心（CASIS）提出了题为“微重力对干细胞基本性质的影响”的项目征集。2013年，为了鼓励空间干细胞技术研究，CASIS已宣布授予7位从事干细胞的研究者奖项，总奖项金额达200万美元。该领域的研究成果一直受到生物制药企业的关注，有望得到企业资助和联合研发。

3 结束语

我国空间站运行在即，基于上述论证，国外空间生物医药商业应用研究可借鉴经验如下：①尽早规划我国空间站的商业应用领域，布局站内的商业研究平台；②制定各种鼓励政策，吸引国内企业和公司的积极参与，使空间站作为其产品研发的创新平台；③在现有国外空间生物医药研发成果基础上，结合我国生物医药产业的优势资源，确定优先突破的技术领域，培育出几个重磅级的生物医药产品。