在国际空间站给40只小老鼠打针是一种什么体验？

国际空间站

全世界每三秒钟就有一人因骨质疏松发生骨折。 骨质疏松症是一种进行性疾病，导致骨密度降低，骨骼脆弱，易发生骨折。骨质疏松性骨折严重降低生活质量，骨折后身体缺乏运动，进一步加剧骨质流失，让患者面临再度骨折风险。

2017 年 6 月， SpaceX 公司的 CRS-11 飞船奔赴国际空间站，为空间站的国家实验室送去 40 只小老鼠。这些小家伙用于执行“啮齿类研究 -5 ”任务（以下简称 RR-5 ），旨在改进骨质疏松疗法，造福地球上的患者。 RR-5 任务验证了一种立基于天然蛋白 NELL-1 的骨质疏松新疗法的功效，同时大幅改进新疗法的给药方式。

当前的绝大多数骨质疏松药物只能延缓骨骼破裂，而无法生成新骨骼。 NELL-1 疗法由加州大学洛杉矶分校的一支研究小组研发，能够做到“双管齐下”。研究表明 NELL-1 不仅能够帮助预防进一步的骨质流失，同时还能促进新骨形成，替代流失的骨质。 这种疗法能够大幅改善严重骨质疏松患者的健康和生活质量。

左为健康骨骼，右为骨质疏松症患者的骨骼

加州大学洛杉矶分校的研究小组由权嘉（ Chia Soo ）带队。为了进一步评估 NELL-1 疗法的功效，研究小组在空间站国家实验室的老鼠身上进行测试。 微重力环境能够加快老鼠的骨质流失，速度超过地球上的绝经后骨质疏松或者废用性骨质疏松。 这意味着太空是研究骨质疏松疗法的一个理想环境。

RR-5 任务研究员郭金熙（ Jin Hee Kwak ）表示：“在微重力环境下测试拥有很大优势，因为这种环境能够让骨质流失达到一个极端状态。 如果 NELL-1 疗法在一个微重力模型上收到很好的效果，则同样适用于地球上最严重的骨质流失情况， 进而证明这种疗法的功效。”

RR-5 任务首席研究员权嘉

NELL-1 是人体内天然生成的一种蛋白质， 20 多年前牙齿矫正医师和 RR-5 任务研究员丁康（ Kang Ting ）发现它的生骨功效。当时，他一直对头骨骨质增生的儿童进行研究，希望通过分析这些患者的基因表达来揭示一种与骨生长有关的蛋白质。丁康说：“我们要解答两个问题——能否找到一种方式，揭示哪些因素导致骨质增生患者的骨生成？又能否发现相关蛋白，利用它帮助那些需要促进骨生成的患者？”

在对数百万基因进行筛查后，丁康发现 NELL-1 蛋白在头骨骨质增长的儿童体内过度表达。这一发现促使他研究 NELL-1 ，以确定这种蛋白是否就是骨生成因子。一个独立研究小组将 NELL-1 的未表达与低骨密度联系在一起。丁康和加州大学洛杉矶分校的同事在此基础上继续前进，最终发现 缺乏 NELL-1 蛋白的老鼠随着衰老出现骨质疏松症状。

空间站老鼠实验将造福骨质疏松患者

在几个动物模型身上，研究小组证明 NELL-1 蛋白能够有效治疗骨质疏松症。 不过， NELL-1 疗法只能通过局部给药这种方式。 换句话说， NELL-1 必须在手术过程中直接注射到患者的病变部位。为了提高 NELL-1 的治疗效果，研究小组需要对 NELL-1 进行改进，以实现全身给药。理想的情况是，通过皮下注射促进全身骨骼生长。

在研究 NELL-1 疗法全身给药时，研究小组建议在空间站国家实验室的微重力环境下测试这种疗法。 此外，他们还获得美国空间科学促进中心的一笔经费，帮助他们实施 RR-5 任务。一旦完成 NELL-1 的修改工作，他们的研究触角便可延伸到空间站。

国际空间站国家实验室的啮齿类栖息地

研究 NELL-1 全身性治疗，每隔几周进行一次注射以促进骨生长，无疑能给骨质疏松患者带来极大福祉，但修改 NELL-1 分子并非一项简单的任务。研究小组需要找到一种途径， 让 NELL-1 分子在血液内循环足够长时间，以达到促进骨生成的目的。 此外， NELL-1 分子只能依附在骨骼上，以确保功效和安全。

空间站上的宇航员通常每 14 天对老鼠进行一次评估，因此注射间隔至少要达到 14 天。让 NELL-1 在血液内逗留 14 天是一项很大的挑战。为了做到长时间循环，研究小组需要降低毒性，确保这种新疗法的安全。丁康表示：“我们尝试修改 NELL-1 分子， 不让它们在血液内盲目地循环，而是成为一个靶向分子，寻找骨骼并依附在骨骼上。 这能够提高 NELL-1 疗法的功效，降低对器官的毒性。我们不希望这种分子对人体器官造成损伤。”

装有 NELL-1 蛋白的注射器

在 RR-5 任务研究员、前加州大学洛杉矶分校生物工程系主任本杰明·吴（ Benjamin Wu ）的帮助下，研究小组利用一种名为“聚乙二醇化”的方式对 NELL-1 进行改造。聚乙二醇化能够延缓肝脏分解 NELL-1 分子的速度，进而延长 NELL-1 在血液内的逗留时间。 为了帮助 NELL-1 找到骨组织，研究小组给 NELL-1 添加惰性骨搜寻分子二磷酸盐。

修改后的 NELL-1 分子被称之为“ BP-NELL-PEG ”。在一项地面实验中，研究小组利用母鼠测试 BP-NELL-PEG 。母鼠的卵巢摘除，以诱导骨质疏松。实验中，他们每隔 14 天向母鼠的腹部注射一次 BP-NELL-PEG ，最后收到了很好的治疗效果。

RR-5 任务组成员：本杰明·吴、权嘉、丁康和郭金熙

郭金熙表示研发 14 天注射间隔的 NELL-1 疗法是研究小组面临的最大技术挑战之一，但成功延长注射间隔能够给患者带来很大福祉。与当前的绝大多数骨质疏松药物相比，患者注射 BP-NELL-PEG 的次数更少。这不仅减少了他们前往医院的次数，同时也让这种疗法更具经济可承受性。

RR-5 任务首席研究员权嘉指出：“我们实施的 RR-5 任务提高了给药的效率和靶向性，极大地提高了这种疗法应用于临床的可行性。如果你能找到一种更简单的给药方式，同时大幅减少注射频率，无疑是患者的巨大福音。”在对 NELL-1 分子进行优化并实现 14 天的注射间隔后，研究小组开始测试这种全身性疗法在极端条件下的功效，即微重力环境导致的骨质流失。

CRS-11 飞船搭乘猎鹰 9 型火箭发射升空

2017 年 6 月， CRS-11 飞船奔赴空间站，为空间站送去 40 只 8 个月大的母鼠（骨骼已经成熟）。另有 40 只老鼠留在美国宇航局的肯尼迪航天中心，作为控制组。无论是空间站上的老鼠还是地面控制组，只有一半接受 BP-NELL-PEG 疗法。

RR-5 任务持续 9 周，任务进行到一半时， 20 只老鼠活体被送回地球——一半接受 BP-NELL-PEG 疗法——与控制组的老鼠进行比较。另外 10 只接受治疗的老鼠继续留在空间站，直到它们寿终正寝，冷冻标本搭乘 CRS-12 飞船返回地球。

啮齿类研究硬件系统，包括栖息地（左）、运输器（中）和动物访问单元（右）

很多分析只能在活组织和活细胞情况下进行，因此将老鼠活体送回地球是 RR-5 任务的一个重要环节。 2017 年 7 月，搭载老鼠的 SpaceX “龙”飞船溅落太平洋。令研究小组感到欣喜的是，所有老鼠存活并且身体健康。送回洛杉矶分校不到一天，研究小组发现这些老鼠的毛发很有光泽，说明它们心情不错，曾梳理毛发。郭金熙说：“我们的小老鼠全须全尾地回来了。它们很安全，很健康，也很快乐。这是一个重要的里程碑。令我们所有人感到兴奋的是，我们的所有数据都非常可靠。”

埃姆斯研究中心研制的生物医学测试模块，用于搭载老鼠奔赴空间站