太空探索的魅力：让微视觉技术揭开人类衰老之谜

 

太空探索的重要性日益凸显，越来越多的宇航员在太空漫游。然而，失重状态对人体老化究竟有什么影响？在小型卫星和小行星等微重力环境下，某些细胞又如何发展？针对上述问题，瑞士人工重力实验（SAGE）开始专注研究。由瑞士多所大学学生组成的团队（瑞士学术空间倡议ARIS）希望探究太空环境下人体的衰老过程，以及细胞衰老如何影响衰老和年龄相关疾病的发展。这些年轻研究人员目前正设计一款卫星平台，用于进行相应的生物实验。该平台的运行具有非常高规格的要求。具体而言，这套全自动化系统作为一个持久的测试场地，在所需的太空条件下将成为人类细胞系列的离心机。

 

在有关该平台的解决方案中，友思特 IDS uEye XLE系列的荧光显微镜和微流控芯片的装置是核心搭载器件。友思特产品究竟在这项实验中扮演了什么重要角色？让我们一起通过这期应用案例了解吧！

 

 

01  太空实验的设备需求

 

人体的衰老过程发生在细胞层面，这一过程通常被称为细胞衰老。当然，这也是一种细胞停止分裂并分泌炎症因子的现象。SAGE负载工程师Jonas Schlör解释道：“基于NASA及全球许多其他团队的研究，我们有理由相信细胞在微重力下的衰老速度比地球上慢。这种效应可以通过某些蛋白质和mRNA的测量来衡量，这些蛋白质和mRNA在细胞衰老时释放。信使RNA（mRNA）已成为促进或抑制细胞衰老的关键因素。通过荧光标记，可以标记这些mRNA，并在合适的光照射下使其发出荧光。整个实验将在仅十立方厘米的空间内进行两个月。为了在这样的条件下测量和分析必要的过程，我们需要一台特别可靠且紧凑的荧光显微镜。”

 

图一：SAGE Cubesat必须在发射到太空的过程中承受强大的物理应力，之后将经受辐射和温度波动的考验

 

 

02  友思特 IDS产品的绝妙应用

 

在实验室测试中，团队的显微镜使用了友思特 IDS U3-38J1XLE-C-HQ相机。该相机捕捉了放置在微流控芯片上的人体细胞的荧光mRNA。微流控芯片可以将复杂实验室功能微型化并集成到单个芯片中，从而节省空间并减少样本需求。微流控芯片包含刻有或成型的微通道，可供要分析的液体流动。使用微流控通道可测试非常小的样品体积。借助IMX415滚动快门传感器高分辨率的相机，可以区分个别细胞。该传感器的高像素密度尤其能够显示直径仅为15微米的个别细胞。蓝色LED激发微流控芯片中的细胞，这些细胞会发出绿光，其亮度取决于衰老速率。衰老速率较高的细胞释放更多的荧光蛋白，因此更亮。光学滤波器仅允许细胞的绿光通过镜头进入相机。上述操作不仅可以确定细胞的总衰老率，还能测量特定的活细胞数目。

 

图二：荧光显微镜屏幕显示相机捕捉到的细胞

 

我们可以看到，相机具有众多软件相关的设置选项，如曝光时间或色彩滤镜，这让它在设计过程中能够保持高度的灵活性。因此，该相机获得的数据非常有科学价值，特别是以前没有通过这种方式进行过可比较的研究。同时，荧光显微镜通常需要一个复杂的装置，现在可以省去。这又节省了大量空间。此外，我们的相机也满足了航空环境的严苛要求，包括火箭发射时的强烈震动以及真空和宇宙辐射条件下的轨道环境。

 

图三：友思特- IDS相机、微流控芯片和LED参与细胞研究的显微镜方案

 

图四：细胞根据衰老速度发出不同数量的绿光

 

接下来，让我们来看看这个用于航空科学探索的相机参数。友思特 IDS U3-38J1XLE Rev.1.1具有8.41 MPixels和4K分辨率，非常适合高精度的可视化任务。借助2x2 binning功能，它可以将要传输的数据量减少四分之一，从而提高光敏感度和帧率。由于其极其节省空间的设计，友思特 IDS相机可以理想地集成到此嵌入式应用中。相机由微控制器控制，该控制器在卫星上处理和压缩数据，然后将数据发送回地球。

 

图5：友思特 IDS的uEye XLE系列高分辨率USB3相机

 

03  未来展望

 

该实验计划运行3年。基于研究结果，我们有许多可考虑的情景。例如，科学家们想找出是否某些疗法可以改善宇航员的福祉。但衰老细胞也可能是引发各种困扰人类特别是老年人的疾病的驱动因素，如痴呆症、动脉硬化、糖尿病和关节炎。此外，它们也被怀疑是肿瘤发展的因素之一。根据一项研究，SARS-CoV-2可能也是衰老的触发因素，这可能是长期Covid持续症状的一个可能解释。

 

总而言之，瑞士人工重力实验可能为潜在疗法提供有趣的方法。由此可见，友思特 IDS相机正在全球范围内为健康促进做出贡献。