在太空中衰老速度会放缓？
显微镜在小型空间卫星研究人体细胞
太空探索越来越重要，越来越多的宇航员在太空遨游。但是失重对人体衰老有什么影响呢？某些细胞是如何在微重力条件（比如在小卫星和小行星上）下发育的？瑞士人工重力实验（SAGE）致力于这项研究任务。来自瑞士多所大学的一个学生团队（瑞士学术空间计划(ARIS)）希望研究人类的衰老过程如何在太空中发生变化，以及细胞衰老如何影响衰老进程和与年龄相关疾病的发展。这些年轻的研究人员目前正在设计打造一个卫星平台，开展相应的生物实验，这种平台必须能够满足极端要求。这种全自动系统将在符合要求的空间条件下担负起长期试验场的重任，并作为待研究的人类细胞系的离心机。这一CubeSat解决方案的核心是一台荧光显微镜，显微镜配备了微流控芯片和来自uEye XLE 产品系列的高分辨率USB3相机。
在人体中，衰老过程发生在细胞一级，这被称为细胞衰老。这是一种细胞停止分裂并分泌炎症因子的现象。“根据美国国家航空航天局和世界各地许多其他组织的研究，我们有理由相信细胞在微重力条件下的老化速度比在地球上慢。这种效应可以通过细胞衰老过程中释放的某些蛋白质和mRNA来测量。信使核糖核酸（mRNA）已成为促进或预防细胞衰老的重要因素。我们可以通过荧光标记方法对mRNA进行标记，这样，在用合适的光照射时，它就会发光。整个实验为期两个月，实验空间仅有10立方厘米。为了在这些条件下测量和分析必要的过程，我们需要一个特别可靠和紧凑的荧光显微镜，”SAGE有效载荷工程师Jonas Schlör解释道。
在实验室试验中，显微镜使用了 U3-38J1XLE-C-HQ。相机从放置在微流控芯片上的人体细胞中捕获荧光mRNA。微流控芯片能够在单个芯片上实现复杂实验室功能的小型化和集成。这节省了空间并减少了对样本的需求。微流控芯片包含雕刻或塑造成形的微通道，待分析的流体可以通过这些通道流动。微流体通道的使用使得样品的体积非常小。配备索尼IMX415滚动快门传感器的相机分辨率很高，因此可以区分单个细胞。这款传感器像素密度高，能够显示直径仅为15μm的单个细胞。一个蓝色的LED为微流控芯片中的细胞提供能量。这些细胞根据衰老的速度发出不同强度的绿光。滤光片只允许来自细胞的绿光通过镜头进入相机。这不仅可以确定细胞的一般衰老速率，还可以确定活细胞的具体数量。
“相机具有许多与软件相关的设置选项，如露出時間或滤色片，这使得整个设计过程非常灵活。”
Jonas Schlör解释道：“以前从未以这种方式进行过类似的研究，我们获得的数据非常有意义，具有科学相关性。”此外，可以省去荧光显微镜通常需要的复杂设备，可以节省大量空间。“相机还具有许多与软件相关的设置选项，如露出時間或滤色片，这使得整个设计过程非常灵活。” 它还必须满足外部环境的苛刻要求。其中包括火箭发射时的强烈振动，当然还有真空和宇宙辐射下的轨道条件。
配备8.41M像素和4K分辨率的U3-38J1XLE Rev.1.1特别适合这种类型的可视化任务。2x2合并读出功能可以根据需要将要传输的数据量缩减至四分之一，从而提高感光度和帧率。索尼的IMX415滚动快门传感器提供高分辨率数据，用于详细的图像分析。IDS相机的设计极其节省空间，非常适合集成到这个嵌入式应用中。相机由微控制器控制，微控制器可以在卫星上处理和压缩数据，然后将数据发送到地球。软件以及控制算法由瑞士学术空间计划的学生自己开发和测试。
实验对系统或CubeSat的要求很高：CubeSat必须为子系统和部件提供连接点，并确保卫星从放入运载火箭到使用寿命结束的结构稳定性。所有部件都必须承受运载火箭在上升过程中产生的物理应力，随后在太空中要经受辐射和温度波动，同时还必须尽可能轻便。卫星原型已经取得第一批有潜力的成果。
应用前景
实验设计运行3年。根据研究结果，各种场景都是可以想象的。例如，首先，科学家们想弄清楚某些疗法是否能改善宇航员的健康状况。衰老细胞可能是痴呆症、动脉硬化、糖尿病和关节炎等各种疾病的驱动因素，这些疾病导致人们生活困难，对于老年人尤其如此。此外，衰老细胞还可能会影响肿瘤的发展。根据一项研究，SARS-CoV-2也可能是衰老的触发因素之一，这可能是长新冠肺炎持续症状的一种解释。
瑞士人工重力实验可以为可能的治疗方法提供有意义的思路。而是越来越多的IDS相机能够为全球的人类健康做出贡献。IDS创始人兼所有者Jürgen Hartmann强调：“这是一个触动我们内心的应用领域。”
uEye XLE USB3 Vision - 始终如一的成本优化。
使用的型号：U3-38J1XLE-C-HQ
客户
瑞士学术空间计划汇集了多所瑞士大学对太空探索充满热情的学生。研究成员们以苏黎世联邦理工学院为中心，通过结合理论和实践来应对技术挑战。火箭正在建造中，同时他们联合SAGE（瑞士人工重力实验）开发第一颗3U-CubeSat卫星。