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，失重狀態對人體老化究竟有什么影響？在小型衛星和小行星等微重力環境下，某些細胞又如何發展？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展。這些年輕研究人員目前正設計一款衛星平臺，用于進行相應的生物實驗。該平臺的運行具有非常高規格的要求。具體而言，這套全自動化系統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和mRNA的測量來衡量，這些蛋白質和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出熒光。整個實驗將在僅十立方厘米的空間內進行兩個月。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。”

圖一：SAGE Cubesat必須在發射到太空的過程中承受強大的物理應力，之后將經受輻射和溫度波動的考驗

02 友思特 IDS產品的絕妙應用

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激發微流控芯片中的細胞，這些細胞會發出綠光，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，該相機獲得的數據非常有科學價值，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，現在可以省去。這又節省了大量空間。此外，我們的相機也滿足了航空環境的嚴苛要求，包括火箭發射時的強烈震動以及真空和宇宙輻射條件下的軌道環境。

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：細胞根據衰老速度發出不同數量的綠光

接下來，讓我們來看看這個用于航空科學探索的相機參數。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，它可以將要傳輸的數據量減少四分之一，從而提高光敏感度和幀率。由于其極其節省空間的設計，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，該控制器在衛星上處理和壓縮數據，然后將數據發送回地球。

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。基于研究結果，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各種困擾人類特別是老年人的疾病的驅動因素，如癡呆癥、動脈硬化、糖尿病和關節炎。此外，它們也被懷疑是腫瘤發展的因素之一。根據一項研究，SARS-CoV-2可能也是衰老的觸發因素，這可能是長期Covid持續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為健康促進做出貢獻。