1.前言

药物开发是一个费时费金的过程，其目的是研制潜在的新药物。制药公司承担了前期的费用及风险，并根据美国食品药品管理局（FDA）或其他类似国际监管机构的规定，对潜在的药物靶点进行临床第I、II、III阶段的试验。在美国，制药行业每年集体投资500亿美元进行药品研发。根据新分子实体的平均数量*，每种药物的平均成本为18亿美元；从药物发现与开发到药物进入市场的平均耗时为13.5年。因此，任何功效的提高或发现与研发时间的缩短都会极大地降低成本。太空环境可以为实现该目的提供有益的平台。

在地球上进行实验测试，某些参数可当作独立的变量，如温度、基质浓度等。这些变量可以改进，他们对因变量的影响也可以测量。然而，重力是个恒量：在绝大多数地表上，重力值为9.81m/s²。尽管如此，策略仍可当作独立变量，进而引起所测量参数的变化。对与药物发现与开发过程，也是如此。

人造卫星，包括研究实验室，如国际空间站（ISS）等，可以提供一个重力加速度约为1×10^-6m/s² 的环境，因此，该重力加速度也称微重力，度量前缀为µg。通常上讲，微重力引起的可观测反应可分为直接或间接影响。微重力产生的直接影响有可感觉到的加速信号或可测量到的重力变化、变形（张力、变曲及扭曲）或器官及细胞器的位移。在另一方面，间接影响是指在产生直接影响之前，微重力所引起的变化。直接影响的一个例子是，飘浮在国际空间站的宇航员由于下肢骨卸荷，每月会导致1.7%的骨质脱钙。间接影响的一个例子是，在试管液体媒介里，细菌生长的细胞外环境会发生变化。这会导致对抗生素的敏感度降低或毒性的增加。这些类型的影响可以并已经用于药物发现与开发的新平台。

*含有目前市场上没有的有效成份的药物。

2.与细菌有关的疾病

2.1 太空环境的作用

目前已观察到，在太空飞行中试管液体媒介里培养的单细胞生物，如细菌和某些真菌发生的某些现象。据空间实验报告，细菌不仅生长速度加快，生物膜也会发生改善。已观察到，在太空中，细菌的毒性或致病力增强、细胞膜增厚，组合后的基因复制能力也得到增强。此外，据记载文件，细菌对抗生素的敏感度降低。这些现象，大多数是微重力间接影响所产生的结果。在地球上，液体媒介中的培养物会发生重力驱动运动，如沉降或漂浮，其周围的液体因重力驱动对流而不断混合。然而，太空可以提供一个静止的环境，降低基质浓度，由于重力驱动力降低，质量传递仅限于布朗运动，紧邻细胞区域的新陈代谢副产物增加。尽管过去的物理测量手段及计算方式不足以证实细胞外模型发生的改变，但近来的基因表达分析（工作手稿）对此进行了补充。离开了重力驱动运动和对流，细胞周围会形成一个低剪切压力环境，并被认为是太空中所观察到的间接影响的诱因。高酸性（来自新陈代谢副产物）和代剪切压环境模拟了人体环境，进一步为细菌研究提供一个微重力环境的新平台。

2.2 疫苗发展

细菌感染是全球性普遍问题。沙门氏菌肠胃炎含有沙门氏菌（可通过食物传染），每年导致全球9300万例感染，155000人死亡。耐甲氧西林葡萄球菌奥里斯（MRSA）和链球菌肺炎是另两种细菌感染的例子，每年夺去几十万人的生命，并产生数十亿美元的健康护理费用。在太空所观察到的细菌毒性增强，已经并能够用作对付这些病原体疫苗的发展平台，并可能拯救上百万的生命。

在微重力环境中所进行的实验能够帮助发现毒性增强背后的调节机制。找到细菌致命能力增强背后的调控途径及基因，有助于发展新的治疗方法和疫苗。这是因为，这些靶点可以进行控制，避免出现毒性和/或对突变体进行设计，激发人体免疫系统的控制响应。在太空进行的细菌毒性研究已成为数个太空飞行实验的目的，包括国家实验室探路者疫苗（NLP-Vac）、太空飞行对微生物基因表达和毒性（细菌）影响系列、太空中基因的链球菌肺炎表达（SPEGIS）、微生物耐药性及毒性（MDRV）等等。

威尔逊等（2007）报告，沙门氏菌的毒性在太空里得到增强，并已认定RNA结合的Hfg蛋白极可是沙门氏菌对太空飞行环境进行响应的全局调节因子。另一个实验是重组衰减沙氏疫苗（RASV），研究将RASV疫苗用于另一种细菌即链球菌肺炎，对沙门氏菌株产生的变化。该实验的目标是使用太空飞行环境，通过寻找新的基因靶点及现有基因靶点重组设计和开发“下一代具有更高功效和保护性免疫反应的疫苗，并降低副作用”。由于RASV可用于不同的病原体，这些研究发现可对其他疫苗的发展产生重大影响。类型的研究继续发挥太空飞行的优点，并互为补充。如STL－免疫项目利用人类细胞从免疫反应方面对该问题进行分析，而Micro-5则利用新杆状线虫及沙门氏菌研究宿主－病原体之间的交互作用。

2.3 耐药性

在太空，需要更高浓度的抗生素来抑制太空飞行期间在试管液体媒介里培养的细菌生长。“药效降低”及“耐药性增强”等文献中已有此项报告；然而，这两种现象的作用并未明晰。尽管如此，观察表明，在应对耐药性中，微重力环境可为新分子实体药物靶点提供独一无二的平台，耐药性问题每年夺去全球十几万人的生命。

这正是太空抗生素药效（AES）初期系列实验的目的。这些实验辨出了（工作手稿）控制细菌行为的调节因子，包括其在抵制性抗生素浓度中的存活能力。沿着药物发现的路径，这些基因可作为耐抗菌细菌新药物的潜在靶点进行评估。

2.4 其他契机

同样，药物新陈代谢试验目前正在评估重新利用Metmorfin的可行性——将用于治疗2类糖尿病的Metmorfin药物用作抗癌因子。这可以通过在太空里对抗药物的酵母细胞（通常用作真核生物模型），因为在太空中改变的质量传递模拟了人体内部环境。对基因所传递的内容，改善酵母中的生存，可或转化为癌症治疗的新靶点。

2.5 生物科技－抗生素产品

生物科技是一门由生命体系与有机体相结合的学科，旨为发展新科技、新工艺和新产品－包括抗生素。今天所使用的大多数抗生素由自然产品合成，即真菌和细菌的次级代谢物。如具有抗菌作用的链霉素是作为灰色链霉菌的产物被发现的；而盘尼西林则是从青霉素菌中发现的。人们相信该抗菌剂产生有助于对抗环境中的其他微生物。提高抗生素的细菌和真菌合成效率，有助于降低大规模生产工艺的成本。太空飞行环境也可用于该目的，因为已观察到，在太空实验中二次代谢产物有所增加。拉姆等（1998年）报告，根赤壳菌素的产量增加了190%。根赤壳菌素是由腐质霉真菌二次代谢合成的。该实验进行数年之后发现，根赤壳菌素除了抗菌之外，还能抑制癌和肿瘤细胞的生长。某单独实验显示，由褶皱链霉菌合成的放线菌素D抗生素产量增加了577%。放线线菌素D抗生素同样具有抗击肿瘤的作用，因此被用于癌症治疗，包括维尔姆氏肿瘤。该肿瘤是儿童肾癌最常见的类型，患有妊娠滋养层疾病的孕妇也易犯该肿瘤。第三个太空试验分别对棕黑腐质霉和褶皱链霉菌及其根赤壳菌素和放线菌素D的产量进行了测试。其中，放线菌素D的产量增加了64%，并观察到根赤壳菌素的合成降低了（在地球上，比太空飞行中样本的产量多出25－57%）。值得注意的是，就前两项内容，本实验使用了不同的硬件及实验条件。第四个评估放线菌素D的试验显示，在为期72天的太空试验中，仅前12天的产量增加了28%。第二周之后，地球上的样本产生的放线菌素D超过了太空中的样本。这表明，还需要进一步研究太空中次级代谢物产量的特征。此外，中国的太空试验表明，圈卷产色链霉菌产生的尼柯霉素、弗氏链霉菌产生的泰乐菌素、地中海诺卡氏菌产生的康乐霉素C以及由普通生酮基古龙酸菌和苏云金杆菌产生的维生素C的产量都有所增加。微重力对发酵技术和生物分子工艺的影响可见参考文献55-57页。

3.骨骼相关的疾病：骨质疏松症

骨骼是一种以类似速度不断被重新吸收和重新生成的机体组织。骨质疏松症是指骨骼的重新生成速度慢于重新吸收的速度，并最终导致骨质脆弱。全球的骨质疏松症患者超过2亿，在年满50岁的女性中，三分之一的人患有骨质疏松性骨折。而且根据预测，到2050年，男性的臀部骨折发生率将增加310%，女性为240%。由于骨折会引发病态后果，世界卫生组织（WHO）认为预防骨质疏松对维持老年人群体的健康和生活质量至关重要。

3.1太空环境的作用

骨骼会对机械负荷发生的变化产生反应。比如，网球运动员持拍的手臂骨量会高于非持拍的手臂；举重运动员的骨量会高于游泳运动员的骨量。同样，脊髓受伤者的下肢骨量会减少，而腰椎骨量不会减少，这是因为坐在轮椅上时，腰椎部分仍然受到重力负荷。

由于宇航员无需通过垂直坐立来克服重力，承重的骨骼－下肢部位，主要是臀部和脊椎－不再承受地球的重力负荷。这种太空中的卸荷每月可导致平均0.5%的骨质脱钙，承重骨骼，如臀骨为1.7%。从该角度看，绝经后的女性若患有骨质疏松症而未治疗，每年可导致1.5%的骨量流失。微重力环境及其相关的骨量流失加速问题－可为发现和发展骨质疏松药物提供新的平台。

3.2太空中进行的试验

20世纪90年代，人们发现一种叫做NF－kB配合基（RANKL）受体催剂的蛋白质可以促进破骨细胞（能吸收骨骼的细胞）的形成，而另一种蛋白质，即护骨素（OPG）是破骨细胞的天然抑制剂。换句话说，护骨素可以变相提高骨骼密度。尽管向细胞注射护骨素在试管里效果良好，但在生物体内的功效不佳。进行该方面研究的安进制药公司，开发了多种分子试图解决该问题，并在STS-108航天飞机使命中，将其中一种分子（AMGN-0007）在老鼠身上进行了试验。试验表明，用过AMGN-0007药物并进行太空飞行的老鼠，其骨骼密度比地球上的控制组及进行太空飞行但未用过AMGN-0007药物的老鼠更大。AMGN-安进公司选择了另一种分子（AMG 162）进行进一步研究，并得出结论：尽管AMG 162对人类RANKL的亲和力低于AMGN－0007，但其循环半衰期更长。AMG162最终研制成狄诺塞麦，并于2010年由美国食品药品管理局批准生产。基于此有效成分，发展了另两种药物：治疗绝经后骨质疏松的普罗利亚和治疗骨转移的地诺塞麦。进一步的临床试验正在开展，将它们的使用范围扩大到风湿性关节炎、糖皮质激素诱发的骨质疏松和男性骨质疏松（普罗利亚）；癌症导致的骨骼损害（多种骨髓瘤）及预防乳腺癌和前列腺癌的骨转移（地诺塞麦）。2012年，普罗利亚和地诺塞麦的销售额超过了12亿美元。尽管AMG-0007最终并未发展成为狄诺塞麦，该试验表明了微重力环境对药物发展的分子测试所具备的使用价值。

这里还有一个测试新分子的太空试验。硬骨素是一种抑制骨骼形成的蛋白质。安进公司与加州大学大学伯克利分校制药公司共同研制了一种叫作sclAB的分子，可抑制硬骨素的活动，并在STS－135航天飞行中对30只老鼠进行了试验。与先前的分子相似，用过sclAB药物并进行太空飞行的老鼠，其骨质密度比地球上的控制组及进行太空飞行但未用过sclAB药物的老鼠更大。这些公司继续研究，并研制出了ROMOSOZUMAB，目前正处于临床第III阶段试验，预计于2017年进入市场，并成为治疗绝经后骨质疏松的金标准。

4. 肌肉相关的疾病

多种疾病可导致肌肉量流失，包括肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS），肌肉萎缩症，癌症，阻塞性肺疾病，糖尿病，风湿性关节炎，多发性硬化，获得性免疫缺乏综合症（AIDS），阿兹海默症，帕金森病，亨廷顿病，增龄性肌少症等。能够有效抑制肌肉减少的药物对生活质量改善很难量化。

4.1太空环境的作用

太空飞行环境有助于肌肉流失相关的研究。与太空里观察到的肌肉量流失相似，肌肉流失是重力卸荷的直接影响；受影响最大是在地球处于垂直状态而在太空中保持该姿势和稳定性的肌肉。肌肉萎缩发生在骨骼萎缩之前，在微重力环境中第一个月最为严重。有研究表明，在微重力环境中，除了脖子之外，所有肌肉群都会发生5%到17%的萎缩，并在第四个月达到稳定状态。

4.2 太空中进行的实验

20世纪90年代末，约翰•霍普金斯大学的科学家发现，一些患有“肌肉肥大”（也称为双肌）的动物，出现诸如超大肌肉群（老鼠身上最大肌肉增量可达300%）、力量增强及身体脂肪减少等症状，是因为合成肌骨素蛋白质的基因发生了突变。制药公司和生物科技公司开始研究潜在的肌肉抑制素抑制剂，为肌肉流失提供创新性解决方案。

在执行STS-118航天使命期间，安进测试了一种分子（可溶性诱饵型IIB受体或sActRIIB），该分子能够与肌骨素和激活素相结合，抑制它们的功能，从而阻止肌肉退化。太空飞行中未用药的老鼠实验表明，经过12天的飞行，身体瘦体量减少，而用过sActRIIB药物的老鼠瘦体量则增加了，最终的测试值都大于未用过药物的太空试验老鼠和地球上的控制组。此外，用过sActRIIB药物的老鼠骨质密度与地球上的控制组相同。该研究也有进展，目前药物命名PINTA 745，正处于临床试验第II阶段，由Atara Bio公司主导。

5. 其他潜在领域

5.1 蛋白质结晶学

蛋白质是大多数生物进程所必需的分子。蛋白质由氨基酸链构成，并折叠成各种特定的三维结构，功能也各不相同。辨别蛋白质的结构非常重要，因为它有助于理解其作用机制，其角色可以影响新陈代谢、DNA复制、疾病、或攻击性病原体等。然而，由于蛋白质体积小，弄清其三维结构是个复杂的过程。一个解决方案是将给定的蛋白质数个分子按一定的阵列联组对齐，统一朝向；该过程称为蛋白质结晶。大的蛋白质晶体可得到更清晰的蛋白质3D结构图像。由于蛋白质结晶主要在液体溶液中进行，对媒介变化的非常敏感。

在地球上，液体媒介容易受到与分子相混合的重力驱动力和驱动流的影响。在地球上，结晶体的增长会迅速积聚营养分子和杂质，造成瑕疵。相比之下在太空，液体媒介中的分子主要通过扩散迁移（在地球上，扩散迁移则几乎忽略不计）。这可以促成在晶体周围形成“零损耗区”，细胞核周围的分子更少。反过来，这将导致其表面与蛋白质及杂质浓度更低的溶液相结合，从而改变晶体形成的力学，减少瑕疵。

在太空中生长的晶体各项指标都优于地球上生长的晶体：视觉质量（尺寸最大）、形态分析（体积更大）、最大分辨率的衍射图样（晶体的排序），I/o比率（最高值与数据上可测量的X－ray噪声比率）及X－ray的衍射强度。

多个研究及商业机构已经在40多个不同的实验中，应用了微重力环境中蛋白质晶体生长的这些益处。比如，研发了治疗丙肝的波普瑞韦和另一种治疗杜氏肌营养不良症的药物－－就包括在轨道上进行实验。德卢卡等（2007）总结了数种在太空中进行的蛋白质晶体实验。

5.2 其他契机

已经证实，微重力环境有益于药物的微胶囊化－形成充液的、可生物降解的微球，以提高药物进入目标体内的有效性。在微重力环境中，表面张力在流体过程中起着重要作用，而这可用于了解微胶囊形成背后的主要机制。在ISS上进行的一项实验结果让科学家能够探清制造不同药物微胶囊的最佳研制方法和条件，这些药物包括抗癌抗肿瘤药剂。

微重力环境下，人类生理发生的变化也可以为不同类型的药物发现与开发研究提供新的平台。太空飞行对人类身体的影响之一是平衡系统发生的一系列改变，包括耳石器官卸荷及本体刺激感受减弱。太空飞行实验表明，部分负责注视和平衡的神经系统的构造和功能可能在微重力环境下发生改变。将来，这些现象可作为研究平衡障碍的基础，包括良性阵发性位置性眩晕（BPPV），内耳炎，梅尼埃病，前庭神经元炎，外淋巴瘘，多器官功能障碍综合征（MdDS）。类似地，通过对暴露在微重力环境之后的宇航员眼科问题的研究，如视盘消肿、眼球平扁、脉络膜皱褶及远视漂移等，可得到新的知识，解决地球上遇到的类似问题。微重力环境还能为其他领域带去福音，无论这些领域是否已经探索或只是初步探索。

6. 讨论

药物发现与开发是一个耗时耗金的过程，一种药物在进入市场之前的平均耗时为13.5年，平均成本为18亿美元。提高效率能够为制药公司、病人及纳税人节约大笔成本。根据微重力环境中不同实验所观察到的直接和间接影响，太空飞行能够且已经用作药物发现与开发的新平台。

在疫苗开发上，微重力环境－及所观测伴随物细菌毒性增加－让科学家能够辨认负责毒性的基因和蛋白质，并识别其特征。反过来，这可用于制造突变菌株，其病原体足以引发人体免疫系统的反应，却不足以诱发疾病。这正是疫苗的工作原理。类似地，根据在太空中细菌对药物的敏感度普遍降低，在应对耐药性中，微重力环境可为新分子实体药物靶点提供独一无二的平台。此外，所观察到的太空飞行中次级代谢物生产率降低，可用于认清其调节机制，并应用于地球上的抗生素及维生素生产。

微重力环境－及与其有关的骨骼和肌肉流失－可为骨质疏松及肌肉营养障碍药物的发现与开发提供新的平台。它推动了数种药物的发展，包括狄诺塞麦（治疗绝经后骨质疏松的普罗利亚有效成分和治疗骨转移的地诺塞麦）、ROMOSOZUMAB（用于治疗绝经后骨质疏松，目前处于临床第III阶段试验）和PINTA 745（用于抑制肌肉流失，目前下于临床第II阶段试验）。这表明微重力环境对药物开发具备使用价值。

治疗丙肝的波普瑞韦药物和另一种治疗杜氏肌营养不良症药物的研发试验表明，在太空中蛋白质晶体生长的改善有助于更好地了解疾病，并提供新的治疗设想。此外已经证实，微重力环境有助于药物的胶囊化；这可用于药物的重定位。微重力环境下，人类生理发生的变化也可以为不同类型的药物发现与开发提供新的平台，包括平衡障碍和眼科问题。

综上所述，已经表明，在太空飞行产生的微重力环境是一种极有价值的资源，能够为新药物的发现与开发提供新的平台，从而造福人类。然而，由于缺乏对微重力环境所带来利益的认识，其愿景并未完全实现。