微重力模擬器體外免疫細胞培養技術，是通過地面微重力模擬設備（如旋轉壁式生物反應器、隨機定位機）構建類體內低剪切力、三維立體的培養微環境，實現對 T 細胞、巨噬細胞、NK 細胞等免疫細胞的體外長期培養與功能維持的技術體系。該技術突破了傳統二維平面培養導致的免疫細胞活性衰減、功能異化問題，為航天醫學（研究太空免疫抑制）、腫瘤免疫治療（優化免疫細胞殺傷效能）及自身免疫病機制研究提供了創新實驗平臺。
一、核心原理：微重力對免疫細胞的調控機制
微重力環境（通常指 10?3~10??g 的模擬重力水平）主要通過改變免疫細胞的 “力學感知 - 信號傳導 - 功能響應” 通路發揮作用，核心機制體現在兩個層面：
1.細胞形態與空間排布重構：傳統二維培養中，免疫細胞（如 T 細胞）呈貼壁鋪展的扁平形態，細胞間連接松散；而微重力環境下，低剪切力（<0.1 dyn/cm2）使細胞擺脫平面束縛，自發形成 3D 球狀聚集體（直徑 50~200μm），聚集體內部細胞緊密接觸，模擬體內免疫細胞在淋巴結、脾臟中的天然分布狀態，為細胞間信號傳遞（如 T 細胞受體 (TCR) 與抗原呈遞細胞 (APC) 的相互作用）提供生理化空間。
2.細胞功能相關信號通路調控：微重力通過抑制整合素（如 β1 整合素）介導的 “力學信號 - 細胞骨架” 偶聯，下調下游 RhoA/ROCK 通路活性，減少免疫細胞過度活化導致的凋亡；同時，低重力環境可促進巨噬細胞的吞噬體成熟、增強 NK 細胞的穿孔素 / 顆粒酶分泌能力，還能維持 T 細胞的 CD4?/CD8?亞群平衡 —— 研究顯示，微重力培養的小鼠 T 細胞在第 14 天仍保持 60% 以上的增殖活性，而傳統培養組同期活性不足 20%。
二、系統組成：適配免疫細胞培養的微重力模擬體系
針對免疫細胞 “懸浮生長、對環境敏感、依賴細胞間互作” 的特性，微重力培養系統需包含三大核心模塊，各模塊均需滿足免疫細胞的特殊需求：
1.微重力模擬核心模塊：主流設備分為兩類 ——
旋轉壁式生物反應器（RCCS）：通過水平旋轉的外筒與固定內筒形成環形培養腔，培養液隨外筒旋轉產生層流，使免疫細胞在無沉降、低剪切力環境中懸浮，適合 T 細胞、NK 細胞等懸浮型免疫細胞的短期（1~7 天）培養，可維持細胞高活率（>90%）；
隨機定位機（RPM）：通過 X、Y 兩軸的隨機變速旋轉，使細胞受到的重力矢量平均趨近于零，支持長期（14~21 天）培養，尤其適合巨噬細胞、樹突狀細胞（DC）等需長期維持抗原呈遞功能的細胞，能減少傳統培養中 DC 細胞的成熟標志物（CD80、CD86）表達下降。
2.環境精準控制模塊：免疫細胞對溫度、氣體濃度及無菌性要求極高，系統需集成：
恒溫（37±0.5℃）與恒濕（95%±5%）單元，避免溫度波動導致的細胞代謝紊亂；
5% CO?+95% 空氣的氣體交換系統，維持培養基 pH 穩定（7.2~7.4），防止酸性環境抑制免疫細胞活性；
在線無菌過濾裝置（0.22μm 濾膜），避免長期培養中的微生物污染 —— 這是免疫細胞培養區別于其他細胞（如肝細胞）的關鍵需求，因免疫細胞對污染的耐受度極低。
3.實時監測與采樣模塊：需配備非侵入性監測組件，如：
內置光學窗口，可通過倒置顯微鏡觀察細胞聚集體形態，或通過熒光探針（如 Calcein-AM/PI）實時檢測細胞活率；
無菌采樣口，可定期抽取少量培養液，通過流式細胞術分析免疫細胞亞群比例、ELISA 檢測細胞因子（如 IL-2、IFN-γ）分泌量，實現培養過程的動態調控。
三、關鍵技術要點：保障免疫細胞功能的核心操作
1.細胞接種密度優化：不同免疫細胞的接種密度差異顯著 ——T 細胞需以 1×10?~5×10?個 /mL 接種，密度過低易導致細胞聚集體形成困難，過高則會因營養競爭導致細胞凋亡；巨噬細胞接種密度需降至 5×10?~1×10?個 /mL，避免過度聚集影響吞噬功能。
2.培養基配方調整：需在基礎培養基（如 RPMI-1640、DMEM/F12）中添加免疫細胞專用補充因子：
培養 T 細胞時加入 10~20 U/mL IL-2，維持其活化狀態；
培養 DC 細胞時添加 GM-CSF（20 ng/mL）與 IL-4（10 ng/mL），防止其提前成熟或分化；
避免使用高濃度胎牛血清（≤10%），減少血清中未知因子對免疫細胞信號通路的干擾。
3.剪切力精準控制：免疫細胞（尤其是 T 細胞）對剪切力敏感，RCCS 的旋轉速度需根據細胞類型調整 —— 培養 T 細胞時初始旋轉速度設為 8~12 rpm，隨培養時間逐步升至 15~20 rpm；培養巨噬細胞時旋轉速度需降至 5~8 rpm，防止高剪切力破壞其細胞膜完整性。
四、應用場景與技術挑戰
在科研與臨床轉化中，該技術已展現出明確價值：
航天醫學研究：通過模擬太空微重力，研究航天員免疫抑制的機制 —— 如微重力培養的人外周血 T 細胞，其 TCR 介導的 Ca2?內流減少 30%，可解釋太空環境中 T 細胞活化能力下降的現象；
腫瘤免疫治療：微重力培養的 NK 細胞，其對肺癌 A549 細胞的殺傷率較傳統培養提升 25%~40%，因 3D 聚集體環境增強了 NK 細胞的顆粒酶釋放效率；
自身免疫病模型：在類風濕關節炎模型中，微重力培養的滑膜成纖維細胞與 T 細胞共培養體系，可更真實模擬體內炎癥微環境，為篩選抗炎藥物提供更精準的體外模型。
當前技術仍面臨挑戰：一是細胞聚集體核心易出現營養與氧氣供應不足，導致中心細胞壞死；二是長期培養中免疫細胞的特異性功能（如 DC 細胞的抗原呈遞能力）難以持續維持。未來需結合微流控技術實現培養基的精準遞送，或通過基因編輯（如過表達 HIF-1α）增強免疫細胞的缺氧耐受能力，進一步拓展技術應用邊界。
綜上，微重力模擬器體外免疫細胞培養技術通過重構生理化微環境，解決了傳統培養的功能異化問題，不僅為探索重力對免疫系統的調控機制提供了工具，更在免疫治療、藥物研發等領域展現出臨床轉化潛力，是連接基礎免疫研究與實際應用的重要技術橋梁。
