太空制药技术《科学》

加利福尼亚州埃尔塞贡多讯——近一个世纪以来，这座洛杉矶滨海郊区一直是美国航空航天产业的核心地带。二战期间，这里的工厂批量生产轰炸机，供给太平洋战场。此后，休斯、诺斯罗普等行业巨头在此研发出一代代航空器与航天器。如今，数十家航空航天和科技初创企业与SpaceX为邻，后者就坐落于不远的霍桑市。

在一家披萨啤酒简餐店里，人们热议航天器零部件的供应链。当浓雾袭来，低矮的仓库仿佛消融在云海之中——这片街区本身，就像在为发射任务做准备。

五月的一个周一夜晚，在埃尔塞贡多东侧一栋不起眼的大楼里，瓦尔达太空工业公司（Varda Space Industries）约50名工程师齐聚一堂。他们不是来见证发射，而是迎接航天器回家。大家一边吃冷披萨、玩卡坦岛桌游，一边观看直播，等候航天器状态消息。在一间更小的任务控制室里，八张办公桌对面是一整面电视墙，持续接收远在地球另一端、正在澳大利亚内陆上空坠落的航天器传回的数据。这个机器人舱体大小近似洗衣机，正准备穿过大气层经历高温灼烧，随后按计划打开降落伞，降落在沙漠中。

瓦尔达首席技术官尼古拉斯·夏尔代拉调了调苹果手表，他知道自己的心跳即将加速。晚上10点59分，关键时刻到来。舱体以约3.1万千米/小时的速度冲向地球，完成唤醒，并与护送它在轨飞行的卫星分离；该信息通过GPS与无线电脉冲传送回来。17分钟后，舱体的首顶降落伞准时打开，现场爆发出欢呼声。但紧接着，舱体传回的遥测数据流变得断断续续。“再给我一组数据。”一名工程师低声咒骂道。

>（配图说明：从大气层内拍摄的地球一角，画面因运动模糊，取景框边缘为航天器舱壁。）

> 瓦尔达舱体内部视角。该舱体设计用于在轨制药，2025年5月完成返航。图源：瓦尔达太空工业公司

这间控制室的布局，和NASA以及其他航天企业用于载人任务、科学探测器、通信卫星的任务控制中心十分相似。但它的目标截然不同：为聚焦生物医学的全新太空产业奠定基础。

瓦尔达成立于2021年。短短五年内，公司已经完成六枚舱体的设计、制造并送入轨道。本次这枚舱体由美国空军研究实验室委托，用于隔热罩材料测试；其余舱体搭载微型实验室，能够自主完成药物化合物的熔融、溶解、冷却与重结晶。在地球上，重力会干扰上述过程：液体产生气泡对流，晶体与颗粒发生沉降。但在太空之中，没有上下之分——温热流体不会上浮，高密度颗粒不会下沉，晶体可以在平稳得多的环境中完成组装。

瓦尔达称，微重力环境能制备纯度更高、均一性更好的蛋白晶体与药物晶体，甚至能生成在地球上无法形成的晶体。夏尔代拉希望，这些优势能转化为更易生产、储存与使用的药物。倘若成真，太空将不再仅仅是科研场所，还会变成生产车间。

瓦尔达只是这场宏大产业布局中的一员。学术界与产业界的研究者，正试图将数十年来国际空间站（ISS）上开展的生物医学实验转化为一类全新制造产业。他们认为，微重力不仅可以优化药物生产，还可用于干细胞、植入器械、类器官以及其他生物材料的培育。这个愿景并不新鲜，但日趋精密的在轨实验室与不断降低的火箭发射成本，重新点燃了人们的期待：微重力终将成为工业工具，而不只是新奇的科学现象。

哈佛商学院研究太空经济的经济学家马修·温齐尔说：“过去几十年最大的变革，是发射成本持续下降。当更多像瓦尔达这样的企业建成自主化制造与科研设施，我相信我们将迎来又一场类似变革。”

然而，该领域仍面临一个困扰太空制造数十年的问题：前沿科学成果能否克服在数百公里高空开展商业活动时顽固的经济成本难题。温齐尔表示，如果应用场景被证实具备前景，该产业有望带来颠覆性改变。但就当下而言，“‘不确定’是我会用的一个词，”他补充道，“另一个词是‘萌芽阶段’。”

自从人类进入轨道乃至更远太空，各国航天机构一直在宣传太空技术回馈地球的收益。（比如果珍饮料、魔术贴！）这可以被称为“黑天思维”。

但数十年来，太空飞行严苛的物理限制与高昂资金成本，一直阻碍着愿景落地。哥伦比亚大学神经内分泌学家蕾·西尔弗曾在2002年担任NASA专项工作组联合主席，负责规划国际空间站科研方向。她提到，2000年代国际空间站建造阶段，“就算你把稻草送上太空，再把它变成黄金，也依然不具备成本效益。”

即便实验设备顺利入轨，科研人员也必须学会改造原本在重力环境下开发的实验室技术。凯特·鲁宾在2009年入选NASA航天员队伍前，是怀特黑德研究所首席研究员，研究病毒与免疫系统基因组。刚成为航天员时，她惊讶地发现很多常用工具（比如移液枪）竟从未被太空研究者使用。她怀疑这毫无必要。“我就想，跟我讲讲背后的物理原理。”她回忆道。

2016年鲁宾登上国际空间站时，在5公斤个人行李限额内，带上了移液枪和其他实验器材亲自测试。结果发现，移液枪完全可以正常使用，还有广泛应用的96孔板（类似微型试管，用于制备与储存样本）同样适用。鲁宾的坚持，一下子拓宽了国际空间站内生物科研的可行方案。她笑着说：“某种程度上，就是我有点固执较真。”

>（配图说明：国际空间站内，凯特·鲁宾站在显微镜与电脑前。）

> NASA航天员凯特·鲁宾2016年在国际空间站检测干细胞衍生心肌细胞。图源：NASA

多年坚持不懈的工作终于迎来回报。国际空间站已成为精密的在轨实验室，配备自动显微镜、标准化实验流程，人们对细胞与分子在微重力下的行为也有了更深理解。现任匹兹堡大学特里维迪太空与全球生物医学研究所所长的鲁宾认为，对于部分应用场景，微重力“有望成为一项全新的有效实验变量”。

与此同时，SpaceX可复用猎鹰9号火箭压低了发射成本，降低进入太空的门槛，让各类构想得以持续验证。《美国国家科学院院刊·网络版》（PNAS Nexus）7月发表的一项分析显示：经通胀调整后，将1千克物资送入太空的成本，从2000年国际空间站开始驻留时的15000美元以上，降至2025年不足4000美元。该研究预测，如果这一趋势延续，到2030年，每公斤发射成本或将再下降50%。

国际空间站国家实验室首席科学官迈克尔·罗伯茨说：“我们已经积累了足够认知与知识储备，这有助于加速新药研发，造福地球上的患者。”

罗伯茨提到制药企业默克的一项关键研究。默克在国际空间站开展实验，研究其王牌抗癌药帕博利珠单抗（可瑞达，Keytruda）。这是一种单克隆抗体，能够激活免疫系统攻击肿瘤细胞。2019年默克研究团队报道：在微重力环境下，抗体蛋白可形成比传统地面制造更小、更均匀的晶体，有望将药物改为注射剂型，替代耗时漫长的静脉输注方案。尽管默克最终采用地面工艺实现注射剂型商业化，这项实验依然展示了微重力的优势。

默克的这项研究，直接促成瓦尔达公司成立。在2023年首次任务中，该企业将抗艾滋病病毒药物利托那韦熔融并重结晶，得到该药物最不稳定的晶体构型。这次验证证明：药物可以在轨自主加工、耐受太空数月环境，并承受重返大气层时的高温灼烧。

>（配图说明：深色结晶物质特写）

> 2023年首飞任务中，瓦尔达太空工业成功在轨熔融并重结晶抗艾药物利托那韦。图源：瓦尔达太空工业公司

依托SpaceX猎鹰9号高频次发射搭载，该公司希望大幅缩短过去极其漫长的实验周期，支撑商业化研发。瓦尔达首席科学官阿德里安·拉多恰说：“如果一年、隔年或是三年才拿到一组实验数据，很难把项目商业化落地。”

瓦尔达并非孤例。2025年，长期承接国际空间站载荷项目的瑞德威尔太空公司（Redwire Space）与初创企业ExesaLibero Pharma达成合作，在太空培育一款试验性骨病药物的超高纯度晶体，再带回地面培育更大晶体。5月，英国初创企业BioOrbit向国际空间站发射载荷，和瓦尔达舱体原理相近，可在微重力下自主完成药物结晶。同期，瓦尔达宣布和联合治疗公司（United Therapeutics）合作，筛选药物配方，寻找适合在轨加工的候选药物。

瓦尔达首席战略官迈克尔·赖利称，未来几年内，公司的一枚舱体就能够制备足够数百名受试者开展临床试验的药物。“我们真正的目标，是把太空制备的药物——也就是在微重力环境生产的药物，送到患者体内。”他说。

微重力的应用潜力远不止单个蛋白与小分子药物。康涅狄格大学孵化的初创企业LambdaVision，目标是利用一种特殊捕光蛋白——细菌视紫红质薄膜制造人工视网膜。

细菌视紫红质受光照时，会跨膜转运质子。在天然合成该蛋白的生物体内，由此形成的离子梯度可为生命活动供能。LambdaVision计划堆叠最多200层精准对齐的蛋白薄膜，制造植入器械：刺激退化视网膜中尚存的健康细胞，帮助黄斑变性患者恢复部分视力。

现任LambdaVision首席执行官妮可·瓦格纳在2009年参与创立公司时，并未考虑微重力。但在国际空间站完成九次飞行实验后，团队发现：没有沉降与对流的环境，可以制备均匀度更高、废料更少的蛋白薄膜。瓦格纳介绍，在地面生产时，只有约40%薄膜符合规格，其余大多过厚或过薄。

这些蛋白薄膜在轨至少6个月仍可保持稳定，打消了人们对太空辐射造成损伤的顾虑。瓦格纳说：“其他机构送样品上太空，是想改变材料；而我们不希望蛋白本身发生变化。”LambdaVision计划到2028年再执行五次国际空间站实验，还有一次脱离空间站的独立飞行任务：与初创企业Helogen合作，在轨验证制造工艺。

>（配图说明：戴着丁腈手套的指尖放置一小块扁平紫色药片状薄膜）

> LambdaVision人工视网膜由捕光蛋白薄膜制成。薄膜在太空生长更均匀，生产损耗更低。图源：LambdaVision

加州大学圣迭戈分校桑福德干细胞研究所主任卡特里奥娜·杰米森，则看中微重力带来的不是生物结构稳定，而是生物变化加速。在太空环境中，癌细胞更容易组装成三维结构，并快速激活与肿瘤转移相关的通路。杰米森认为，这种加速效应能够极大加快抗癌新药的研发。2024年，她将乳腺癌细胞送入国际空间站，测试她联合创办的Aspera生物医药公司研发的在研抗癌药rebecsinib。“我们10天内就能观察到相关现象，而地面实验可能要耗费十年。”她说。

杰米森介绍，脱离重力束缚后，其他类型细胞也会展现全新的独特行为。干细胞具备分化成各类细胞的潜能，在太空会快速增殖、老化，并激活“暗基因组”（通常保持沉默的DNA片段）中的应激反应；这类变化在地面上需要极久时间才会显现。“微重力会开启应激生物学通路，并加速这一过程。”她说。

过去二十年间，研究人员掌握了将普通皮肤细胞或血细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSC）的技术，这类细胞拥有天然干细胞的多能特性。洛杉矶西达赛奈医疗中心心脏生物学家阿伦·夏尔马花费十年研究诱导多能干细胞在微重力中的行为，以及微重力用于细胞培育的潜在优势。

夏尔马在阿拉巴马州亨茨维尔长大，身边邻居都是NASA马歇尔太空飞行中心科研人员与工程师的子女，自幼便向往太空。读研究生期间，他和鲁宾合作，在国际空间站培养由诱导多能干细胞分化而来的人类心肌细胞。如今，作为西达赛奈太空医学研究中心主任，夏尔马在西好莱坞一座大型医院里，立足地面开展太空相关研究。

他希望借助微重力，诱导诱导多能干细胞形成类器官——实验室培育的细胞团块，具备真实器官多项特性，可用于药物与疗法测试，甚至替代活体组织。在夏尔马的实验室，同事展示了一组对比图：地面培育的类器官大小不均、互相融合，遍布死细胞与碎片；太空培育的类器官数量更多，形态完好。实验室研究生玛德琳·阿尔茨展示群聊截图说：“形状均匀得多，细胞死亡更少。”

该结果可以用简单物理原理解释。地面上，类器官在生物反应器中培养，依靠持续流动液体悬浮细胞，防止沉降。但流体冲击会让细胞团融合，或是撕裂尚在成型的脆弱结构。夏尔马说，在微重力环境，无需流体循环，类器官就能保持悬浮。“这其实很好理解，对吧？它们本来就该漂浮。”

相关研究成果尚未正式发表，但实验结果极具冲击力。夏尔马形容，“简直让人惊叹”，NASA为此批复150万美元经费，用于在国际空间站重复该实验。这批载荷将于今年晚些时候搭乘SpaceX补给飞船发射。

如果该效应得到重复验证，将催生另一类太空生物制造产业：利用诱导多能干细胞制备移植组织。目前已有临床试验评估：手术植入诱导多能干细胞来源神经元，能否缓解帕金森症状；诱导多能干细胞心肌细胞植入物，能否改善心力衰竭。在轨生物反应器，有望以远高于地面的产能，生产夏尔马实验中这类高质量类器官。

这类前景，已经影响国际空间站退役后的太空设施规划。在轨运行25年的国际空间站，受复杂国际合作拖累，设备老化、渗漏、故障频发，即将退役；商业化空间站正在筹建。我和夏尔马驱车穿越洛杉矶，参观其中一处项目。在长滩市的一处产业园，瓦斯特公司（Vast）正加紧建造Haven‑1商业空间站，西达赛奈医疗中心计划最早明年就在上面开展生物医学实验。

公司洁净车间内，空间站本体静静安放：精密铣削加工的铝制舱段，长度接近一辆巴士。身穿白色无尘服的技术人员在敞开舱门中进出，依次完成精细装配工序。

Haven‑1仅能支持少数航天员执行为期两周的短期任务。它更核心的使命，是验证一种全新在轨科研模式：大量高度自动化实验持续运行，科研人员仅偶尔上天维护设备。瓦斯特首席科学家梅根·埃弗雷特（曾任NASA国际空间站项目副首席科学家）表示：“我们当然要朝着自动化方向发展。但在我们仍在摸索、尚处起步阶段的领域，航天员驻留太空会带来巨大价值。”

看着技术人员为Haven‑1做最后的装配，夏尔马不禁想象自己登上空间站的场景。他曾两次申请NASA航天员选拔。他认为鲁宾这类具备生物医学背景的航天员，证明了专业科研人员驻留太空的巨大价值。问他是否愿意亲自前往太空照料实验，他说：“坦白讲，我很愿意。”

但Haven‑1这类空间站能否支撑繁荣的生物制造产业，取决于一个更现实的问题：经济效益。2020年，西达赛奈建成一座大型生物制造基地，目前生产1500种不同细胞系，用于疾病模型与细胞疗法临床试验。中心主任德鲁夫·萨林说，以诱导多能干细胞定制细胞系、培养数十亿细胞（例如为糖尿病患者重建胰岛素分泌细胞），当前成本超200万美元，耗时至少8个月。而在轨完成整套流程，成本只会更高。萨林本人已向国际空间站发送三批干细胞相关载荷。“就算我们能治愈疾病，如果普通人负担不起，又有什么意义？”他说道。

不过部分产品价值极高，足以覆盖太空生产的成本。LambdaVision联合国际空间站载荷服务商Space Tango，在一台鞋盒大小、重10千克的自动化设备内制备蛋白薄膜。瓦格纳称，当前将这套设备送往国际空间站并返回，发射费用约60万美元。而人工视网膜植入设备单眼造价已超过15万美元。在这个定价下，单次任务只要产出四枚人工视网膜，就能覆盖发射成本——前提是临床试验顺利，产品最终获得监管机构批准。

>（配图说明：国际空间站航天员手持鞋盒大小的金属设备）

> LambdaVision使用Space Tango研发的鞋盒大小自动化设备制备蛋白薄膜。图源：Space Tango

但商业空间站企业还需要更多收入来源。瓦斯特及其竞争对手所依托的轨道经济构想，需要各类付费客户——游客、科研人员、航天员，在数百公里高空大量开展工作与活动。罗伯茨说：“未来太空制造的商业闭环有机会实现。”但他补充道：“我并不认为国际空间站退役之后，太空马上就会出现商业化工厂，批量生产类器官。”

现阶段，很多产业构想高度依赖NASA资金支持。然而今年早些时候，NASA表示资金仅够扶持一座商业空间站。NASA国际空间站项目主管达纳·韦格尔在3月的报告中提到：“尽管投资者表现出兴趣，但目前没有独立可核验的市场调研，能够证明仅依靠NASA部分资金支持的商业空间站具备经济可行性。”

后来，我和夏尔马站在瓦斯特公司停车场，他说：“无论NASA在国际空间站退役后如何安排，近地轨道经济不会彻底消失。现在有太多人想入局。”这位36岁生物学家语气笃定，带着行业老兵的沉稳，说完便跳上白色特斯拉驾车离去。

如果商业空间站发展受阻，瓦尔达这类机器人返回舱或许可以接力，甚至具备独特优势。载人空间站除成本更高之外，还有严苛安全规范，限制航天员可使用的实验流程与试剂。

回到埃尔塞贡多，公司控制室的工程师们情绪振奋。瓦尔达舱体已经平稳降落在澳大利亚南部内陆。瓦尔达载荷业务副总裁乔丹·克鲁姆形容这种感受：就像等着挨一记重拳，结果什么都没有发生。对夏尔代拉来说，这次任务预示着未来常态化作业：发射全套自研舱体与卫星平台，再将舱体安全带回地面。

>（配图说明：半干旱灌木丛中，一枚圆形舱体停靠在灌木旁；背景数米外，降落伞堆放在地面）

> 5月，瓦尔达太空工业第六枚舱体结束在轨任务，降落于澳大利亚内陆。摄影：William Godward，供瓦尔达太空工业使用

公司希望不断重复这项壮举。瓦尔达计划2027年执行7次飞行任务，2028年再加10次。克鲁姆说：“我们不能只做演示实验，还要在轨完成科研级、继而量产级的化学品加工；并且要达到前人从未企及的生产规模与任务频次。这件事令人振奋，也有一点让人紧张。”

夜色深沉，工程师们聚在公司自制的提基吧台，为远在地球另一端平安落地的舱体举杯庆祝。但明天，他们就要重返岗位。浸渍树脂的毛毡卷材将加工成隔热罩；公司停车场旁建筑内推进器测试，需要员工挪走车辆。未来的太空工厂，就这样一点点组装起来。

放在过去，这类成就十年才会出现一次。瓦尔达团队希望，未来这只是日常工作的一部分：技术上依旧惊艳，但如同地面制药一般，变得习以为常。

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