宇航员在长期太空任务中可能有一天会利用植物按需生产新鲜药物，这得益于加州大学圣地亚哥分校工程师的新研究。该团队开发了一种简单方法，可在类似太空的条件下从植物中生长和反复收获药物，而不会破坏植物或产生大量废物。该方法还可能帮助将低成本药品生产带到地球上资源有限的地区。
研究结果于6月5日发表在《npj植物科学》期刊上。
太空旅行的最大挑战之一是为宇航员提供安全有效的药物。许多药物在太空中降解得更快。即使在国际空间站上，储存的药物中超过一半在三年内就会过期。这对于往返各需约200天的火星之旅来说几乎不够用。在距离地球数百万英里的地方定期补给药物根本不可行。
植物提供了一个有希望的解决方案，因为它们可以充当药品生产的微型工厂。
"利用植物，你可以使用光、水和土壤来种植复杂的治疗性化合物，"该研究资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院化学与纳米工程系利奥和特鲁德·西拉德冠名讲席教授尼科尔·斯坦梅茨表示。
这比当前需要大型储罐和无菌环境的制药系统具有很大优势。此外，植物已经在太空中种植，可以帮助回收航天器上的空气和水。
从植物生产实验药物
斯坦梅茨及其同事使用他们研究了十多年的一种实验性治疗化合物来展示这一想法：一种名为菜豆花叶病毒(CPMV)的植物病毒。虽然CPMV更广为人知的是感染豆类，但斯坦梅茨团队了解它能够刺激免疫系统攻击癌细胞的能力。CPMV在临床前小鼠模型和犬类癌症患者的临床研究中显示出强大的抗肿瘤效果。
为了制造CPMV，斯坦梅茨团队使用本氏烟草和黑眼豆植物。"在这些植物中种植该化合物很简单，"该研究第一作者、斯坦梅茨实验室的博士后研究员帕特里克·奥彭德斯坦表示，"它们能在短时间内产生大量生物质，而更多的生物质等于更多的产品。目前的主要困难是找出如何从植物中提取产品。"
从植物中提取CPMV及其他药品通常涉及采摘叶片并在搅拌机中研磨。"最终你会得到类似奶昔的东西，你可以想象从这种'奶昔'中获取你的产品是很有挑战性的，"奥彭德斯坦说，"我们用于此的设备填满了整个实验室。你无法将所有这些设备都装在航天器上。"
这项新研究专注于简化这一步骤。
该团队受到制药业中用于细菌和哺乳动物细胞的一种方法的启发：产品分泌。"基本上，产品从这些细胞中出来，"奥彭德斯坦说，"这在植物中也是可能的。"植物将产品分泌到叶片内部一个称为质外体的隔室中，质外体是质膜外部相互连接的空间网络。
优化药物提取过程
研究人员发现，他们可以在保持叶片完整的情况下从质外体中提取CPMV。首先，将叶片浸入缓冲溶液中并放入密封容器中。施加真空，使液体充满质外体。然后将饱和的叶片放入试管中，在离心机中轻轻旋转，以抽出含有CPMV颗粒的液体。通过滤膜对所得液体进行纯化，该滤膜将较大的CPMV颗粒与较小的不必要植物材料分离。
该方法易于扩展。研究人员能够在不到两小时内从50多株植物中收获和纯化CPMV颗粒。由于叶片保持完整，植物可以继续生长并可能反复收获。该团队设想将这一过程适应于整株活植物，而不仅仅是叶片。
在模拟太空条件下测试药物生产
该团队还在模拟太空条件下生长的植物上测试了该方法。
为了模拟微重力，斯坦梅茨实验室与加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械与航空航天工程系教授马齐亚尔·加齐内贾德的实验室合作，定制建造了一台随机定位机，该机器不断旋转植物以有效抵消重力。加齐内贾德的实验室通常使用这些机器来研究材料在太空中的行为。斯坦梅茨和加齐内贾德看到了将这种方法适应于植物研究的机会。
植物还暴露在温度波动和氧化应激中，以模拟太空辐射的影响。在某些情况下，这些应激因素略微增加了CPMV的产量。研究人员假设这种效果可能与CPMV作为植物病毒的性质有关。"植物在受到压力时更容易患病，这通常是一个劣势，"奥彭德斯坦说，"但由于我们的产品源自植物病毒，我们可以利用这种应激反应来提高产量。"
该团队的最终目标是在实际太空任务中测试他们的方法。在此之前，团队还有更多工作要做。他们将继续研究太空条件如何影响植物的水和养分吸收等过程。他们还将与加州大学圣地亚哥分校的火箭推进实验室合作，测试火箭发射如何影响植物种子和过程中使用的遗传材料。
这项工作部分得到了美国国立卫生研究院（资助号R01CA274640）和通过NASA合作协定NNX16AO69A的太空健康转化研究所(TRISH)的支持。
披露声明：尼科尔·斯坦梅茨是PlantiosX Inc.的联合创始人、CEO并持有股权。斯坦梅茨是Mosaic ImmunoEngineering Inc.的联合创始人并持有股权。斯坦梅茨是Pokometz Scientific LLC的联合创始人和经理，在此身份下她作为Ring Therapeutics, Inc.的付费顾问。其他作者声明无潜在利益冲突。
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