當細胞與星空相遇

從國際太空站到病患皮下的一針:微重力如何參與改寫癌症免疫治療

我們的身體,是一個浩瀚的宇宙。
一切始於原點。從第一次分裂開始,生命便展開。

Hubble Ultra Deep Field 2014 and multicolor fluorescence image of living HeLa cells
2014 年哈勃超深空影像及活體 HeLa 細胞的多色熒光影像
Image Credit: (Left) Hubble Ultra Deep Field 2014 – NASA Science (Right) Fluorescence imaging – 8x57is, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

在這身體內的宇宙,八百六十億個神經元透過上百兆條突觸彼此交織,構成比任何星系更繁複的網絡;約十萬公里長的血管,如星系的絲狀結構般(galaxy filaments)蜿蜒延伸,把氧氣與養分送往身體每一個角落。

每一分、每一秒,數以百萬計的細胞悄然死去;與此同時,也有數以百萬計的新細胞誕生。這就像恆星的誕生與殞落,週而復始,生生不息。

生命本身,就是一場宇宙級的奇蹟。
當細胞遇上星空,醫學走進太空,一個嶄新的故事,就此展開。

細胞的太空之旅

天文學與醫學,表面上似乎是兩個毫不相干的領域。天文學家仰望星空,探索宇宙的奧秘;醫學家俯身於顯微鏡前,研究生命的機制。

然而,所有科學探索的起點,往往源於同一顆心 -那顆不斷追問「如果這樣,會怎麼樣?」的好奇心。

於是,人類開始發問:如果細胞和生物進入太空,會怎樣呢?

1951 年,一位名叫 Henrietta Lacks 的非裔美國女性,因子宮頸癌在美國約翰霍普金斯醫院接受治療,醫師在未經她知情同意的情況下,取下了她的癌細胞作研究之用。[1] 這些細胞後來以她名字與姓氏的前兩個字母命名為「HeLa 細胞」。令醫學家震驚的是,它們能在培養皿中持續分裂、繁殖,彷彿擁有不會停止的生命力。HeLa 細胞因此成為人類史上第一批可長期培養的「永生」細胞株,也成為現代醫學研究極其重要的基礎 – 從小兒麻痺疫苗到癌症研究,都有它的身影。[2]

Dividing HeLa cells in culture. The cells can be seen metaphase and telophase, different stages of cell division.
培養中正在分裂的 HeLa 細胞,可見處於中期(metaphase)與末期(telophase)等不同分裂階段
Image Credit: Doc. RNDr. Josef Reischig, CSc., CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

1957 年,蘇聯將一隻名為萊卡(Laika)的小狗送上「史普尼克 2 號」衛星,牠成為第一個進入地球軌道的動物。而在太空探索展開的最初幾年,HeLa 細胞也隨衛星踏上太空之旅。[3] 科學家想知道:這些在地球上持續增殖的細胞,當它們離開熟悉的重力環境,會發生什麼變化?

Model of Sputnik 2 at the Memorial Museum of Cosmonautics in Moscow
莫斯科太空人紀念博物館內的斯普特尼克 2 號模型
Image Credit: Laika ac from USA, CC BY-SA 2.0 , via Wikimedia Commons

隨著人類成功登月、建立國際太空站(ISS),醫學研究逐漸成為太空任務不可或缺的一部分。在距離地球約四百公里的國際太空站上,科學家得以在「微重力」(microgravity)這種近似失重的環境中,觀察細胞如何生長、分裂、排列,以及如何與藥物互動。

那麼,HeLa 細胞在太空中又怎樣了?

答案比想像中更微妙。早在 1980 年代,科學家便觀察到 HeLa 細胞在超重力(約 10 g)環境下,增殖速度會加快兩至三成;[4]而在微重力環境中,HeLa 與多種細胞的基因表現、形態與生長行為都出現了變化,不同細胞的反應方向甚至不盡相同。[5] 這些發現令科學界重新思考:重力— 這個我們從出生起便從未離開過的「背景」— 究竟如何參與細胞結構與生長節奏的調控?

故事,並沒有在這裡結束。科學家開始下一步的思考:如果太空環境能改變癌細胞的生長方式,那麼,它是否也能幫助我們更快理解癌症 — 這種仍令人類束手無策的疾病?甚至,幫助我們找到對抗它的新方法?

答案,正在距離地球四百公里的軌道上,慢慢揭曉。

太空科技與癌症治療

癌症,有點像體內的黑洞。數以兆計的細胞,本各安其位,依循著精密的生命秩序運行,維持身體的平衡。然而,當其中一個細胞的生長調控失常,形成癌細胞,原本穩定的秩序便可能逐漸受到破壞,如同黑洞吞噬在旁的恆星。這始於單一細胞的叛變,不斷分裂、擴張,甚至誘導血管新生,建立供應自身養分的通道。它突破防線,將破壞的漣漪擴散至遠端器官。

如果,我們將它送入太空站呢?

在地球上,培養皿中的癌細胞受重力牽引,往往只能貼著底部長成平面的單層;而在微重力環境下,細胞不再沉降,更容易自發聚集,形成更接近人體內真實腫瘤的立體三維結構(spheroids)。[6]

這裡需要說明一點:太空研究的價值,不在於取代地面研究。三維培養並非太空獨有,地面實驗室也能建立腫瘤球體、類器官等模型;形狀相似,也不代表已完整重現人體內的腫瘤。太空提供的,是另一種改變條件、比較差異的方式 — 有些平時被當作理所當然的前提,一旦改變,便可能顯露出新的問題,也帶來新的理解。

然而,太空醫學並不只有觀察細胞這一條路。另一條研究路徑,關注的是藥物本身:能否透過蛋白質「結晶」,探索更合適的製劑與給藥方式?免疫治療藥物的研究,便曾把這個問題帶上了太空。

從「傷敵也傷己」到「喚醒免疫」

在很長的一段時間裡,癌症治療主要依賴化療。化療是一種「殺敵一千,自損八百」的方式:它能重創癌細胞,卻也波及頭髮、腸胃黏膜、骨髓等更新速度快的健康細胞,患者因此要承受噁心、掉髮、疲倦與感染風險增加等副作用。

免疫療法——特別是免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint inhibitors)——提供了另一條路。它不直接殺死癌細胞,而是讓身體重新「看見」敵人,喚醒被壓抑的免疫系統。

部分腫瘤細胞表面會大量表現一種名為 PD-L1(programmed death-ligand 1)的蛋白。它能與 T 淋巴細胞(T cells)表面的受體 PD-1(programmed death-1)結合,向 T 細胞發出「不要攻擊我」的抑制訊號。

換言之,癌細胞學會了偽裝。它不是消失了,而是讓免疫系統誤以為它不需要被清除。

免疫檢查點抑制劑的作用,就是阻斷這條「欺騙通路」。當 PD-1 與 PD-L1 之間的訊號被切斷,T 細胞便有機會重新辨識癌細胞,恢復攻擊能力。

超高解析度顯微影像:一群細胞毒性 T 細胞正包圍一顆癌細胞。(來源:Wikipedia, “T cell”)
Superresolution image of a group of cytotoxic T cells surrounding a cancer cell

 

 

從太空回到臨床

在這條路上,pembrolizumab(帕博利珠單抗,商品名 KEYTRUDA)是具代表性的藥物之一。這款由默沙東(MSD)開發上市、針對 PD-1 的單株抗體(monoclonal antibody),於 2014 年成為美國首個獲 FDA 核准的 PD-1 抑制劑,此後適應症逐步擴展,涵蓋黑色素瘤、非小細胞肺癌等多種癌症的特定患者。[7]

然而,一支好藥,還需要一種好的「給法」。

長期以來,pembrolizumab 以靜脈輸注給藥,藥物輸注本身約需三十分鐘。對病人而言,就醫卻不只包括這三十分鐘,還有前後的準備、等候與安排。一次又一次的治療,也是一段又一段被重新安排的日常。

如果能改為皮下注射,藥物施打的時間便有機會縮短。但這裡有一個製劑上的難題:為了在有限體積內送入足夠劑量,通常需要提高藥物濃度;而抗體這類大分子蛋白,在高濃度下可能面臨黏度升高、注射困難與穩定性等挑戰。

默沙東的研究團隊探索了其中一條路:與其讓抗體全部溶解在液體中,能否讓它結晶成許多大小均一的微小晶體,製成「晶體懸浮液」?研究人員希望藉此改善藥物的製劑與給藥特性,也探討穩定性與儲存方面的潛在好處。問題是,要穩定地製造出大小均一、性質合適的晶體,並不容易。

這正是太空可以發揮作用的地方。

在地球上,重力造成的沉降與浮力驅動的對流,會影響晶體生長;而在微重力環境中,這些效應大幅減弱,讓研究人員得以在地面難以取得的條件下,觀察結晶的過程。[8] 這並不保證每一種蛋白質都能長出更好的晶體,卻提供了一個難得的比較機會。

自 2014 年起,默沙東陸續在國際太空站進行晶體生長研究。[12] 2017 年 2 月,pembrolizumab 結晶實驗隨 SpaceX CRS-10 補給任務升空,嘗試在微重力下製造大量、大小均一的抗體晶體。

結果值得注意:在這項實驗中,太空樣本的晶體尺寸分布比地面對照更集中,晶體懸浮液的黏度也較低。更重要的是,研究人員辨認出沉降與溫度變化等關鍵因素,並將這些線索帶回地面,透過旋轉混合與控制溫度條件,製造出更均一的晶體懸浮液。[9]

研究的目標,不必是把每一劑藥物都送上太空製造,而是把在太空學到的知識,帶回地球。

當研究線索遇上新的給藥方式

2025 年 9 月 19 日,美國 FDA 核准了供皮下注射使用的 KEYTRUDA QLEX,成分為 pembrolizumab 與 berahyaluronidase alfa-pmph,適用於核准範圍內的特定實體腫瘤患者。[10]

這裡,需要分清一個重要差別:KEYTRUDA QLEX 是注射溶液,不是前述的晶體懸浮液。 配方中的 berahyaluronidase alfa-pmph 是一種透明質酸酶,能暫時在局部分解皮下組織中的透明質酸,提高組織通透性,幫助藥液在皮下擴散。

那麼,太空實驗與這項臨床進展之間,應該如何理解?

NASA 以「提供參考、帶來啟發」(informs)描述太空研究的角色,指出這些實驗為皮下注射製劑的開發提供了早期線索。[11] 這不代表研究中的晶體懸浮液直接成為了上市配方;僅憑這些資料,也不能將最終產品的成功歸功於太空結晶。

從太空實驗到上市藥物,並不是一條筆直的路。探索的價值,不必建立在「某一次實驗改變了一切」的故事上。有時候,它只是讓研究人員多理解一個變數,多看見一種可能。

而對符合適應症的病人來說,給藥方式的改變,則是更具體的事:原本約三十分鐘的靜脈輸注,可改為由醫護人員在大腿或腹部施打的皮下注射;依給藥方案不同,注射本身約需一至兩分鐘。[10]

縮短的是施打藥物本身的時間,而不是整次就醫。病人仍需接受必要的評估與追蹤;若同時接受其他治療,也仍須配合相應安排。

即使如此,這個改變,對病人而言也不只是技術上的進步。

它可能意味著少一些坐在輸液椅上的時間,少一些被治療佔據的片刻;

也意味著,在原本被切割的日常裡,多一點回到生活本身的可能。

紫外光影像:默沙東研究中的地面對照樣本(左)與太空飛行樣本(右)。微重力下生長的晶體大小與分布明顯更均一。這些結果幫助研究人員改良地面上均一晶體懸浮液的生產製程,以研發 Pembrolizumab 的注射劑型。(圖片來源:MSD) UV imaging of a ground control sample (left) and spaceflight sample (right) from Merck’s research shows the much more uniform size and distribution of crystals grown in microgravity. These results helped researchers to refine ground-based production of uniform crystalline suspensions required for an injectable version of the company’s cancer medicine, pembrolizumab. (MSD)

這是細胞與星空相遇的故事
也是人類選擇用仰望,來改變世界的故事。

從 1960 年搭上衛星的 HeLa 細胞,到 2017 年在太空站中結晶的抗體;
從一句「如果把它帶到太空,會怎麼樣?」的提問,到病患手臂上的一針,
科學把遙遠的星空,一步步轉化成守護生命的工具。

天文學看似遙不可及,望向的是光年之外的星系;但每一次仰望,每一次追問,都可能帶回意想不到的知識,讓地球上的生命活得更久、更好,也更有尊嚴。

當我們探索宇宙,我們也在重新理解自己。
而每一次仰望星空,或許都是一次重新凝視生命的開始。

從事藥物臨床研究工作的天文愛好者

林慧桃

 

參考資料

[1] BBC Bitesize. Henrietta Lacks: How her ‘immortal’ cells advanced modern science.

(Henrietta Lacks: How her ‘immortal’ cells advanced modern science – BBC Bitesize)

[2] Davies, P. Significant Research Advances Enabled by HeLa Cells. NIH Office of Science Policy.

(Significant Research Advances Enabled by HeLa Cells – Office of Science Policy)

[3] Wikipedia,  “Korabl-Sputnik 2”

(Korabl-Sputnik 2 – Wikipedia)

[4] Tschopp, A. & Cogoli, A. (1983). Hypergravity promotes cell proliferation.

(Hypergravity promotes cell proliferation | Cellular and Molecular Life Sciences | Springer Nature Link)

[5] Modeling the Impact of Microgravity at the Cellular Level: Implications for Human Disease

Frontiers | Modeling the Impact of Microgravity at the Cellular Level: Implications for Human Disease

[6] Grimm, D. et al. (2014). Growing Tissues in Real and Simulated Microgravity: New Methods for Tissue Engineering

(Growing Tissues in Real and Simulated Microgravity: New Methods for Tissue Engineering – Daniela Grimm, Markus Wehland, Jessica Pietsch, Ganna Aleshcheva, Petra Wise, Jack van Loon, Claudia Ulbrich, Nils E. Magnusson, Manfred Infanger, Johann Bauer, 2014)

[7] U.S. FDA (2014 年 9 月 4 日). FDA approves Keytruda for advanced melanoma.

(FDA: 125514Orig1s000Approv.pdf)

[8] McPherson, A. & DeLucas, L. J. (2015). Microgravity protein crystallization. npj Microgravity

(Microgravity protein crystallization | npj Microgravity)

[9] Reichert, P. et al. (2019). Pembrolizumab microgravity crystallization experimentation.

(Pembrolizumab microgravity crystallization experimentation – PubMed)

[10] Merck (2025 年 9 月 19 日). FDA Approves Merck’s KEYTRUDA QLEX™ (pembrolizumab and berahyaluronidase alfa-pmph) Injection for Subcutaneous Use…;KEYTRUDA QLEX

(FDA Approves Merck’s KEYTRUDA QLEX™ (pembrolizumab and berahyaluronidase alfa-pmph) Injection for Subcutaneous Use in Adults Across Most Solid Tumor Indications for KEYTRUDA® (pembrolizumab) – Merck.com)

[11] NASA. Space Station Research Informs New FDA-Approved Cancer Therapy.

(Space Station Research Informs New FDA-Approved Cancer Therapy – NASA)