空间肿瘤学：抗癌新领域的机遇与挑战

原文发表于《科技导报》202 6年第10期《中国空间肿瘤学研究的机遇与挑战》

空间肿瘤学是利用空间特殊环境开展肿瘤发生、演进、诊断和治疗等相关基础和应用基础研究的一门新兴学科。《科技导报》邀请苏州大学苏州医学院放射医学与防护学院、放射医学与辐射防护国家重点实验室、辐射损伤与救治江苏省高校重点实验室、江苏省高校放射医学协同创新中心周光明教授团队撰写文章，概述了空间肿瘤学的研究背景与科学意义，梳理了国内外相关研究计划与进展，重点阐述了空间辐射环境下正常细胞癌变和癌细胞死亡2大方向的机制研究现状。最后，建议重点围绕5大科学问题，分短期、中期、长期3个阶段系统推进，构建完整的空间肿瘤研究理论体系，为人类生命健康保障与癌症防、诊、治提供新策略。

空间肿瘤学是一门新兴交叉学科，主要利用空间辐射环境开展肿瘤发生、演进和治疗等基础和应用基础研究，它与空间探索活动的发展密切相关。中国空间站的建成及载人登月工程等深空探索任务的实施为中国空间肿瘤研究提供了前所未有的平台和机遇。

1 空间肿瘤学研究的背景与意义

癌症是人类生命健康的主要威胁之一。全世界总体肿瘤发生率较10年前有所下降，死亡率也呈现下降趋势；然而，中国的肿瘤发生率仍然在增加。系统、深入地研究癌症发生发展的分子机制，才能发现新的诊疗靶点，助力防、诊、治新措施的开发，为攻克癌症奠定理论基础。

电离辐射是已知的物理致癌因子。用电离辐射作为物理刺激因子来造模，研究癌症发生发展的分子机制是可行的。空间辐射环境与地面环境辐射、核技术应用相关的辐射条件迥然不同。空间辐射环境具有能量高、剂量率低、富含高原子序数高能粒子（HZE粒子）、混合辐射、与微重力等其他空间环境因素耦合等特点。执行过空间任务的航天员癌症发生率高于地面对照人群。有限的研究结果显示，空间辐射环境的致癌效应和分子机制很有可能与地面不同，基于中国空间站等天基平台，在空间真实辐射环境下开展空间辐射生物学研究，有助于发现新现象、新规律和新机制。

辐射是一把“双刃剑”：一方面辐射可能导致癌症发生，另一方面辐射可以有效杀灭癌细胞。放射治疗具有悠久的历史，1896年，伦琴发现X射线的第2年，辐射就被用于肿瘤的治疗。最新研究发现，空间辐射环境可以特异性抑制癌细胞增殖、诱导癌细胞凋亡，甚至逆转上皮细胞间质转化（EMT），而对正常细胞的损伤远低于传统放化疗。空间辐射环境中癌细胞的行为与地面不同，为揭示癌细胞增殖的特性和机制、开发新型肿瘤治疗手段提供了新的视角。

空间肿瘤研究的核心价值正在于整合这2大方向（图1）：通过研究空间辐射如何诱导正常细胞癌变，揭示空间辐射致癌效应的新机制并发现早期诊断标志物，拓展人类对癌症发生发展的认知，有望获得新的癌症诊疗靶点、启发新的癌症防治措施；同时，探索空间辐射环境如何调控癌细胞的生物学行为，为低分化小细胞肺癌等难治性肿瘤提供新的治疗靶点，为改善地球上的癌症诊断和治疗带来变革，这种“从风险到机遇”的转化研究，不仅关乎人类在太空中的生命健康保障，更有望突破地面肿瘤治疗的瓶颈，从而为癌症的诊治提供了新的思路。

图1 空间肿瘤学研究范畴示意

2 空间肿瘤学研究进展

2.1 生物效应方面的研究进展

空间肿瘤相关研究早有报道，近年来显著增多。Niknam等系统调研了2024年2月之前的空间肿瘤研究进展，158篇实验研究方面的文章中以美国、德国、中国、日本的研究为主；74%以细胞为实验模型；相对而言，乳腺癌、甲状腺癌、肺癌、血癌和胃肠道肿瘤的研究最多。

2014年，Weil等报道了不同种类的重离子全身辐照小鼠诱导肝癌发生的研究结果：质子诱导的肝癌发生率与X射线相同，但其他HZE粒子的致癌效应显著高于质子和X射线。McConnell等也证实，HZE粒子比X射线、γ射线等更易导致肺等器官组织癌变。Li等采用α放射源处理体外培养的人肺上皮细胞系，分析发现，与人们的常识不同，长期低剂量率α粒子辐照诱导的肿瘤发生率与等剂量急性辐照一致，但肿瘤的恶性程度更高。

外太空是一个由不同HZE粒子组成的混合辐射辐照场。Zhou等利用美国国家航空航天局（NASA）空间辐射实验室（NSRL）的加速器可进行不同粒子的快速切换，研究了不同时间间隔的高能质子和铁离子辐照导致细胞的转化效应，发现2种HZE粒子混合辐照的时间间隔低于1 h时存在协同效应，这一发现在其他团队的后续研究中得到了验证。Takahashi等发现，空间低剂量辐射诱导适应性反应与p53状态有关。

随着实验研究结果不断丰富，越来越多的证据表明，辐射与微重力存在协同效应。Yamanouchi等发现，同时暴露于微重力和辐射时，简单型和复杂型染色体畸变均显著高于单纯的辐射。Ding等发现在模拟微重力环境中，辐射虽然会加剧靶细胞的基因组不稳定性和恶性转化率，但低剂量辐射下微重力会减少旁观者细胞损伤和恶性转化。徐颖则发现模拟空间辐射与微重力通过调控细胞内钙离子浓度驱动β−arrestin−1（ARRB1）发生核转位，最终诱导细胞恶性转化与肿瘤发生，这一发现为理解太空环境中的癌变机制提供了新的理论依据。近期，中国科学家利用中国空间站首次完成了小鼠植入前胚胎在轨发育研究，发现空间环境（包含空间辐射与微重力）并不影响2−细胞胚胎发育到囊胚的潜力，但囊胚的形成率及囊胚质量均有所下降。此外，太空发育胚胎的细胞中存在严重的DNA损伤，同时其基因组整体呈现低甲基化状态，并伴有独特的差异甲基化区域。这些发现为评估空间辐射对生殖细胞及早期胚胎的致癌与致畸风险提供了重要的基础数据。

空间辐射致癌效应研究的报道虽然越来越多，但是仍然十分有限，特别是肿瘤发生风险与辐射品质的量效关系数据不足、肿瘤发生发展的演进过程所知有限，严重制约空间辐射致癌风险评估的可靠性。

2.2 机理研究方面的研究进展

2.2.1DNA损伤与修复

经典靶学说认为，DNA是电离辐射的关键靶。DNA损伤与肿瘤发生存在相关性，尤其是DNA双链断裂（DSB）与细胞死亡、基因突变等密切相关。癌细胞的DNA损伤修复相关基因发生变异或基因组不稳定，往往导致的DNA损伤修复系统不完善，因而对辐射，尤其是对HZE粒子辐射相对敏感，在空间辐射环境下很可能更容易发生不可修复的DSB而死亡，空间辐射环境下正常细胞和癌细胞DNA损伤的诱导与修复还有待开展系统的对比研究。另外，微重力对DNA辐射损伤的诱导与修复的影响一直存在争议。越来越多的实验研究认为，微重力环境导致辐射引起的DNA损伤修复显著降低，DNA损伤发生累积，加剧基因组不稳定性和基因突变的发生。空间辐射环境中，一方面HZE粒子诱导DNA团簇损伤，另一方面微重力环境重塑染色质可及性，复合作用增加DNA辐射损伤的易感性和复杂程度，从而提升肿瘤发生的风险。

2.2.2非编码RNA调控

非编码RNA（ncRNA）一般不具备编码蛋白的功能，但其功能却很重要。虽然ncRNA相关的研究进展迅速、不少microRNA、lncRNA均与肿瘤的发生发展密切相关，但是绝大部分lncRNA的功能仍不清楚。Li等发现，HZE粒子辐照后，肺上皮细胞中miR−1246、miR−1290、miR−23a、miR−205等与肺非小细胞癌相关的microRNA的表达量提高了4倍。Fu等发现，模拟微重力环境诱导14种lncRNA的表达改变而辐射诱导55种lncRNA的表达改变，辐照后进行模拟微重力环境的培养后70种lncRNA的表达发生改变。苏州大学放射医学与辐射防护学院和中国科学院近代物理研究所从辐照后的HeLa细胞中鉴定了对电离辐射特异响应的10余种microRNA和20种lncRNA。

2.2.3细胞骨架动力学改变

微丝骨架在细胞中无处不在，所以与DNA一样，可以被电离辐射直接损伤，也可以遭受活性氧（ROS）等间接攻击；此外，微丝骨架还参与细胞命运的决定；微丝骨架也是力学感受器，在微重力环境下，染色质可及性变化、细胞器分布、信号传输等均可能由微丝骨架传导的力学信号转导发生变化。细胞微丝骨架是重要的力学感受器，微重力环境改变微丝骨架结构，从而影响电离辐射的生物效应。因此，微丝骨架很可能在空间辐射环境诱导的肿瘤发生方面也发挥重要的调控作用。

2.2.4 细胞器互作

线粒体是一个多功能细胞器，不仅是细胞内物质氧化、释放能量的场所；与内质网、细胞外基质等协同作用，调控细胞中钙离子的动态平衡；还与内源性ROS的产生、细胞凋亡、衰老等过程密切相关。长时间空间探索任务可导致线粒体损伤。线粒体和染色质、微丝骨架等其他细胞器存在联动，共同调控细胞对空间辐射环境的应激响应，导致基因组不稳定性，继而不断演化、转化乃至癌变。在辐射致胚胎损伤的氧化应激机制方面，Ma等最新研究发现，采用NADPH氧化酶/抗氧化双靶向干预策略，可显著减轻辐射诱导的小鼠胚胎发育缺陷。这提示，通过调控NOX−ROS−线粒体轴，可能为降低空间辐射诱导的发育损伤提供新的防护靶点。

2.2.5 微环境变化

空间辐射环境可通过“癌细胞−免疫细胞−血管内皮细胞”交叉调控，重塑肿瘤微环境，强化抑癌效应。NASA报道，空间辐射环境下免疫细胞功能受微重力影响显著，T细胞活化标志物CD25表达下调，但癌细胞免疫原性升高，形成“免疫抑制减弱−癌细胞易感性增强”的协同效应。中国人民解放军空军军医大学研究团队证实，模拟微重力培养24 h可显著增强人脐静脉内皮细胞管形成和细胞迁移能力，且PI3K−Akt−eNOS通路在此过程中扮演重要角色。NASA通过国际空间站（ISS）搭载实验发现，甲状腺癌细胞在空间微重力下外泌体分泌量增加30%，且外泌体中miR−146a表达显著升高，该microRNA可靶向抑制细胞NF−κB通路，进一步放大抑癌效应，提示“空间外泌体”可作为新型免疫治疗载体，为地面难治性肿瘤治疗提供新工具。由此推测，空间辐射环境同样会引起正常细胞、正常干细胞、肿瘤干细胞等所处微环境的变化，从而影响其效应，但有必要开展系统深入的实验研究进一步阐明。

3 国外空间肿瘤研究计划

国外空间肿瘤研究已形成以欧美为主导、多机构协作、“地面模拟−空间验证−成果转化”为核心链条的研究格局。在早期低剂量辐射研究计划的基础上，涌现出以欧洲航天局（ESA）的“太空肿瘤计划”、NASA的“癌症登月计划”等为代表的研究专项（表1）。

表1 空间肿瘤相关研究计划

俄罗斯（包括苏联时期）虽未设置独立的“太空肿瘤计划”，但其庞大的太空生物医学研究体系，尤其是辐射生物学研究，其核心目标之一就是解决包括肿瘤在内的辐射健康风险，其研究成果直接应用于肿瘤学。在其国家航天集团和生物医学研究所的研究规划中，“太空辐射的生物学效应与防护”始终是核心课题，其成果自然服务于肿瘤学研究。

1998年，美国能源部（DOE）启动了低剂量辐射研究计划，支持低剂量（<100 mGy）和低剂量率（<10 mGy/h）辐射的生物效应研究，包括非靶效应、适应性反应及其分子通路等，其资助力度曾一度高达2800万美元，激发了世界范围内低剂量辐射研究的热潮。NASA支持开发了世界上第一个空间辐射致癌风险评估系统，并以此为基础制定了空间剂量安全阈值的设定原则，空间辐射致癌效应和机理研究方面也取得了不少突破，使得美国在空间肿瘤研究方面处于领先地位。2016年1月，时任美国总统奥巴马在其国情咨文中首次提出“癌症登月计划”，2022年，拜登政府正式重启，该计划旨在协调联邦政府、私营部门、科研机构和非营利组织的力量，在未来25年内将癌症死亡率降低至少50%，并显著改善癌症患者和幸存者的生活体验。NASA依托该计划，将太空肿瘤治疗纳入人类研究计划的“空间辐射单元”，组建由25名跨机构科学家（涵盖NASA中心、高校、企业及政府机构）构成的团队，聚焦“航天员健康保障与地面癌症防治”双重目标，重点研究包括3方面：一是新型肿瘤筛查技术研发；二是辐射防护与治疗药物筛选；三是个性化治疗技术探索。2021年通过SpaceX CRS−3任务研究甲状腺癌细胞外泌体分泌规律，证实空间环境下外泌体含更多促凋亡因子，为“空间来源外泌体治疗”奠定基础。

欧洲多学科低剂量倡议（MELODI）是欧洲辐射防护研究的一项长期战略发展计划，研究低剂量辐射的健康效应。该计划目前有来自18个国家的40多位专家参与，研究方向包括肿瘤风险的剂量和剂量率依赖性、非癌效应和个体辐射敏感性。ESA的“太空肿瘤计划”是当前国际空间肿瘤研究领域的标志性项目，由挪威科技大学、德国癌症研究中心、荷兰Hubrecht Organoid技术中心等机构联合推动，于2018年正式立项，其核心目标是利用空间辐射环境，揭示癌细胞调控机制并开发新型治疗策略。

加拿大核实验室（CNL，原名加拿大原子能公司）于1948年开始进行低剂量辐射的研究。该实验室拥有全国规模最大的低剂量辐射研究项目，并且拥有一个全球独一无二的动物低剂量辐射设施，该设施用于探究低剂量辐射对生物体产生的机制性影响，还向国际合作伙伴开放使用。

成立于1990年的日本国立环境研究所在日本文部省和青森县支持下，长期开展低剂量率（0.05、1、20mGy/d）和中等剂量率（200和400 mGy/d）伽马射线辐射研究。目前，日本还没有成立国家级低剂量辐射研究计划，但是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）非常活跃，依托ISS和量子科学技术研究开发机构−放射线医学综合研究所的重离子医用加速器（HIMAC）开展空间肿瘤研究。

除欧美主导的项目外，其他国家及国际合作研究也形成重要补充。德国马格德堡大学团队通过ISS的SpaceX CRS−13任务，发现微重力通过下调ERK/RELA通路抑制细胞增殖，相关成果为地面甲状腺癌靶向治疗提供新靶点；欧洲“THESEUS计划”首次实现太空肺癌类器官培养，为临床药物测试提供新模型；意大利罗马大学、韩国高丽大学、阿联酋穆罕默德·本·拉希德医学与健康科学大学等机构，分别发现空间辐射环境可使肺癌干细胞丧失干性、逆转EMT、下调体液免疫相关通路等特性。

4 中国空间肿瘤研究的机遇与挑战

中国空间辐射肿瘤学研究正处于“平台红利释放、基础研究积累、临床需求驱动”的关键发展期，依托独有的天基与地基平台优势，突破国际同类研究的局限，但同时也面临科学机制待突破、技术体系待完善、成果转化待贯通的多重挑战。

4.1 主要挑战

4.1.1 核心科学问题的突破难度大

中国空间辐射肿瘤学仍面临3大未解决的关键科学问题：一是空间复杂辐射环境的量效关系不明确；二是空间辐射环境抑癌的分子机制亟待验证；三是个体辐射敏感性差异的遗传基础不清。

4.1.2 技术平台与在轨实验能力有待提升

虽然天基实验技术与地基模拟平台不断完善，但各自的局限性不可避免，成为制约空间肿瘤研究的发展瓶颈，难以满足高精度、长周期、多维度空间生物学实验开展需求。因此，需要管理部门、科研院所、高校和医院等多方合作，一方面不断完善中国空间站辐射生物学实验机柜等天基实验平台的能力；另一方面不断提高地基模拟实验平台的仿真度。

4.1.3 成果转化与国际竞争力有待加强

中国空间辐射肿瘤学研究仍处于“基础研究—空间验证”的早期阶段，缺乏长期、稳定的经费支撑和团队协作，因而研究进展较慢，样本库和数据库尚未建成，科研成果显示度不足，尚未形成“空间发现—地面转化—临床应用”的完整链条，国际话语权不足。

4.2 平台优势

完善的天基实验平台和地基仿真模拟实验平台相互补充、相互验证、缺一不可。2014年，中国科学院近代物理研究所依托兰州重离子加速器（HIRFL）建成中国第一个空间辐射地基模拟实验平台和第一个省部级重点实验室；2024年，哈尔滨工业大学和中国航天科技集团联合建设的“十二五”国家重大科技基础设施，是中国目前最重要的地基模拟实验平台之一。2022年中国空间站全面建成，拥有生命科学实验柜、舱外辐射暴露装置等实验条件，是验证基于地基模拟实验装置所取得研究结果的不可或缺的平台。

中国已经在中国空间站成功实现人永生化肺上皮细胞系BEAS−2B长达1个月的连续培养、取样和返回，为后续研究奠定了技术基础。

中国空间站的国际合作机制为国内研究提供了良好发展契机。例如将ESA的“太空肿瘤”研究纳入中国空间站首批国际合作项目，中国团队可借此整合太空3D生物打印肿瘤模型等国际先进技术。国内放射医学、空间生命科学、系统生物学、分子生物学、粒子物理与核物理、临床医学的学科交叉已初步形成，实现“空间实验设计—在轨技术支撑—地面数据解析”的有组织科研，为空间辐射与微重力的耦合效应等复杂科学问题的突破提供跨学科视角。

4.3 机遇

中国已经具备开展天基实验和地基仿真模拟实验的能力，在国家自然科学基金委员会和中国载人航天工程办公室等的支持和指导下开展了多轮研讨和论证，发展思路日渐清晰，科学问题逐渐明确。现将5大科学问题以及针对这些问题所凝练出的科学假说总结如下。

科学问题1：空间辐射环境下肿瘤发生与辐射品质的量效关系。

假说1−1：在相同吸收剂量下，HZE粒子（如铁离子、硅离子）诱导的正常肺上皮细胞恶性转化频率显著高于质子或γ射线，且转化率与LET相关。

假说1−2：真实空间微重力环境可加剧HZE粒子诱导的基因组不稳定性，使同等剂量下的细胞转化率较地基模拟实验提高≥2倍。

科学问题2：空间辐射环境致癌效应的发生机制。

假说2−1：空间HZE粒子诱导的DNA簇状损伤因修复失败而持续激活cGAS−STING通路，但慢性炎症信号反而驱动未修复细胞发生NLRP3炎性小体介导的“损伤—衰老—旁癌变”级联反应。

假说2−2：空间辐射与微重力协同上调lncRNA及其下游效应分子，通过“细胞骨架重塑—能量代谢重编程—胞质分裂异常”三轴联动促进细胞恶性转化。

科学问题3：个体肿瘤易感性差异的分子机制。

假说3−1：携带DNA修复基因（如TP53、ATM、BRCA1/2、PRKDC）特定单核苷酸多态性（SNP）的个体，其正常细胞在空间辐射后发生恶性转化的风险显著高于无此类SNP者，且与DSB修复动力学延迟相关。

假说3−2：个体间抗氧化能力差异（如SOD2、GPX1、CAT表达水平）可预测空间辐射诱导的线粒体膜电位下降程度及癌变敏感性。

科学问题4：空间辐射环境下癌细胞应激响应、死亡和衰老的分子机制。

假说4−1：空间辐射环境（特别是HZE粒子）可特异性激活p53野生型癌细胞的衰老相关分泌表型（SASP），通过旁分泌作用抑制非照射癌细胞增殖；而p53突变型癌细胞则倾向于发生铁死亡而非凋亡。

假说4−2：空间微重力通过下调癌细胞Hippo通路效应分子YAP/TAZ，减少其核转位，从而逆转EMT，降低癌细胞的侵袭和转移能力。

科学问题5：空间辐射环境对肿瘤微环境的调控机制。

假说5−1：空间辐射环境诱导肿瘤细胞释放特定外泌体（含miR−146a、miR−1246等），这些外泌体可被肿瘤相关巨噬细胞（TAM）摄取，促使M2型巨噬细胞向M1型复极化，从而逆转免疫抑制微环境。

假说5−2：空间微重力减少Treg的增殖和向肿瘤部位的趋化，同时增强细胞毒性T淋巴细胞（CTL）的浸润和杀伤活性，形成“免疫有利”微环境。

5 展望

将中国空间站和广泛的地基模拟实验平台优势结合、与月球基地等未来平台结合，基于肿瘤学的学科发展规律，可分为短期、中期、长期3个阶段，构建“基础研究—技术突破—临床转化”的系统发展路径，推动中国空间肿瘤研究快速起步和高质量发展（图2）。

图2 空间肿瘤学发展路径

短期目标：构建基础研究体系，积累核心数据。以肺癌研究为牵引，重点实现2个目标。一是建成空间肿瘤学数据库。二是完善有组织的科研协作网络。在肺癌研究方面取得突破的同时，形成高效协作的有组织科研系统，形成完善的空间肿瘤研究数据采集标准、数据治理体系和数据共享机制。

中期目标：突破关键机制，培育转化能力。拓展空间肿瘤学研究的肿瘤种类，聚焦机制突破与技术转化，实现2个跨越。一是针对中国高发肿瘤和世界难治性肿瘤，深化机制研究，提供防、诊、治新思路；二是基于新发现的靶点开展有效预防策略、系统诊断技术、新型治疗技术的探索，成立全国空间肿瘤研究合作联盟，开展多中心临床转化研究。

长期目标：形成空间肿瘤研究理论体系，赋能载人航天与肿瘤医疗。从学科发展与实际应用出发，建成国际领先的空间肿瘤学理论体系和技术体系，实现2大保障。一是建立空间辐射环境的肿瘤发生风险预测、监测和防护体系，保障长周期深空载人探索任务的顺利实施；二是实现空间肿瘤学研究和地面临床转化闭环，提供多种典型肿瘤诊治理论和技术，显著提升中国患者的5年生存率，助力健康中国建设和《“健康中国2030”规划纲要》的实现。

中国载人航天工程的顺利实施为中国空间肿瘤学学科建设和基础研究提供了前所未有的平台和机遇，应通过构建全国空间肿瘤研究合作联盟，形成一支稳定合理的基础研究、转化研究和临床研究相结合的队伍，开展平台共享、优势互补、高效协作的有组织科研，最终实现“空间研究保障航天健康、航天技术赋能地面医疗”的双向转化医学价值，使中国成为全球空间肿瘤学研究与转化的引领者和攻克癌症的中坚力量。

本文作者：胡文涛、裴炜炜、韩培、周光明

作者简介：胡文涛，苏州大学苏州医学院放射医学与防护学院、放射医学与辐射防护国家重点实验室、辐射损伤与救治江苏省高校重点实验室、江苏省高校放射医学协同创新中心，副教授，研究方向为辐射生物学；韩培（通信作者），中国科学院空间应用工程与技术中心，高级工程师，研究方向为空间生命科学与生物技术；周光明（共同通信作者），苏州大学苏州医学院放射医学与防护学院、放射医学与辐射防护国家重点实验室、辐射损伤与救治江苏省高校重点实验室、江苏省高校放射医学协同创新中心，教授，研究方向为辐射生物学。

文章来 源 ： 胡文涛, 裴炜炜, 韩培, 等. 中国空间肿瘤学研究的机遇与挑战[J]. 科技导报, 2026, 44(10): 56−71.

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