Mały zastępca astronauty: tkankowe chipy w zdrowiu kosmicznym
Zanim kiedykolwiek postawisz stopę na statku kosmicznym zmierzającym w stronę głębokiej przestrzeni, drobne repliki twoich narządów mogą pojechać w podróż jako pierwsze. Zawieszony w mikrograwitacji na pokładzie misji badawczej, ten organ na chipie, czyli chip tkankowy, wyprodukowany z twoich własnych komórek, mógłby ujawnić, jak twoje ciało zareaguje na promieniowanie kosmiczne i na brak grawitacji w kosmosie. Gdy ludzkość posuwa się poza orbitę Ziemi, nasze narzędzia biomedyczne muszą ewoluować, by sprostać temu zapotrzebowaniu. Te miniaturowe układy organów mogłyby przekształcić sposób, w jaki przygotowujemy astronautów na nieznane, ale tylko jeśli NASA poprowadzi inwestycję w rozwój autonomicznych, standaryzowanych platform chipów tkankowych zdolnych do działania w głębokiej przestrzeni, a uniwersytety i prywatni partnerzy przyczynią się do ich projektowania i wykorzystania naukowego.
Jako dyrektor ds. badań naukowych w Translational Research Institute for Space Health (TRISH), kieruję inicjatywami mającymi na celu zminimalizowanie zagrożeń zdrowotnych dla astronautów wyruszających w głąb kosmosu. Plan misji Artemis NASA umieści badaczy na orbicie księżycowej i na powierzchni Księżyca, przy czym czas narażenia na zagrożenia kosmiczne będzie znacznie przekraczał wcześniejsze programy Apollo. W szczególności ryzyko długoterminowego narażenia na promieniowanie kosmiczne stanowi istotną niewiadomą, ponieważ nie da się go skutecznie osłonić ani realistycznie zbadać tutaj na Ziemi lub na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO).
Naukowcy zajmujący się zdrowiem w kosmosie muszą mieć narzędzia do badania skutków długotrwałego i głębokiego narażenia, a także testować sposoby zapobiegania i łagodzenia jego negatywnych skutków, bez zwiększania ryzyka dla załóg. Chipy tkankowe zapewniają bezpieczniejszy, wydajniejszy i potencjalnie kosztowo efektywny sposób badania ryzyka lotów kosmicznych i testowania środków przeciwdziałania.
NASA i partnerzy instytutów badawczych już wysłali takie chipy w kosmos, aby zrozumieć skutki mikrograwitacji, ale TRISH wprowadza kolejny krok w odblokowaniu pełnego potencjału systemów astronauta-na-chipie, koncentrując się na testowaniu środków przeciwdziałania i analizie odpowiedzi na dawkę, aby zapewnić, że eksploratorzy będą odpowiednio przygotowani na stresory zewnętrznej przestrzeni. Dzięki usunięciu astronautów z równania, radzimy sobie również z problemem zapowiadanej redukcji lotów załogowych i dekomisji ISS.
Systemy mikrofizjologiczne (MPS), znane również jako chipy tkankowe, to miniature, hodowane w laboratorium modele ludzkich tkanek lub narządów zaprojektowane tak, by odtworzyć kluczowe aspekty struktury i funkcji. Opracowywane na styku bioinżynierii i biologii komórkowej, te małe, ale potężne platformy pozwalają badaczom badać ludzką fizjologię poza ciałem.
Koncepcja pojawiła się na początku lat 2010-tych z celem bycia dokładniejszą alternatywą dla modeli zwierzęcych. Pierwszy lung-on-a-chip, wykonany z elastycznego, przezroczystego polimeru zawierającego ludzkie komórki płucne, odtworzył ruch oddechowy płuc poprzez stosowanie sił mechanicznych, otwierając drogę do bardziej zróżnicowanych, wiarygodnych i ludzkich modeli do testów leków i oceny toksyczności.
Ostatnie postępy umożliwiły również stworzenie modeli wielookraniowych, co jest kluczowe dla zrozumienia zintegrowanych efektów i testowania sposobów utrzymania ludzi w zdrowiu w kosmosie.
Chociaż badania biomedyczne były częścią eksploracji kosmicznej od samego początku, możliwości pozostają ograniczone z powodu ograniczonych zapleczy badawczych i cennego czasu małych załóg misji. Przez dekady badania zdrowia kosmicznego opierały się na kluczowych, lecz ograniczonych próbkach astronautów i modelach zwierzęcych, aby zrozumieć ludzkie reakcje na lot kosmiczny. Jednak prawie 90% badań klinicznych kończy się niepowodzeniem, mimo obiecujących wyników w modelach mysich. Pozyskiwanie próbek biologicznych od astronautów może być wyzwaniem, a chociaż modele mysie odgrywały kluczową rolę, wrodzone różnice międzygatunkowe często ograniczają bezpośrednie tłumaczenie wyników na ludzi.
Misje Artemis wyślą astronautów w środowiska promieniowania głębokiej przestrzeni na dłużej niż ktokolwiek doświadczył w pół wieku. Jednak narzędzia, na których polegamy, by badać te ryzyka, pozostają ograniczone przez czas załogi, ograniczone zaplecze i analizy prowadzone na Ziemi. Jeśli eksploracja przyspiesza, nasze modele badań biomedycznych muszą przyspieszyć wraz z nią.
Modele astronauta-na-chip oferują platformę do badania zmian biologicznych na zaawansowanym poziomie tkankowym bez polegania na tkankach zwierzęcych, bez ograniczonej dostępności próbek od astronautów ani konieczności ich powrotu na Ziemię do analizy. Coś tak niepozornego jak pudełko na buty w bezzałogowym statku kosmicznym, w którym przechowuje się chipy tkankowe, może być kluczem do odblokowania najskuteczniejszego środka przeciwdziałającego promieniowaniu.
Początek możliwości badań chipów tkankowych w kosmosie nastąpił prawie dekadę temu wraz z Programem Mikro-fizjologicznych Systemów dla Translacyjnych Badań w Kosmosie, partnerstwem między Narodowym Instytutem Zdrowia (NIH) - Narodowym Centrum Zaawansowanych Nauk Translacyjnych (NCATS) - a Center for the Advancement of Science in Space. Ta wczesna praca wykazała wykonalność wysyłania zaawansowanych systemów biologicznych na orbitę, torując drogę do zaawansowanych modeli, które rozwijamy dziś.
Budując na tych fundamentach, TRISH sfinansował wiele inicjatyw mających na celu wykorzystanie MPS do badania skutków promieniowania kosmicznego i oceny potencjalnych środków przeciwdziałających zdrowiu człowieka. Podczas gdy trwające badania w tej dziedzinie koncentrują się obecnie na wydłużaniu żywotności chipów tkankowych i ich użyteczności w badaniach nad starzeniem się i chorobami, TRISH toruje kolejny krok: wykorzystanie tych systemów do testowania i analizy reakcji na środki przeciwdziałania.
W ramach inicjatywy Science ENterprise to INform Exploration Limits (SENTINEL) finansujemy rozwój systemu wielotkankowego skoncentrowanego na odpowiedzi na dawkę promieniowania z perspektywą automatyzacji w przyszłości. Ten system następnej generacji ma na celu analizowanie, jak tkanki reagują na różne dawki promieniowania, tworząc bazę wiedzy do przesiewania środków przeciwdziałających dla astronautów wracających na Ziemię.
Aby umożliwić ludziom podróż na Marsa, musimy w szczególności zrozumieć wpływ promieniowania na biologię w prawdziwym środowisku kosmicznym. Dlatego standaryzacja chipów tkankowych w ramach programu SENTINEL będzie kluczowa dla prowadzenia badań poza LEO. Personalizowane strategie środków przeciwdziałających mogą być testowane nie tylko w kosmosie, ale także na własnych komórkach poszczególnego astronauty. Ostatecznie te postępy będą rozwijać inne zdalne możliwości naukowe i medyczne niezbędne do skutecznych misji na Księżyc, Marsa, a nawet tutaj na Ziemi.
Nie jest to temat science fiction, aby wyobrazić sobie wysłanie małej wersji samego siebie w kosmos, nie jako hologram ani klon, lecz jako chip tkankowy wyprodukowany z własnych komórek. Osobisty "strażnik" mógłby podglądać, jak podróż kosmiczna może wpłynąć na twoje ciało, zanim opuścisz Ziemię, przetestować promieniowania środki przeciwdziałające i ocenić, który z nich działa najlepiej dla ciebie.
Jeśli poważnie myślimy o zrównoważonej eksploracji poza LEO, NASA musi poprowadzić inwestycję w autonomiczne, standaryzowane, gotowe do głębokiej przestrzeni platformy chipów tkankowych zdolne do samodzielnego działania i generowania operacyjnie użytecznych danych na miejscu, przy czym uniwersytety i prywatni partnerzy pomogą w opracowaniu i przetestowaniu technologii.
A poza lotami kosmicznymi, te bio-analogi mogłyby zrewolucjonizować medycynę na Ziemi, umożliwiając lekarzom testowanie terapii na "tobie", bez ryzykowania realnych negatywnych skutków. W miarę jak eksploracja kosmosu szybko postępuje, musimy pamiętać, że rozwój zdrowia kosmicznego to także zapewnienie, że nasze rozwiązania są zrównoważone i przynoszą korzyści wszystkim ludziom, gdziekolwiek będą podróżować.
SpaceNews zobowiązuje się do publikowania różnorodnych perspektyw naszej społeczności. Niezależnie od tego, czy jesteś akademikiem, dyrektorem, inżynierem, czy nawet po prostu zaniepokojonym obywatelem kosmosu, wyślij swoje argumenty i poglądy na adres opinion (at) spacenews.com, aby zostały rozważone do publikacji online lub w naszym następnym magazynie. Jeśli masz coś do zgłoszenia, przeczytaj niektóre z naszych ostatnich artykułów opinii i nasze wytyczne dotyczące zgłoszeń, aby zorientować się, czego oczekujemy. Poglądy wyrażone w tych artykułach opinii są wyłącznie poglądami ich autorów i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy ich pracodawców ani afiliacje zawodowe.
Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
