8 Minutės
NASA's AVATAR: Sending Human Tissue to Test Space Health
Kai NASA ruošiasi siųsti astronautus aplink Mėnulį misijoje Artemis II, tyrėjai kartu išsiųs ir mažus, personalizuotus audinių modelius, sukurtus patirti tas pačias pavojų sąlygas kaip ir jų žmonių donorai. Žinomas kaip AVATAR projektas (A Virtual Astronaut Tissue Analog Response), šie „organ-on-a-chip“ tipo įrenginiai yra apie USB atmintinės dydžio ir gabens gyvus kaulų čiulpų modelius, gautus iš kiekvieno įgulos nario ląstelių. Eksperimento tikslas – atskleisti molekulinius ir ląstelių pokyčius, sukeltus gilaus kosmoso sąlygų, ir paspartinti tikslių priešpriemonių kūrimą žmogaus sveikatai kosmose.
Žmogaus fiziologija evoliucionavo esant Žemės gravitacijai ir magnetinei apsaugai. Giliame kosmose įgulos susiduria su keliais rizikos veiksniais – kosmine spinduliuote, izoliacija, ribota medicininio pagalbos prieiga, mikrogravitacija ir įtempta, uždara bei ne visada palanki gyvenamoji aplinka. Šių veiksnių derinys gali silpninti kaulų tankį, širdies ir kraujagyslių funkciją, imuninį atsparumą, regėjimą ir kitas sistemas. AVATAR metodas turi audinių pakaitalus šalia pačių astronautų, leidžiančius atlikti šoninės palyginimo analizę tarp donorų sisteminių atsakų ir audinių molekulinių reakcijų bei taip identifikuoti individualias biologines tendencijas.
Scientific Context and Rationale
Organ-on-a-chip technologija atkartoja pagrindines žmogaus audinių savybes kompaktiškuose mikrofluidiniuose įrenginiuose. Šie lustai palaiko gyvas ląsteles architektūromis, kurios imituoja organų struktūrą ir funkciją, todėl tyrėjai gali išmatuoti atsakus į aplinkos stresorius neeksponuodami viso žmogaus nereikalingai rizikai. Kosminių skrydžių kontekste „organ-on-a-chip“ įrenginiai gali būti ekspozuojami kosmine spinduliuotei, pakeistiems cirkadiniams signalams ir mikrogravitacijos analogams, kad būtų prognozuojami donoro (astronauto) biologiniai rezultatai. Technologijos privalumas – galimybė atlikti ilgalaikius, automatizuotus stebėjimus ir kaupti molekulinius duomenis, tokius kaip transkriptomos pokyčiai, baltymų signalizacija ar ląstelių gyvybingumo rodikliai, kurie padeda kurti mechanistinius ryšius tarp aplinkos poveikio ir klinikinių simptomų.
NASA Žmogaus tyrimų programa (Human Research Program) identifikavo penkis pagrindinius kosminių skrydžių pavojus: poveikį kosminei spinduliuotei, izoliaciją, atstumą nuo greitos medicininės pagalbos, mikrogravitaciją (ir su ja susijusius sumažėjusius mechaninius krūvius audiniuose) bei gyvenimą uždarose, kartais triukšmingose ir nemalonaus kvapo aplinkose. Kiekvienas iš šių faktorių gali uždegti specifinius molekulinius kelius – DNR pažeidimus nuo aukštos energijos dalelių, imuninės disfunkcijas dėl streso ir miego sutrikimų, bei genų ekspresijos pokyčius dėl mechaninio apkrovos sumažėjimo kauluose ir raumenyse. AVATAR sistemos suteikia tyrėjams galimybę stebėti šiuos kelius audinių mėginiuose, ne tik izoliuotai, bet ir turint genetinį bei biologinį ryšį su pačiu įgulos nariu, leidžiant susieti molekulinius ženklus su konkrečia asmene.
Mission Details: AVATAR on Artemis II
Artemis II misijai AVATAR išsiųs personalizuotus kaulų čiulpų modelius, sukurtus iš kiekvieno astronauto ląstelių. Šie lustai keliaus Orion kosminėje kapsulėje kaip specialus krovinys ir bus veikiami tų pačių aplinkos sąlygų, su kuriomis susidurs įgula tranzito metu aplink Mėnulį. Lyginant lustų molekulinius duomenis – pavyzdžiui, imuninės ląstelių gamybos pokyčius, DNR žymenis, oksidacinio streso indikacijas ar transkripcijos profilio pasikeitimus – su klinikiniais matavimais, paimtais tiesiogiai iš astronautų (kraujo tyrimų panelės, kognityvinių testų rezultatai, aktyvumo ir apšvietimo žurnalai), mokslininkai gali koreliuoti molekulinius ženklus su fiziologiniais rezultatais ir taip geriau suprasti priežastinius ryšius.
What the experiment will measure
- Imuninės ląstelių funkcija ir gamyba iš kaulų čiulpų autentiškuose audinių modeliuose, įskaitant hematopoetinių progenitorių ir giminės linijų analizę
- Biomarkeriai, susiję su spinduliuotės sukeltu DNR pažeidimu ir remontu (pvz., γ-H2AX žymenys, DNR suskaidymo rodikliai), taip pat oksidacinio streso žymenys
- Ląstelės streso atsakai, susiję su pakeistomis cirkadinėmis ritmais ir miego-tranzito disruptoriais, įskaitant kortizolio ir citokinų reagavimą
- Molekuliniai indikatoriai, kurie gali informuoti realaus laiko priešpriešines priemones (countermeasures), tokias kaip vaistų dozavimas, šviesos terapijos režimai ar radioprotekcijos strategijos
Šis požiūris yra sąmoningai personalizuotas. Kiekviename AVATAR yra to paties individo ląstelės, kurio sisteminė sveikata bus stebima skrydžio metu. Toks poravimas leidžia atlikti stiprią palyginimo analizę: ar audinio pakaitalas parodo tą pačią pažeidžiamumą (ar atsparumą) kaip jo donoras? Jei taip, AVATAR galėtų būti naudojamas iš anksto patikrinti individualias jautrumo sritis ir įvertinti priešpriešias priemones, pritaikytas konkrečios astronauto biologijai. Be to, toks personalizuotas testavimas gali padėti kurti rizikos profilius, kurie integruotų genominius, transkriptominius ir fenotipinius įvertinimus, leidžiančius prognozuoti reagavimą į ilgalaikį poveikį kosmose.
Implications for Deep Space Exploration and Earth Medicine
Jei AVATAR pasiteisins, ateities misijos galėtų gabenti organų-lustų bankus, vaizduojančius kelis audinius – širdį, kepenis, smegenis ar kitus – gautus iš įgulos narių. Tokie lustai galėtų keliauti prieš žmonių atvykimą ilgos trukmės misijoms į Mėnulį ar Marsą, kad išmėgintų, kaip tolimojo kosmoso aplinka veikia žmogaus audinius. Autonominiai eksperimentai galėtų stumti audinius iki ekstremalių ribų kontroliuojamu ir stebimu būdu, suteikdami ankstyvą perspėjimą apie pavojus, kol gyvi įgulos nariai su jais susiduria. Tai ypač svarbu misijoms, kuriose pagalba iš Žemės ateina su vėlavimu arba ribotais ištekliais.
Be kosminių programų, įrodymas, kad personalizuoti audinių avatarai gali būti auginami, išsaugomi ir analizuojami izoliuotose sąlygose, turi aiškią taikymą Žemėje. Organ-on-a-chip sistemos jau pristatomos kaip transformuojančios personalizuotą mediciną – jos leidžia testuoti vaistus paciento pačių ląstelėse, prognozuoti nepageidaujamus poveikius ir pagreitinti terapijų kūrimą sudėtingoms ligoms. AVATAR eksploatacinės pamokos – susijusios su audinių stabilumu, miniatiūriniais instrumentais, autonominiu valdymu ir nuotoline duomenų telemetrija – gali būti tiesiogiai perkelti į klinikinius sprendimus, t. y. į priežiūros taškus, kur reikalingos mažos, patikimos ir personalizuotos testavimo platformos.
Expert Insight
"Padėjus donoro audinį šalia astronauto, gauname unikalų, individualizuotą langą į tai, kaip giliame kosmose keičiasi žmogaus biologija," sako dr. Elena Morales, biomedicinos inžinierė, specializuota mikrofyziologinėse sistemose. "Ši strategija sujungia klinikinio stebėjimo ir molekulinės biologijos stiprybes: ji leidžia pamatyti ne tik tai, kad problema egzistuoja, bet ir kaip bei kodėl ji kyla ląstelių lygiu. Tokia informacija yra esminė kuriant tikslias priešpriešines priemones ilgų misijų metu."
NASA pareigūnai, dirbantys Žmogaus tyrimų programoje, laiko AVATAR kaip platesnio pastangų dalį, skirtą sukurti standartizuotus fiziologinius matavimus kosminei sveikatai. Tai apima įprastus stebėjimus – kraujospūdį, širdies ritmą, aktyvumą, miegą ir apšvietimo poveikį, kognityvinius ir sensorimotorinius testus – kurie padeda nustatyti ‚normalios‘ funkcijos bazinius rodiklius mikrogravitacijoje. AVATAR prideda papildomą, molekulinį sluoksnį prie to bazinio duomenų rinkinio, todėl sprendimai dėl intervencijų gali būti labiau pagrįsti ir individualizuoti.
Technological Challenges and Next Steps
Pagrindiniai techniniai iššūkiai lieka: užtikrinti gyvų audinių gyvybingumą per pakilimą ir tranzitą, garantuoti patikimą mikrofluidinių siurblių bei jutiklių autonominį veikimą, apsaugoti lustus nuo paleidimo vibracijos ir aukštos energijos kosminių dalelių bei perduoti aukštos raiškos molekulinius duomenis atgal į Žemę. Validaciniai tyrimai Žemėje ir žemoje Žemės orbitos platformose yra būtini, siekiant patikslinti mėginių ėmimo, konservavimo ir duomenų interpretacijos protokolus. Tai apima optimizaciją, kaip mėginiai fiksuojami arba stabilizuojami (pvz., kriokonservavimas ar cheminio fiksavimo strategijos) prieš siunčiant į laboratorinius analizatorius ar saugant tolimesniam tyrimui.
Vykstant AVATAR projekto plėtrai nuo vienaudinio audinio piloto Artemis II iki kelių audinių komplektų būsimose misijose, technologija turės būti mastoma. Tai reiškia personalizuotų lustų gamybą misijų apimtyje, protokolų nustatymą audinių surinkimui ir kriokonservacijai bei automatizuotų analitikų kūrimą, kurie gali veikti su minimalia įgulos intervencija. Be to, reikės standartizuoti duomenų formatavimą, kad molekuliniai rodikliai būtų lengvai interpretuojami klinikams ir mokslo komandai, bei integruoti saugias telemetrijos priemones, garantuojančias duomenų vientisumą ir privačių medicininių duomenų apsaugą.
Conclusion
AVATAR reiškia strategišką organ-on-a-chip technologijos ir žmogaus kosminio skrydžio tyrimų sintezę. Ko-lokuodama donorų kilmės audinių modelius kartu su jų žmonių donorais mėnulio misijų metu, NASA siekia identifikuoti molekulinius kosminių stresorių ženklus ir patvirtinti individualizuotas priešpriemones prieš tai, kai įgulos imasi ilgesnių kelionių. Sėkmė ne tik pagerintų astronautų saugumą Artemis misijose ir būsimate kelionėse į Marsą, bet ir pažengtų į priekį precizinės medicinos srityje Žemėje, demonstruodama tvirtas, miniatiūrines platformas personalizuotų terapijų testavimui atokiose ar sudėtingose sąlygose. Tokios platformos turi potencialą sumažinti eksperimentų riziką, sutrumpinti vaistų tyrimų ciklus ir suteikti klinikams naujus įrankius individualizuotai pacientų priežiūrai tiek aukštos technologijos centuose, tiek resursų ribose veikiančiuose sveikatos priežiūros taškuose.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą