Kosmos nie jest miejscem przyjaznym dla życia. Astronauci narażeni są na niebezpieczne promieniowanie, a w ich ciałach zachodzą niekorzystne zmiany. – Stan nieważkości – precyzyjniej zwany mikrograwitacją – sprawia, że mięśnie i kości słabną, wzrok traci ostrość, a układ odpornościowy słabiej radzi sobie z infekcjami. Te same niesprzyjające warunki są wykorzystywane przez uczonych szukających nowych leków na raka, infekcje bakteryjne czy chorobę Parkinsona. – Kiedy zaczynałem badania, wielu kolegów mówiło, że zwariowałem. Ja jednak sądzę, że tzw. biologia kosmiczna to przyszłość medycyny – mówi dr Joshua Chou, bioinżynier z Uniwersytetu Technologicznego w Sydney.
RAK SIĘ ROZPADA
Dr Chou zaczął badać związki między grawitacją a rakiem dzięki nieżyjącemu już prof. Stephenowi Hawkingowi. Wybitny fizyk powiedział mu kiedyś, że nic we Wszechświecie nie jest w stanie przeciwstawić się grawitacji. Kiedy parę lat później u znajomego dr. Chou zdiagnozowano groźnego raka, naukowiec zadał sobie pytanie: co stałoby się z komórkami nowotworowymi bez przyciągania
ziemskiego? Nowotwory lite zaczynają się od niewielkiej grupy komórek, które szybko mnożą się i tworzą guz. Po jakimś czasie część z nich może się oddzielić i przenieść w inne miejsce – tak powstają przerzuty. Naukowcy do dziś nie są pewni, co sprawia, że do tego dochodzi.
Jedna z teorii mówi, że komórki rakowe wyczuwają się wzajemnie dzięki siłom mechanicznym. Gdy guz urośnie, siły te zmieniają się i wówczas pojawiają się przerzuty Nowotwory, podobnie jak ludzie, wyewoluowały w środowisku, które jest poddane działaniu grawitacji. Gdy siła ta zostanie osłabiona, zaburzeniu ulegają reguły rządzące wzrostem guza. Zespół dr. Chou wykazał to, umieszczając komórki raka jajnika, piersi, płuc i zatok przynosowych w wirówce laboratoryjnej, która symuluje warunki panujące na orbicie okołoziemskiej.
Efekty były spektakularne. – Po umieszczeniu w środowisku mikrograwitacji aż 80–90 proc. komórek nowotworowych można było uznać za niesprawne. Albo obumierały, albo nie były w stanie trzymać się razem i tworzyć litego guza. Te cztery odmiany raka, które badaliśmy, są jednymi z najtrudniejszych do wyleczenia – podkreśla dr Chou. Naukowiec brał już wcześniej udział w badaniach prowadzonych na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), których celem było opracowanie nowego leku na osteoporozę. Dlatego kolejnym etapem prowadzonych przez niego badań ma
być eksperyment na orbicie. W najbliższych miesiącach komórki rakowe mają trafić na ISS na pokładzie statku kosmicznego SpaceX. Potem uczeni będą obserwować ich zachowanie w warunkach mikrograwitacji, a następnie zamrożą je i odeślą na Ziemię, by można było przeanalizować m.in. zmiany genetyczne, jakie w nich się pojawiły. Misja ma kosztować ok. 200 tys. dolarów – część funduszy naukowcy zdobyli, organizując zbiórkę na portalu Kickstarter.
Trudno na razie powiedzieć, jakie terapie mogą powstać na bazie tych badań. Wysyłanie pacjentów onkologicznych na orbitę nie wchodzi w grę. Bardziej realne mogłoby być zbudowanie dla nich wirówek osłabiających grawitację i w ten sposób zapobiegających np. przerzutom. – Najlepszym rozwiązaniem byłoby jednak opracowanie leku, który byłby w stanie oszukać komórki nowotworowe i „wmówić” im, że są w warunkach mikrograwitacji. Taki lek nie zastąpiłby chemioterapii, ale mógłby znacznie zwiększyć jej skuteczność – mówi dr Chou.
GDY ZAWODZĄ ANTYBIOTYKI
To, co dla komórek rakowych jest nietypową sytuacją, bakteriom bardzo odpowiada. Badania wykazały, że mikroby hodowane na pokładzie ISS są wyjątkowo niebezpieczne. Po części może to wynikać z tego, że w środowisku mikrograwitacji bakterie mają warunki podobne do tych, które panują we wnętrzu ludzkiego ciała. W płynach pokrywających wnętrze naszych jelit, układu oddechowego czy moczowego na komórki oddziałują słabsze siły mechaniczne. – W kosmicznych laboratoriach z łatwością odtwarzamy takie warunki. Możemy to wykorzystać w walce z bakteriami, także tymi lekoopornymi – wyjaśnia prof. Cheryl Nickerson, specjalistka od chorób zakaźnych z Uniwersytetu Stanowego Arizony. Jej zespół od ponad dekady sprawdza zachowanie pałeczek salmonelli na ISS. Wiadomo już m.in., że mikrograwitacja sprzyja powstawaniu szczepów bakterii opornych na antybiotyki.
Możliwe, że dzięki takim badaniom powstaną nowe leki przeciwbakteryjne. – Taki jest nasz ostateczny cel. Potrzebujemy jednak więcej długofalowych badań, by przekonać się, jak mikroby reagują na
zmiany w ich środowisku – przyznaje prof. Nickerson. Uczonych interesuje też to, jak przebywanie w kosmosie wpływa na korzystne dla człowieka bakterie jelitowe. – Ich skład i liczebność zmienia się u astronautów, co może zwiększać ich podatność na choroby – mówi dr Hernan Lorenzi, biolog z Craig Venter Institute. Takie odkrycia mogą wpłynąć na planowanie trwających wiele miesięcy misji
załogowych, których celem będzie np. Mars.
KOSMICZNE KRYSZTAŁY
Obniżona grawitacja ułatwia także badania biochemiczne. Przykładem może być hodowanie kryształów białkowych, wykorzystywanych m.in. w medycynie. Na Ziemi to złożony i kosztowny proces, który nie pozwala na wytworzenie próbek dobrej jakości. W przestrzeni kosmicznej kryształy białek rosną bardziej równomiernie. W skład ISS wchodzi japoński moduł eksperymentalny Kibo, gdzie prowadzony jest projekt Protein Crystal Growth. Biorą w nim udział naukowcy z firmy farmaceutycznej PeptiDream oraz japońskiej agencji kosmicznej JAXA. Ich celem jest opracowanie nowego leku na raka piersi. U co trzeciej osoby z tym nowotworem występuje nadmiar białka zwanego HER2. W takim przypadku raka jest trudniej wyleczyć, ale można też zastosować terapię skierowaną przeciw HER2, taką jak dostępny od ponad 20 lat trastuzumab. Japończycy szukają nowego, tańszego leku o takim działaniu. Dzięki eksperymentom na ISS udało im się wyprodukować obiecującą substancję białkową, która jest obecnie w trakcie badań klinicznych. Zachęceni tym sukcesem badacze pracują teraz nad lekami, które mogą pomóc m.in. pacjentom z chorobami układu krążenia i układu nerwowego. W kosmosie może także dojść do prze- łomu w leczeniu choroby Parkinsona, która dotyka ponad 5 mln ludzi na całym świecie.
FIZYKA DZIAŁANIE GRAWITACJI – CZYM JEST „STAN NIEWAŻKOŚCI”?
Na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) ludzie i przedmioty swobodnie unoszą się w powietrzu
Jednak wbrew powszechnemu przekonaniu nie dzieje się tak dlatego, że nie działa tam ziemska grawitacja. ISS porusza się zaledwie ok. 400 km nad powierzchnią naszej planety. Grawitacja na tej wysokości to wciąż 89 proc. tego, co odczuwamy, stojąc na powierzchni Ziemi. Za lewitację odpowiada stan ciągłego spadania. Taką samą mikrograwitację (choć, niestety, krócej działającą) można
odczuć w spadającej windzie albo na pokładzie nurkującego samolotu. Tyle że winda kiedyś spadnie, a samolot musi wyjść z nurkowania, by nie podzielić jej losu. Tymczasem ISS ma tak wyliczoną orbitę, że cały czas jest w trakcie spadania, ale nigdy nie spada na Ziemię.
W warunkach mikrograwitacji naukowcy z NASA i ESA wyhodowali kryształy białka LRRK2, które u chorych na parkinsona występuje w nadmiarze. Międzynarodowy projekt, w którym udział biorą Amerykanie i Niemcy, ma pozwolić na lepsze poznanie struktury LRRK2 i w dalszej perspektywie opracowanie leku blokującego produkcję tego białka.
POLACY STAWIAJĄ NA SATELITĘ
Eksperymenty na pokładzie ISS są drogie, a miejsce na stacji ograniczone. Stąd pomysły na tańsze badania z wykorzystaniem satelitów. – Wyniesienie jednego kilograma ładunku na orbitę kosztuje ok. miliona dolarów. A jeśli na pokładzie stacji prowadzimy doświadczenie biomedyczne, które może prowadzić do powstania nowych terapii, pojawia się kwestia własności intelektualnej i praw do wykorzystania wyników – mówi prof. Jan Dziuban z Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej. Politechnika wraz z firmą SatRevolution i trzema innymi wrocławskimi uczelniami (Uniwersytetem Medycznym, Uniwersytetem Przyrodniczym i Instytutem Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN) od 2018 r. pracuje nad niewielkim satelitą – tzw. nanosatelitą – do badań biomedycznych. Projekt dostał niedawno dofinansowanie w wysokości 3,6 mln zł z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Dzięki temu powstanie m.in. miniaturowe laboratorium, które uczeni wyślą na orbitę okołoziemską. – Skorzystamy z miniaturowych układów mikrofluidycznych MEMS, które umożliwią przeprowadzenie skomplikowanych eksperymentów, a przy tym są wyjątkowo odporne na wibracje oraz mają bardzo małe zapotrzebowanie na energię elektryczną – wyjaśnia Grzegorz Zwoliński, prezes SatRevolution.
Na pokładzie polskiego satelity prowadzone będą badania m.in. nad działaniem leków przeciwnowotworowych na komórki rakowe. Uczeni chcą też sprawdzić, jak w warunkach mikrograwitacji zachowują się pobrane od myszy komórki układu odpornościowego oraz kiełkujące nasiona. – Koszt wyniesienia naszego nanosatelity na orbitę okołoziemską powinien wynieść ok. 40 tys. dolarów za kilogram ładunku. Dzięki temu będziemy w stanie zmieścić się w kwocie stanowiącej 10 proc. budżetu klasycznej misji kosmicznej – mówi prof. Dziuban. Satelita ma krążyć wokół Ziemi przez 18 miesięcy, automatycznie przeprowadzając badania i przesyłając dane do naukowców. Jeśli misja się powiedzie, w przyszłości z podobnych satelitów będą mogły korzystać np. firmy farmaceutyczne. Możliwe więc, że niedługo nowe leki będą powstawały dzięki kosmicznej technologii opracowanej przez Polaków.