Прежде чем вы ступите на борт космического корабля, отправляющегося в дальний космос, крошечные копии ваших органов могут совершить это путешествие первыми. Этот «орган на чипе» или тканевый чип, созданный из ваших собственных клеток и помещенный в условия микрогравитации на борту исследовательского аппарата, может показать, как ваш организм отреагирует на космическое излучение и невесомость в космосе.

По мере того как человечество осваивает орбиту Земли, наши биомедицинские инструменты должны развиваться, чтобы соответствовать новым требованиям. Эти миниатюрные органоиды могут изменить подход к подготовке астронавтов к полетам в неизведанное, но только в том случае, если НАСА возглавит инвестиции в разработку автономных стандартизированных тканевых чипов, способных работать в открытом космосе, а университеты и частные партнеры будут участвовать в их разработке и научном применении.

В качестве директора по научным исследованиям в Институте трансляционных исследований в области космического здоровья (TRISH) я возглавляю инициативы, направленные на минимизацию рисков для здоровья астронавтов, отправляющихся в дальний космос. В рамках миссии NASA «Артемида» исследователи будут находиться на лунной орбите и на поверхности Луны, подвергаясь воздействию космических факторов в течение гораздо более длительного времени, чем во время предыдущих программ «Аполлон». В частности, риск длительного воздействия космического излучения представляет собой серьезную проблему, поскольку его невозможно эффективно экранировать или реально изучить здесь, на Земле, или на Международной космической станции (МКС) на низкой околоземной орбите (НОО).

Исследователи в области космической медицины должны иметь инструменты для изучения последствий длительного пребывания в космосе и в условиях низкой гравитации, а также для тестирования способов предотвращения и смягчения негативных последствий без увеличения рисков для экипажей. Тканевые чипы — это более безопасный, эффективный и потенциально экономичный способ изучения рисков, связанных с космическими полетами, и тестирования мер противодействия.

NASA и партнерские исследовательские институты уже отправляли такие чипы в космос, чтобы изучить влияние микрогравитации, но TRISH делает следующий шаг в раскрытии всего потенциала систем «астронавт на чипе», уделяя особое внимание тестированию средств защиты и анализу дозовой реакции, чтобы обеспечить должную подготовку исследователей к неблагоприятным факторам космического пространства. Устранив необходимость в астронавтах, мы также решим проблему предстоящего сокращения пилотируемых полетов и вывода МКС из эксплуатации.

Импульс на чипе

Микрофизиологические системы (МФС), также известные как тканевые чипы, представляют собой миниатюрные выращенные в лаборатории модели человеческих тканей или органов, воспроизводящие ключевые аспекты их структуры и функций. Эти небольшие, но мощные платформы, созданные на стыке биоинженерии и клеточной биологии, позволяют исследователям изучать физиологию человека вне организма.

Эта концепция появилась в начале 2010-х годов как более точная альтернатива моделям на животных. Первое «легкое на чипе» было изготовлено из гибкого прозрачного полимера, содержащего клетки легких человека, и имитировало дыхательные движения легких за счет приложения механических сил. Это открыло возможности для создания более разнообразных, надежных и реалистичных моделей для тестирования лекарств и скрининга токсичности.

Последние достижения также позволили создать мультиорганные модели, которые играют ключевую роль в изучении комплексных эффектов и поиске способов поддержания здоровья человека в космосе.

Отправка чипов в космос

Несмотря на то, что биомедицинские исследования являются неотъемлемой частью освоения космоса с момента его зарождения, возможности для них по-прежнему ограничены из-за нехватки исследовательских центров и драгоценного времени, которое отводится небольшим экипажам астронавтов. На протяжении десятилетий исследования в области космической медицины опирались на критически важные, но ограниченные по количеству образцы тканей астронавтов и модели на животных для изучения реакции человеческого организма на космические полёты. Однако почти 90% клинических испытаний терпят неудачу, несмотря на многообещающие результаты на мышах. Получение биологических образцов у астронавтов может быть непростой задачей, и хотя мышиные модели сыграли важную роль в исследованиях, межвидовые различия часто не позволяют напрямую экстраполировать результаты на людей.

В рамках программы «Артемида» астронавты будут находиться в условиях космической радиации дольше, чем когда-либо за последние полвека. Однако инструменты, на которые мы полагаемся для изучения этих рисков, по-прежнему ограничены временем пребывания экипажа на орбите, оборудованием и анализом на Земле. Если темпы освоения космоса ускоряются, то и наши модели биомедицинских исследований должны развиваться в том же темпе.

Модели «астронавт на чипе» — это платформа для изучения биологических изменений на сложном тканевом уровне без использования тканей животных, с учетом ограниченной доступности образцов, взятых у астронавтов, и без необходимости возвращать их на Землю для анализа. Такая неприметная вещь, как обувная коробка на беспилотном космическом корабле, в которой хранятся тканевые чипы, может стать ключом к созданию наиболее эффективной защиты от радиации.

Исследования тканевых чипов в космосе начались почти десять лет назад в рамках Программы микрофизиологических систем для трансляционных исследований в космосе — партнерства Национального центра развития трансляционных наук при Национальных институтах здравоохранения США и Центра развития науки в космосе. Эта ранняя работа продемонстрировала возможность отправки на орбиту передовых биологических систем, заложив основу для современных сложных моделей.

Опираясь на эти фундаментальные исследования, TRISH профинансировала несколько инициатив, направленных на использование тканевых чипов для изучения воздействия космической радиации и оценки потенциальных мер защиты здоровья человека. В то время как текущие исследования в этой области сосредоточены на увеличении продолжительности жизни тканевых чипов и их применимости для изучения старения и заболеваний, TRISH делает следующий шаг: использует эти системы для тестирования и анализа реакции на меры защиты.

В рамках нашей инициативы Science ENterprise to INform Exploration Limits (SENTINEL) мы финансируем разработку мультитканевой системы, предназначенной для изучения реакции на дозы радиации, с возможностью автоматизации в будущем. Эта система нового поколения предназначена для анализа реакции тканей на различные дозы радиации и формирования базы знаний для разработки мер защиты для астронавтов на Земле.

Чтобы люди могли отправиться на Марс, мы должны, в частности, понять, как радиация влияет на биологические процессы в реальных условиях космического пространства. Поэтому стандартизация тканевых чипов в рамках программы SENTINEL будет иметь решающее значение для проведения исследований за пределами низкой околоземной орбиты. Персонализированные стратегии противодействия можно будет тестировать не только в космосе, но и на собственных клетках астронавтов. В конечном счете эти достижения позволят расширить возможности других научных и медицинских исследований в удаленных районах, необходимых для эффективных миссий на Луну, Марс и даже на Землю.

Ваш космический страж

Отправить в космос свою уменьшенную копию — не в виде голограммы или клона, а в виде тканевого чипа, созданного из ваших собственных клеток, — это уже не научная фантастика. Персональный «страж» мог бы заранее оценить, как космические путешествия повлияют на ваше тело, прежде чем вы покинете Землю, протестировать средства защиты от радиации и выбрать наиболее подходящие для вас.

Если мы всерьез намерены вести устойчивые исследования за пределами низкой околоземной орбиты, NASA должно стать лидером в инвестировании в автономные, стандартизированные, готовые к работе в дальнем космосе тканевые чипы, способные функционировать независимо и генерировать полезные данные на месте. В разработке и тестировании этой технологии должны участвовать университеты и частные партнеры.

Помимо космических полетов, эти биоаналоги могут произвести революцию в медицине на Земле, позволив врачам тестировать методы лечения на «вас», не рискуя столкнуться с негативными последствиями в реальной жизни. По мере стремительного развития космических исследований мы должны помнить, что прогресс в области космической медицины также направлен на то, чтобы наши решения были устойчивыми и приносили пользу всем людям, где бы они ни находились.