Výzkum na ISS ve znamení emulace,  neboli lidské „orgány na čipech“

Od okamžiku, kdy se na palubě Mezinárodní kosmické stanice usídlila první stálá posádka (2. listopadu 2000), až k dnešním dnům, byly na palubě této orbitální laboratoře realizovány stovky experimentů z nejrůznějších oblastí vědy. Podstatnou část tohoto výzkumu tvoří také experimenty z oblasti medicíny. Člověk by řekl, že za ta léta už musí být vše vyzkoumáno. Ale opak je pravdou. Objevují se stále nové a nové otázky a medicíně na ISS se otevírají další výzvy. Na co se tedy můžeme zanedlouho na palubě ISS těšit? V příštích několika letech bude výzkum v oblasti kosmické fyziologie člověka z velké části ve znamení tzv. emulace, neboli napodobování fyziologických pochodů pomocí tzv. tkáňových čipů.

Zaměřeno na plíce…

Tkáňový čip, využívaný k modelování některých vlastností plicní tkáně. (Emulate Inc.)

Tkáňový čip, využívaný k modelování některých vlastností plicní tkáně. (Emulate Inc.)
Zdroj: https://3uyywi3w8psfe6fxn1g4tdb1-wpengine.netdna-ssl.com

Je potřeba říci, že to, co nás v nemocnicích hodně trápí, a to zejména u dlouhodobě na lůžko upoutaných pacientů, je rozvoj tzv. hypostatických pneumonií, které se často rozvíjejí jako komplikace jiných zdravotních stavů (např. poúrazových). A právě zdrojem nových a velmi zajímavých poznatků, který pomůže v rozvoji nových terapeutických možností je projekt George Worthena a Dana Huha z Children´s Hospital of Philadelphia a společností Space Technology and Advanced Research Systems (STaRS) a SpacePharma Inc.

Výzkumný projekt nese název Lung Host Defense in Microgravity a jak již sám název prozrazuje, bude zaměřen na problematiku interakce mezi našimi plícemi a imunitním systémem. Tak jako u nemocných dlouhodobě upoutaných na lůžko, i u astronautů vidíme zvýšenou tendenci ke vzniku plicních infekcí. Je známou skutečností, že expozice člověka mikrogravitaci vede k negativnímu ovlivňování imunitního systému. Jak k tomu však dochází, ještě pořádně nevíme. Ke slovu nyní přichází technologie modelování biologických procesů (emulace) a to pomocí tkáňových čipů, které budou modelovat imunofyziologické pochody v plicní, kostní a jiných tkáních.

Organs on Chips, technologie budoucnosti…

Princip hematoencefalické bariéry

Princip hematoencefalické bariéry
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Technologie tkáňového čipu, jinak nazývaná „Organs on Chips“ (orgány na čipech) v současné době prožívá svůj raketový rozvoj. Vědecký tým bostonské biotechnologické společnosti Emulate Inc., spolu s vědci ze společnosti SpaceTango Inc., která poskytuje technologickou podporu, nyní například pracují na vývoji čipu, který bude v podstatě napodobovat funkci tzv. hematoencefalické bariéry. Jde o bariéru mezi krví proudící v mozkových kapilárách a samotným mozkem. Tato membrána tvoří jakousi ochrannou funkci, protože zabraňuje průniku některých nebezpečných látek do mozku.

Cílem tohoto projektu je validovat a optimalizovat tuto technologii pro experimenty s lidskými buňkami ve vesmíru. Záměrem je vytvořit automatickou technologickou platformu a software, která by rozšířila stávající možnosti provádění experimentů na palubě ISS a zpřístupnila by je široké vědecké komunitě, zabývající se kosmickou fyziologií a výzkumem různých onemocnění.

Vědecké poznatky pak naleznou uplatnění zejména např. ve vývoji nových léků. Výsledky tohoto výzkumu přinesou nové poznatky k porozumění patogeneze různých druhů mozkových onemocnění, včetně neurodegenerativních nemocí, traumatického poškození mozku a rakoviny.

Až do morku kostí…

Ve výčtu témat výzkumných projektů v oblasti kosmické fyziologie, samozřejmě nesmí chybět ani další studie na téma kostního metabolismu. A to už se znovu dostáváme k technologii tkáňových čipů. Projekt, jehož autory jsou Alan Grodzinsky a Murat Cirit z MIT a na kterém spolupracují se společností Techshot, bude tentokrát pomocí tkáňového čipu modelovat (emulovat) funkci kostní a chrupavčité tkáně. Hlubším záměrem tohoto vědeckého projektu je lépe pochopit podstatu některých mukoskeletárních onemocnění, dále pak zákonitosti příčiny ztrát kostní hmoty a mechanismus vzniku posttraumatické osteoartritidy. Na palubě Mezinárodní kosmické stanice se budou za pomoci technologie emulace, testovat účinky různých experimentálních farmakologických látek, na kostní hmotu.

Kmenové buňky a stárnutí…

Plate Habitat (PHAB) ukrývá kazety BioCell pro výzkum kmenových buněk na ISS v rámci experimentu Microgravity Expanded Stem Cells

Plate Habitat (PHAB) ukrývá kazety BioCell pro výzkum kmenových buněk na ISS v rámci experimentu Microgravity Expanded Stem Cells
Zdroj: https://www.nasa.gov

NASA počítá s tím, že i nadále bude pokračovat slibně se rozvíjející výzkumný program, jehož zaměřením jsou kmenové buňky. Sonja Schrepfer, Tobias Deuse a Heath J. Mills z University of California, připravili experiment, v rámci kterého budou studovat zákonitosti zrání a stárnutí a imunologické vlastnosti kmenových buněk. Je až s podivem, kolik fyziologických změn, ke kterým v buňkách dochází při jejich stárnutí, se podobá změnám, které (ve zrychlené a názornější verzi) vidíme v prostředí mikrogravitace. A tak bude na palubě Mezinárodní kosmické stanice možné dále zkoumat například problematiku defektů, ke kterým dochází při hojení kostí, nebo například zákonitosti ztrát kardiovaskulární a neurologické kapacity organismu.

Ledviny, jako dvě kolečka v soukolí…

Ledviny na čipu, budou na palubě ISS simulovat funkci proximálního a distálního tubulu v kůře ledvin. Bude se zkoušet např. účinek různých léčiv na funkci tkáně ledviny. (University of Washington).

Ledviny na čipu, budou na palubě ISS simulovat funkci proximálního a distálního tubulu v kůře ledvin. Bude se zkoušet např. účinek různých léčiv na funkci tkáně ledviny. (University of Washington).
Zdroj: http://hsnewsbeat.uw.edu

Právě na ledvinách a jejich funkci je dobře vidět ta vzájemná provázanost, s jakou na sobě jednotlivé systémy lidského organismu závisí. Naše ledviny denně profiltrují 110 až 140 litrů tzv. primární moči denně a ve finále vyprodukují tak jeden až dva litry moči definitivní. Na funkci ledvin má vliv také celá řada onemocnění, jako je například diabetes. S ledvinami může souviset také vysoký krevní tlak a právě ledviny jsou orgán, který nám dělá starosti, máme-li v něm například ledvinné kameny, nebo se nám v moči objevila bílkovina. Z řečeného je vám snad jasné, že do funkce ledvin, se promítají problémy v jiných systémech lidského těla. Například ony zmíněné kameny, mohou být výsledkem zvýšeného odbourávání kostních minerálů. Tahle informace je tedy velmi důležitá i pro astronauty, kteří v mikrogravitaci ztrácejí až 1% kostní hmoty za měsíc. A je toho mnohem víc, co potřebujeme právě o ledvinách vědět, a to nejen z důvodu péče o zdravotní stav astronautů během kosmických misí. A tak dalším z plánovaných vědeckých projektů na ISS je projekt zkoumající efekt mikrogravitace na proximální a distální tubulus (část kůry ledvin), který připravují Jonatan Himmelfarb a Ed Kelly z University of Washington.

Špičková věda na ISS pokračuje…

Všechny výše jmenované projekty jsou financovány a realizovány v rámci programu U.S. National Laboratory – CASIS (Center for the Advancement of Science in Space) a tvoří jen malou část ze všech plánovaných experimentů pro Mezinárodní kosmickou stanici. Tak jako doposud bude ISS i nadále přinášet celou řadu nových vědeckých poznatků, které jednoho dne pomohou člověku dostat se třeba na Mars, ale také poznatků, které pomohou i nám, běžným lidem, bojovat s nemocněními, která nás sužují tady na Zemi.

Zdroje informací:
http://www.iss-casis.org/
http://hsnewsbeat.uw.edu/

Zdroje obrázků:
http://ark4.iss-casis.org/assets/images/about-casis-modal-header.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b5/Protective_barriers_of_the_brain.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/phab.jpg
https://3uyywi3w8psfe6fxn1g4tdb1-wpengine.netdna-ssl.com/…/lung-on-chip.jpg

Výzkum na ISS ve znamení emulace,  neboli lidské „orgány na čipech“, 5.0 out of 5 based on 23 ratings
Pin It
(Visited 1 342 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (23 votes cast)
(Visited 1 342 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


12 komentářů ke článku “Výzkum na ISS ve znamení emulace,  neboli lidské „orgány na čipech“”

  1. Radim napsal:

    Rozumím tomu dobře, že tyto čipy simulují chování a funkci příslušných orgánů? Není to tedy něco, co by se v budoucnu implantovalo do těla, aby nahradilo příslušný orgán?
    Je to tedy doplněk k medicínskému výzkumu, který probíhá přímo na tělech astronautů?
    Díky za doplnění.

    • Pavel Boháček napsal:

      Zdravím Vás Radime. Ano, rozumíte tomu správně. Tahle techlohogie umožňuje testovat např. některé dílčí účinky farmak, či jiných chemických látek na jednotlivé tkáně… Nebo umožnuje sledovat např. chování nádorových, nebo kmenových buněk… Pavel Boháček, autor

  2. ptpc napsal:

    Super článok!
    Chcel by som sa spýtať či strata kostnej hmoty prebieha lineárne alebo sa s časom mení. Ak by prebiehala lineárne tak napr. taký Genadij Padalka by stratil cca 25 % kostnej hmoty. Je to možné? A dokázal by fungovať tak ako fungoval?

    • Pavel Boháček napsal:

      Děkuji za dotaz. Ztráty kostní hmoty nejsou úplně lineární. Po nějakém čase začnou fungovat kompenzační mechanismy. Otázka je o to složitější, že ženy jsou ke ztrátám kostní hmoty náchylnější, než muži. A dále v různých kostech jsou také ztráty různé. Ale existují referenční místa (kosti), kde se to hodnotí. Průměrné ztráty kostní hmoty na kosti stehenní jsou asi 11% u astronautů po půlroce pobytu. Denně ve vesmíru přijdeme o nějakých 250 mg kalcia. Ztráta 25% až 30% po roce pobytu na ISS je reálná hodnota. Proto je velký problém třeba let na Mars (3 roky). Na Marsu sice gravitace je, ale i tak se uvádí, že po návratu bude mít astronaut kosti 80ti letého člověka. Další problém jsou vedlejší následky těchto ztrát (ledvinové kameny, močové infekce…). A také další potíž… žádná známá prevence není 100% účinná. A poslední věc – rekonvalescence… Půlroční mise na ISS si vyžaduje nejméně půlroční rekonvalescenci po návratu, ale u kostí to neplatí, tam si náprava škod vyžaduje mnohem delší čas. Celá problematika je stále ve fázi výzkumu. Zdraví Pavel Boháček, autor

      • ptpc napsal:

        Ďakujem za odpoveď.
        Ale mal by som ešte jednu (resp. dve) doplňujúcu otázku – je možné sa dostať na pôvodnú úroveň kostnej hmoty kozmonautov po polročnom pobyte na ISS? A ak áno, cca aká je to dlhá doba?

  3. Pavel Boháček napsal:

    😀 To je zase hodně složitá otázka, spíše pro osteologa. Dá se říci, že ke 100% návratu na hodnoty, jako byly před kosmickou misí již nedojde. Ale nejde o nic ohrožujícího. Je totiž pravda, že kosti jsou systém velmi dynamický a měnící se. Během let totiž dochází k přirozeným změnám a redukci některých částí kostní hmoty. (Podle toho se určuje také biologický věk člověka – tzv. kostní věk). Navíc, je také nepříjemné to, že k těm ztrátám dochází ještě několik měsíců po návratu z vesmíru. U každého člověka a u různých kostí je doba rekonvalescence na úroveň v tom věku obvyklou, různá. Studie ukazují, že během 9 měsíců se podaří napravit 50% ztrát. O úplném zotavení kostí z následků kosmické mise mluvíme nejdříve po dvou letech, ale stopy jsou ptý často viditelné i po 4 letech…

  4. ptpc napsal:

    Chcem sa ešte spýtať či sa výskum uberá aj smerom k regeneratívnej medicíne, t.j. či sa skúma premena kmeňových buniek na bunky kostné (ale ľudského pôvodu). Prípadne či sa vytvárajú umelé skelety („lešenia“) ľudských kostí pre samotné bunky ktoré môžu vytvoriť novú kosť.

  5. Pavel Boháček napsal:

    Odpověď je ano. Mrkněte na můj blog: http://pavel-bohacek.blogspot.cz/2017/05/regenerativni-medicina-na-palube-iss.html 🙂 Zdraví Pavel Boháček, autor 🙂

  6. FirstTimer napsal:

    Uz davnejsie som uvazoval o tom, ci je nejaky verejne dostupny register realizovanych experimentov s ich popusom a vysledkami, ci uz na MIRe alebo ISS? Dakujem

Zanechte komentář