Jak tkanki reagują na nieważkość? Badania organoidów wątroby w kosmosie

Misje kosmiczne stawiają przed ludzkim organizmem szczególne wyzwania biologiczne. Mikrograwitacja oraz zwiększona ekspozycja na promieniowanie kosmiczne wpływają na podstawowe procesy komórkowe, zwłaszcza w obrębie komórek układu immunologicznego, nerwowego i mięśniowego. W kontekście niemieckiej strategii Hightech Agenda oraz programu Wissenschaftsjahr „Medizin der Zukunft” projekt badawczy realizowany przez TU Dresden kieruje uwagę na pytanie, w jaki sposób biologia kosmiczna może przyczynić się do rozwoju nowych technologii medycznych.

Projekt badawczy ILLUMINATE, realizowany w ramach programu Cellbox Niemieckiej Agencji Kosmicznej (DLR), po raz pierwszy analizuje mysie organoidy wątroby – laboratoryjnie hodowane trójwymiarowe modele narządu – w rzeczywistych oraz symulowanych warunkach kosmicznych.

Znaczenie badań biomedycznych w przestrzeni kosmicznej

Badania biomedyczne prowadzone w przestrzeni kosmicznej zyskują coraz większe znaczenie. Wraz z planowaniem długotrwałych misji kosmicznych oraz budową nowych stacji orbitalnych pojawia się pytanie, w jaki sposób organizm człowieka przystosowuje się do długotrwałej ekspozycji na mikrograwitację i promieniowanie kosmiczne.

Zmiany te mają bezpośrednie znaczenie dla zdrowia astronautów, ale jednocześnie stanowią cenne źródło wiedzy na temat biologicznych reakcji na stres komórkowy, procesów starzenia tkanek czy mechanizmów regeneracyjnych. Warunki kosmiczne stanowią swoisty model przyspieszonej fizjologii stresowej, który pozwala badać zjawiska biologiczne trudne do obserwacji w warunkach ziemskich.

Cellbox – miniaturowe laboratoria na orbicie

Aby badać wpływ warunków kosmicznych na komórki i organoidy, opracowano misje Cellbox. Są to miniaturowe laboratoria o rozmiarach zbliżonych do smartfona, które przez kilka tygodni krążą na pokładzie statku kosmicznego wokół Ziemi, poddając znajdujące się w nich próbki działaniu mikrograwitacji.

W ramach misji Cellbox-4 oraz Cellbox-5 osiem zespołów badawczych z niemieckich instytucji naukowych przeprowadzi eksperymenty biologiczne i biomedyczne analizujące reakcje różnych typów komórek na środowisko kosmiczne.

Organoidy wątroby jako model badawczy

Jednym z projektów realizowanych w ramach programu jest badanie prowadzone przez zespół kierowany przez prof. Nilsa Cordesa, kierownika działu biologii promieniowania w OncoRay – Nationales Zentrum für Strahlenforschung in der Onkologie.

Projekt koncentruje się na analizie wpływu rzeczywistej oraz symulowanej mikrograwitacji na funkcjonowanie mysich organoidów wątroby. Organoidy są trójwymiarowymi strukturami komórkowymi hodowanymi w warunkach laboratoryjnych, które odtwarzają kluczowe cechy strukturalne i funkcjonalne narządów. Dzięki temu stanowią precyzyjny model badawczy pozwalający analizować fizjologię tkanek, mechanizmy chorobowe oraz reakcje na czynniki środowiskowe.

W ramach eksperymentu analizowane są m.in.:

• zmiany w mikrośrodowisku komórkowym, w szczególności w obrębie macierzy zewnątrzkomórkowej,
• zmiany aktywności genów w odpowiedzi na mikrograwitację,
• modyfikacje struktury chromatyny, czyli organizacji materiału genetycznego w jądrze komórkowym.

Analiza aktywności genów w warunkach kosmicznych

Jednym z najbardziej innowacyjnych elementów projektu jest zastosowanie w przestrzeni kosmicznej technologii ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin sequencing).

Metoda ta pozwala określić, które fragmenty genomu są w danym momencie dostępne dla aparatu transkrypcyjnego komórki, a więc które geny mogą być aktywnie wykorzystywane. Umożliwia to precyzyjne zidentyfikowanie zmian regulacji genów zachodzących w komórkach w odpowiedzi na mikrograwitację oraz promieniowanie kosmiczne.

Celem badań jest ustalenie, jak szybko tkanki ulegają zmianom w warunkach kosmicznych oraz jakie procesy biologiczne odpowiadają za ich adaptację. Uzyskane dane mają dostarczyć informacji o krótko- i długoterminowych zmianach tkankowych podczas misji kosmicznych oraz przyczynić się do opracowania strategii ochrony narządów w trakcie długotrwałych lotów kosmicznych.

Współpraca wielu ośrodków naukowych

Projekt realizowany jest we współpracy z kilkoma instytucjami badawczymi. Organoidy wątroby dostarcza zespół prof. Meritxell Huch z Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik w Dreźnie.

Analizy bioinformatyczne prowadzone są przy udziale DRESDEN-concept Genome Center na TU Dresden. Z kolei eksperymenty z wykorzystaniem sztucznie generowanej mikrograwitacji realizowane są we współpracy z dr. Francesco Pampalonim z Goethe-Universität Frankfurt oraz dr. Christianem Liemersdorfem z Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin DLR.

Jak podkreśla prof. Nils Cordes:

„Badania biologiczne prowadzone w przestrzeni kosmicznej mają ogromny potencjał transformacyjny, który wykracza poza podstawową naukę. Dla naszego zespołu szczególnym doświadczeniem jest to, że koncepcja opracowana w laboratorium rzeczywiście trafia w przestrzeń kosmiczną i pomaga lepiej zrozumieć podstawy biologii tkanek”.

Biologia kosmiczna a rozwój medycyny na Ziemi

Udział TU Dresden w projekcie ILLUMINATE oraz misjach Cellbox wzmacnia pozycję uczelni w dynamicznie rozwijającej się dziedzinie biologii kosmicznej. Obszar ten coraz częściej postrzegany jest jako ważne źródło wiedzy dla przyszłości medycyny.

Lepsze zrozumienie mechanicznych oraz radiacyjnych obciążeń działających na tkanki może przyspieszyć odkrywanie nowych leków oraz rozwój technologii biotechnologicznych.

Jak podkreśla prof. Esther Troost, dziekan Medizinische Fakultät TU Dresden:

„Program Cellbox pokazuje, jak ściśle mogą się przenikać badania podstawowe i nauki stosowane. Udział Hochschulmedizin Dresden w tym projekcie daje nam wyjątkową możliwość lepszego zrozumienia zdolności adaptacyjnych ludzkiego organizmu i wykorzystania tej wiedzy w medycynie”.

Eksperyment finansowany jest przez Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) w okresie od 1 listopada 2025 r. do 31 października 2028 r., a jego budżet wynosi 280 204 euro.

Więcej informacji o projekcie:
https://www.dlr.de/de/ar/themen-missionen/weltraumforschung/forschung-unter-weltraumbedingungen/experimente-unter-schwerelosigkeit/cellbox

Tło programu Cellbox

Program Cellbox został uruchomiony w 2011 roku przez Deutsche Raumfahrtagentur w DLR. Pierwsza misja – SIMBOX – wystartowała w październiku 2011 roku na pokładzie chińskiej kapsuły Shenzhou-8. W jej trakcie przez 17 dni badano w warunkach kosmicznych rośliny, małe organizmy oraz komórki nowotworowe.

W kwietniu 2014 roku w ramach misji SpaceX-3 na Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS) wysłano eksperyment Cellbox-1 z komórkami nowotworowymi i komórkami układu immunologicznego. Kolejne misje – Cellbox-2 w grudniu 2017 roku oraz Cellbox-3 w listopadzie 2022 roku – umożliwiły badania komórek układu immunologicznego, nerwowego, nowotworowego oraz mięśniowego w warunkach mikrograwitacji.