9 دقیقه
آواتار ناسا: ارسال بافت انسانی برای آزمایش سلامت فضایی
وقتی ناسا آماده میشود فضانوردان را در ماموریت آرتِمیس II به دور ماه ببرد، پژوهشگران همچنین نمونه‌های بافتی کوچک و شخصی‌سازی‌شده‌ای را می‌فرستند که طوری طراحی شده‌اند تا همان مخاطراتی را تجربه کنند که اهداکنندگان انسانی‌شان با آن مواجه خواهند شد. پروژه AVATAR که مخفف عبارت A Virtual Astronaut Tissue Analog Response است، از دستگاههای «ارگان-آن-چیپ» استفاده میکند که اندازه‌ای در حد یک حافظه USB دارند و مدلهای زنده‌ای از مغز استخوان مشتق‌شده از هر عضو خدمه را حمل می‌کنند. هدف این آزمایش آشکارسازی تغییرات مولکولی و سلولی ناشی از شرایط فضا و تسریع توسعه واکنش‌ها و پیشگیرانه‌های هدفمند برای حفاظت از سلامت انسان در فضا است؛ فرآیندی که میتواند پایه‌ای برای پزشکی فضایی پیشرفته و پزشکی دقیق در زمین فراهم کند.
فیزیولوژی انسان در زمینه و تحت حفاظت نیروی گرانش و میدان مغناطیسی زمین تکامل یافته است. در فضای عمیق، خدمه با مجموعه‌ای از مخاطرات روبرو می‌شوند — پرتوهای کیهانی و ذرات پرانرژی، انزوا و فاصله از پشتیبانی فوری پزشکی، میکروگرانش و بارهای مکانیکی تغییر یافته بر بافت‌ها، و فشارهای روانی و محیطیِ زیستن در زیستگاه‌های محصور و گاهی نامساعد. این فاکتورها به‌طور جمعی میتوانند چگالی استخوان را کاهش داده، عملکرد قلبی-عروقی را دگرگون کنند، مقاومت ایمنی را تضعیف کنند، بینایی را تغییر دهند و روی دیگر سامانه‌های بیولوژیک اثر بگذارند. رویکرد AVATAR با قرار دادن جانشین‌های بافتی در کنار همان فضانوردان، امکان مقایسهٔ مستقیم بین پاسخهای سیستمیک اهداکننده و پاسخهای مولکولی بافت را فراهم می‌آورد؛ مقایسه‌ای که میتواند به شناسایی نشانگرهای زیستی پیش‌بینی‌کننده و طراحی مداخلات شخصیشده کمک کند.
زمینهٔ علمی و مبنای نظری
تکنولوژی ارگان-آن-چیپ یا سیستم‌های میکروفیزیولوژیک، ویژگی‌های کلیدی بافتهای انسانی را در قالب دستگاههای جمع‌وجور میکروفلوئیدیک بازسازی میکند. این چیپها از سلولهای زنده در آرایش‌هایی حمایت می‌کنند که ساختار و عملکرد اندام را شبیه‌سازی میکند و به پژوهشگران امکان می‌دهد پاسخ‌ها به تنش‌های محیطی را بدون قرار دادن انسان در معرض ریسک غیرضروری اندازه‌گیری کنند. برای پرواز فضایی، این دستگاه‌ها میتوانند در برابر تابش کیهانی، تغییرات الگوهای شبانهروزی و آنالوگ‌های میکروگرانش قرار گیرند تا پیامدها بر اهداکنندهٔ مبنا پیشبینی شود. به‌علاوه، این پلتفرم‌ها اجازهٔ مشاهدهٔ مسیرهای مولکولی متنوع—از آسیب DNA تا پاسخهای استرسی سلولی و تغییرات اپی‌ژنتیک—را می‌دهند که در شرایط فضای عمیق فعال می‌شوند و میتوانند آینهٔ وضعیت زیستی خدمه باشند.
برنامهٔ تحقیقات انسانی ناسا پنج مخاطرهٔ اصلی پرواز فضایی را شناسایی کرده است: مواجهه با تشعشعات فضایی، انزوا و تنهایی، فاصله از پشتیبانی پزشکی سریع، میکروگرانش (و بارهای مکانیکی تغییر یافته بر بافت‌ها)، و زندگی در محیط‌های بسته که گاه با نویز و بو همراه‌اند. هرکدام از این عوامل میتوانند مسیرهای مولکولی مشخصی را برانگیزند—آسیب DNA ناشی از ذرات پرانرژی، اختلال در تنظیم ایمنی بر اثر استرس و اختلال خواب، و تغییر در بیان ژن‌ها ناشی از کم‌بارش مکانیکی استخوان‌ها و عضلات. AVATARها به پژوهشگران امکان مشاهدهٔ مستقیم این مسیرها را در نمونه‌های بافتی می‌دهد که پس‌زمینهٔ ژنتیکی خدمه را به همراه دارند؛ این تطابق ژنتیکی کلید درک تفاوت‌های فردی در آسیب‌پذیری یا مقاومتِ زیستیِ ناشی از محیط فضایی است.
جزییات ماموریت: AVATAR در آرتِمیس II
در آرتِمیس II، AVATAR نمونه‌های شخصی‌سازی‌شده‌ای از مغز استخوان هر یک از فضانوردان را منتقل خواهد کرد. این چیپها به‌عنوان یک محمولهٔ اختصاصی داخل فضاپیمای اوریون خواهند بود و طی جابجایی دور ماه، در معرض همان شرایط محیطی قرار می‌گیرند که خدمه تجربه می‌کنند. با مقایسهٔ خوانش‌های مولکولی استخراج‌شده از چیپ—برای نمونه تغییرات در تولید سلولهای ایمنی یا نشانگرهای آسیب DNA—با معیارهای بالینی گرفته‌شده از خود فضانوردان (پنل‌های خونی، آزمون‌های شناختی، ثبت‌های فعالیت و نوردهی)، پژوهشگران میتوانند امضاهای مولکولی را با نتایج فیزیولوژیک مرتبط کنند و نقش هر عامل فضایی را در ایجاد تغییرات بیولوژیک تعیین نمایند.
آنچه آزمایش اندازه‌گیری خواهد کرد
- عملکرد و تولید سلولهای ایمنی در بافتهای مشتق از مغز استخوان
- نشانگرهای آسیب DNA ناشی از تشعشعات و فرایندهای ترمیم مرتبط
- پاسخهای استرسی سلولی مرتبط با تغییرات الگوهای شبانهروزی
- شاخص‌های مولکولی که میتوانند به طراحی مداخلات بلادرنگ کمک کنند
این رویکرد عمدتاً شخصی‌سازی شده است. هر AVATAR حاوی سلول‌هایی از همان فردی است که سلامت سیستمیک او در طول پرواز پایش خواهد شد. این هم‌نشینیِ نمونه و اهداکننده مقایسهٔ قدرتمندی ایجاد میکند: آیا جانشین بافتی همان آسیب‌پذیری (یا مقاومت) را نشان می‌دهد که در فرد دیده میشود؟ در صورت تأیید، AVATARها میتوانند پیشاپیش برای غربالگری حساسیت‌های فردی استفاده شوند و مداخلات تطبیقی که متناسب با بیولوژی هر فضانورد طراحی شده‌اند را ارزیابی کنند—از داروها و پروتکلهای حفاظتی تا توصیه‌های تغذیه‌ای و تمرینی.
پیامدها برای اکتشاف فضای عمیق و پزشکی زمین
اگر AVATAR موفق عمل کند، مأموریت‌های آینده میتوانند بانک‌هایی از دستگاههای ارگان-آن-چیپ را حمل کنند که نمایانگر بافتهای مختلف—قلب، کبد، مغز و دیگر اندام‌ها—باشند و از سلولهای خدمه مشتق شده باشند. این چیپها میتوانند پیش از ورود انسان‌ها در مأموریت‌های بلندمدت به ماه یا مریخ فرستاده شوند تا تأثیرات محیط فضای عمیق بر بافتهای انسانی را سنجیده و خطرات بالقوه را در شرایط کنترل‌شده شبیه‌سازی کنند. آزمایش‌های خودگردان میتوانند با اعمال تنش‌های برنامه‌ریزی‌شده، بافت‌ها را تا حد شناسایی آسیب‌پذیری‌ها پیش ببرند و هشدارهای زودهنگام را قبل از مواجههٔ خدمهٔ زنده فراهم آورند.
علاوه بر کاربردهای فضایی، اثبات این نکته که میتوان مدلهای بافتی شخصیشده را رشد، حفظ و از راه دور تحلیل کرد، منافع قابل‌توجهی در زمین خواهد داشت. سیستم‌های ارگان-آن-چیپ از پیش به‌عنوان فناوری‌های تحول‌آفرین در پزشکی شخصی شناخته شده‌اند—امکانی برای آزمون داروها روی سلولهای خود بیمار، پیشبینی واکنشهای نامطلوب، و تسریع توسعهٔ درمان‌ها برای بیماری‌های پیچیده. درس‌های عملیاتی AVATAR—در زمینه پایداری بافت، ابزاردقیق مینیاتوری، و تلِمتری دادهٔ از راه دور—میتواند مستقیماً به پلتفرمهای بالینی آمادهٔ استفاده برای درمانهای دقیق در محیط‌های دورافتاده یا منابع محدود ترجمه شود. این موضوع به‌ویژه برای مناطق روستایی، بیمارستان‌های صحرایی یا شرایط بحرانی که دسترسی سریع به آزمایشگاه‌های پیشرفته وجود ندارد، اهمیت دارد.
دیدگاه کارشناسان
«قرار دادن بافت اهداکننده کنار فضانورد، پنجرهٔ یگانه و فردی‌شده‌ای به نحوهٔ تأثیر فضای عمیق بر زیست‌شناسی انسان فراهم میکند،» می‌گوید دکتر النا مورالس، مهندس زیست‌پزشکی متخصص در سیستم‌های میکروفیزیولوژیک. «این استراتژی ترکیبی از توانمندی‌های پایش بالینی و زیست‌شناسی مولکولی است: ما را قادر می‌سازد نه تنها بفهمیم مسئله‌ای وجود دارد، بلکه دریابیم چگونه و چرا در سطح سلولی رخ می‌دهد. این اطلاعات برای طراحی مداخلات هدفمند در مأموریت‌های بلندمدت حیاتی است.»
مقامات ناسا که در برنامهٔ تحقیقات انسانی دخیل‌اند، AVATAR را بخشی از تلاش گسترده‌تر برای توسعهٔ معیارهای فیزیولوژیک استاندارد برای سلامت فضایی می‌دانند. این معیارها شامل پایش‌های روتین—فشار خون، ضربان قلب، فعالیت بدنی، الگوهای خواب و نوردهی، آزمون‌های شناختی و سنسوریموتور—هستند که به ایجاد پایه‌خط‌های «نرمال» در میکروگرانش کمک می‌کنند. AVATAR با افزودن لایهٔ مولکولی مکمل به این مجموعهٔ داده‌ها، امکان تحلیل‌های جامع‌تر و چند-اُمیک را فراهم می‌آورد که میتواند پیش‌بینی‌پذیری و پاسخ‌پذیری در برابر مخاطرات فضایی را افزایش دهد.
چالشهای فناورانه و گام‌های بعدی
موانع فنی کلیدی همچنان باقی‌اند: نگهداری بافتهای زنده در شرایط پرتاب و انتقال، تضمین عملکرد خودگردان قابلاطمینان پمپها و حسگرهای میکروفلوئیدیک، محافظت از چیپها در برابر ارتعاشات پرتاب و تابش‌های کیهانی، و انتقال دادههای مولکولی با کیفیت بالا به زمین. مطالعات اعتبارسنجی روی زمین و روی سکوی مداری نزدیک به زمین برای پالایش پروتکلهای نمونه‌گیری، حفظ و تفسیر داده‌ها ضروری‌اند. این مطالعات باید شامل سناریوهای دما، فشار و تابش متفاوت باشند تا محدودهٔ عملیاتی امن و مرزهای خطا مشخص گردد.
با حرکت AVATAR از یک پایلوت تک‌بافتی در آرتِمیس II به مجموعه‌های چندبافتی در مأموریت‌های بعدی، فناوری باید مقیاس‌پذیر شود. این شامل تولید چیپهای شخصیسازیشده در مقیاس مأموریتی، تدوین پروتکلهای استاندارد برای برداشت بافت و کرایوپریزرویشن، و ساخت آنالیتیک‌های خودکار است که با حداقل دخالت خدمه اجرا شوند. افزون بر این، راهکارهای امن‌سازی و رمزنگاری داده‌ها برای حفظ حریم خصوصی ژنتیکی و اطلاعات زیستی فضانوردان حیاتی است؛ سیاست‌ها و چارچوب‌های اخلاقی و حقوقی نیز باید همزمان توسعه یابند تا استفاده از این داده‌ها در کاربردهای تحقیقاتی و بالینی با حفاظت مناسب همراه باشد.
جمع‌بندی
AVATAR نمونه‌ای از همگرایی راهبردی بین تکنولوژی ارگان-آن-چیپ و پژوهش‌های پرواز فضایی انسانی است. با هم‌مکان‌سازی مدلهای بافتی مشتق از اهداکنندگان در کنار خودِ اهداکنندگان در مأموریت‌های قمری، ناسا می‌کوشد امضاهای مولکولی استرس‌های فضایی را شناسایی کرده و مداخلات شخصیسازیشده را پیش از اعزام خدمه به سفرهای طولانی‌تر تأیید نماید. موفقیت این پروژه نه تنها ایمنی فضانوردان در آرتِمیس و مأموریت‌های آتی به مریخ را ارتقا می‌دهد، بلکه با نشان دادن پلتفرمهای مینیاتوری و مقاوم برای آزمون درمانهای شخصی در محیط‌های دورافتاده یا دشوار، میتواند پزشکی دقیق را در زمین نیز متحول سازد.
منبع: sciencealert
ارسال نظر