Dyrkning af stamceller til udforskning af det dybe rum

Kredit:ESA/NASA

Jordens magnetosfære beskytter os mod de mest skadelige kosmiske stråler, der bombarderer vores planet, men uden for dette naturlige skjold, astronauter udsættes for stråling, der er hundrede gange mere end ved havoverfladen.

Risiciene ved stråling er i søgelyset i ESA's forskningsindsats. Den første 'strålingssommerskole' fandt sted sidste år for at uddanne elever og stimulere nye ideer til forskning i rumstrålingens virkninger på mennesker.

Unge forskere fik en introduktion til strålingsfysik og biologi og skulle tænke på biologiske eksperimenter til at køre i en række af ESA's partnerpartikelacceleratorer rundt om i Europa. De bedste forslag vandt muligheden for at tænde for acceleratoren og skyde atompartikler på deres eksperiment.

Bestråling af stamceller

Førstepræmien for strålingssommerskolen 2019 gik til Emiliano Bolesani, en forsker med base i Tyskland, som er ivrig efter at identificere hjertecellernes patofysiologiske respons, når de udsættes for kosmisk stråling. At gøre dette, Emiliano foreslog at bruge stamceller til at dyrke strukturer af hjertevæv, som derefter vil blive placeret i modtagerenden af partikelacceleratoren i GSI Helmholtz-centret for forskning i tunge ioner i Darmstadt, Tyskland.

Det nye ved denne tilgang er at dyrke hjertemikrovæv for at efterligne det menneskelige hjertes cellulære sammensætning.

Kunstnerindtryk (ikke i skala), der idealiserer, hvordan solvinden former Venus magnetosfærer (øverst), Jorden (midten) og Mars (nederst). I modsætning til Venus og Mars, Jorden har et indre magnetfelt, der afbøjer solvindens ladede partikler, når de strømmer væk fra Solen, udskærer en 'boble' - magnetosfæren - rundt om planeten. På Mars og Venus, som ikke genererer et indre magnetfelt, den største hindring for solvinden er den øvre atmosfære, eller ionosfæren. Ligesom på jorden, ultraviolet solstråling adskiller elektroner fra atomer og molekyler i denne region, skabe et område med elektrisk ladet – ioniseret – gas:ionosfæren. På Mars og Venus interagerer dette ioniserede lag direkte med solvinden og dens magnetfelt for at skabe en induceret magnetosfære, som virker til at bremse og aflede solvindens partikler rundt om planeten. Kredit:ESA

Emiliano ønsker at finde ud af, hvilken type celler der er mest modtagelige for strålingsskader - kardiomyocytter, endotelceller, glatte muskelceller eller fibroblaster - og identificere, hvordan de påvirker hinanden. Dataene vil hjælpe med at skabe en analytisk model til at forudsige, hvordan cellerne vil interagere med hinanden i lyset af stråling.

"Jeg håber på, at systemet også kan bruges i fremtiden til at screene for molekyler, der kan forhindre celler i strålingsskader, " siger Emiliano, fra Hannover Medical School.

"Det er spændende at bruge de eksklusive faciliteter, der tilbydes, men endnu mere, at denne forskning kunne have direkte implikationer i at begrænse uønskede effekter på det kardiovaskulære system efter strålebehandling. Denne strategi kan blive udvidet til andre organer i fremtiden og kan hjælpe med at beskytte astronauters sundhed, mens de udforsker det dybe rum."

SIS-18-ringacceleratoren kan skyde ioner mod mål, herunder biologiske celler, genskabe kosmisk stråling. At analysere, hvordan ionerne interagerer, vil hjælpe missionsdesignere med at udvikle nye måder at minimere risiciene ved kosmisk stråling. Ionerne accelereres med magneter til 90% af lysets hastighed, eller 270.000 km/s. Dette billede viser et strålediagnoseelement, som gør det muligt for forskere at analysere formen af ionstrålen, når den passerer igennem. Kredit:Gabi Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
En ny international accelerator, faciliteten for antiproton- og ionforskning (FAIR), nu under opførelse nær Darmstadt, Tyskland, ved det eksisterende GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (GSI), vil give partikelstråler som dem, der findes i rummet og gøre dem tilgængelige for videnskabsmænd til undersøgelser, der vil blive brugt til at gøre rumfartøjer mere robuste og hjælpe mennesker med at overleve rumflyvningens strabadser. For eksempel, forskere vil være i stand til at undersøge, hvordan celler og menneskets DNA ændres eller beskadiges ved udsættelse for kosmisk stråling, og hvor godt mikrochips modstår de ekstreme forhold i rummet. FAIRs centrale element bliver en ny acceleratorring med en omkreds på 1100 m, i stand til at accelerere protoner til nærlyshastigheder. De eksisterende GSI-acceleratorer vil blive genbrugt til at tjene som præ-acceleratorer til den nye FAIR-facilitet. Dette billede viser det højteknologiske udstyr, der genererer partiklerne, som derefter sprøjtes ind i GSI- og FAIR-acceleratorsystemerne. Kredit:GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH/Jan Michael Hosan 2018
Kosmisk stråling kan øge kræftrisikoen under langvarige missioner. Skader på den menneskelige krop strækker sig til hjernen, hjerte og centralnervesystemet og sætter scenen for degenerative sygdomme. En højere procentdel af tidligt debuterende grå stær er blevet rapporteret hos astronauter. Jordens magnetfelt og atmosfære beskytter os mod det konstante bombardement af galaktiske kosmiske stråler - energiske partikler, der rejser tæt på lysets hastighed og trænger ind i menneskekroppen. En anden kilde til rumstråling kommer fra uforudsigelige solpartikelhændelser, der leverer høje doser af stråling på kort tid, fører til 'strålesyge', medmindre der træffes beskyttelsesforanstaltninger. Kredit:ESA

Næste... astronautceller

Emiliano har arbejdet sammen med et team for at foreslå en mere detaljeret idé til indsamling af celler fra astronauter før og efter en rumflyvning. Væv og organer dyrket fra astronauternes celler kunne placeres under strålen fra en partikelaccelerator for at se deres reaktion på simuleret rumstråling.

Denne undersøgelse kunne kaste lys over de cellulære og molekylære spor, der ligger til grund for den individuelle reaktion på rumstråling.

"Hver af os har en forskellig modtagelighed for stråling, " forklarer Emiliano, "Dette er et problem for strålebehandling, da det kan påvirke, hvor effektive behandlinger er på Jorden, samt at have konsekvenser for astronauter udsat for rumstråling.

"Det andet spørgsmål bag denne potentielle opfølgende undersøgelse er, om celler tilpasser sig under rumflyvning og 'husker' efter at være kommet tilbage til Jorden - er epigenetiske og fysiologiske ændringer længerevarende? Med andre ord, er rumflyvning "fanget" som et fodaftryk i vores DNA?

Sidste artikelApollo 15 astronaut Al Worden, der kredsede om månen, dør som 88-årig

Næste artikelAstrofysikere bærer 3D-briller for at se kvasarer