Існує вагома причина, чому астронавти зазвичай не проводять більше шести місяців на Міжнародній космічній станції: мікрогравітація негативно впливає на людські тіла. Серед інших ефектів, вона може сплющувати очні яблука та викликати набряки рук і обличчя, що призводить до болісних головних болів унаслідок реакцій крові, органів та клітин, які не спостерігаються на Землі.
Проте ці ж причини можуть зробити космос ідеальним місцем для вивчення раку, а згодом, можливо, й для його лікування.
Цього року пухлини, вирощені в лабораторіях на Землі, будуть відправлені на МКС в рамках першого дослідження, яке використовує штучні органи для тестування ракових клітин у космосі. На вчених з Університету Уейк Форест покладене завдання розробити швидші й чутливіші тестування на рак. Однак велике значення їхнього експерименту може полягати в тестуванні низки інших біомедичних проектів, запланованих для умов низької гравітації, які сприяють зростанню клітин.
«Мікрогравітація — це прискорювач умов. Кожна хвороба, кожен фенотип — все, що ми хочемо вивчити, може відбуватися швидше за коротший час», — каже Давиде Маротта, директор програми з біомануфактури в космосі. «Замість того, щоб чекати 10 місяців, ви можете полетіти [в космос] за 10 днів», — додає він.
На Землі гравітація уповільнює розвиток раку, оскільки клітини зазвичай потребують прикріплення до поверхні для функціонування та зростання. Але в космосі скупчення ракових клітин можуть розширюватися в усіх напрямках, подібно до бульбашок, як молоді дріжджі чи виноград, пояснює Шей Сокер, головний науковий співробітник Інституту регенеративної медицини Університету Уейк Форест.
Оскільки бульбашки зростають більшими й швидшими в космосі, дослідники можуть легше тестувати речовини, які прилипають до країв більших бульбашок. Вчені з Університету Нотр-Дам використовують цю особливість для розробки тесту на рак, що вимагає лише одну краплю крові. Ця робота базується на серії експериментів із формування бульбашок, які вже були проведені на МКС.
«Якщо тест на рак за допомогою нашої бульбашкової технології в космосі стане доступним і недорогим, багато більше людей зможуть проходити обстеження на рак, і це буде вигідно для всіх», — зазначив Тенгфей Луо, дослідник з Нотр-Дам, який розробив цю технологію. «Це те, що ми можемо інтегрувати в щорічні огляди. Здається нереальним, але це досяжно».
Захист астронавтів від ризиків здоров’я під час космічних подорожей є ще одним важливим пріоритетом для біомедичних дослідників, що працюють з NASA. На МКС та в інших космічних місіях астронавти не лише мають справу з фізіологічними змінами, пов’язаними з мікрогравітацією, але й з небезпеками космічного випромінювання, яке може мутаціювати ДНК в людських клітинах.
Астронавт Френк Рубіо встановив рекорд NASA за найдовший безперервний час перебування в космосі — 371 день. Руський космонавт Валерій Поляков має загальний рекорд перебування в космосі — 437 днів поспіль, оскільки він добровільно брав участь у цій місії, щоб довести, що люди можуть вижити під час подорожі на Марс і назад. Але загальне правило NASA передбачає, що астронавти повинні намагатися мінімізувати час в орбіті, щоб зменшити ризики для здоров’я.
«Для астронавтів, які повертаються на Землю, виникає складнощі при пересуванні», — зазначив Бен Соарес, який досліджує космічну медицину в Бостонському університеті. «Навіть сидіння в кріслі задіює м’язи. Все руйнується, коли ви його не використовуєте».
Дослідження близнюків-астронавтів Скотта та Марк Келлі показало, що Скотт старів швидше за свого брата, який залишився на Землі, під час перебування Скотта в космосі. Мікрогравітація також змінила генетику Скотта, вмикаючи та вимикаючи певні гени.
Ризики раку, ймовірно, вищі для астронавтів, і не лише через те, що випромінювання може викликати мутації в ДНК. Мембрани клітин тримаються на невеликих білках, відомих як мікротрубочки, які підтримують жорсткість клітинної форми, але коли сила гравітації змінюється — навіть якщо гравітація на МКС лише на 10% слабша, ніж на Землі — структура клітини також змінюється.
На Землі мікротрубочкові веретена забезпечують реплікацію хромосом клітини. Але мікрогравітація деформує мікротрубочки, що може призвести до нерегулярного поділу клітин та підвищити ймовірність розвитку раку.
«Ви можете думати, що [астронавти] просто плавають у космосі, але всі ці мікротрубочки та суттєві деформації у зовнішніх мембранах швидко змінюються під впливом мікрогравітації», — говорить Соарес. «Люди дедалі більше цікавляться, чи відбуваються зміни на генетичному рівні».
Однак ці генетичні ефекти також створюють унікальні можливості для дослідників, які шукають нові діагностичні тести та методи лікування. Наприклад, якщо вчені зможуть визначити, які гени вимикаються в умовах мікрогравітації, вони, можливо, зможуть активувати їх або штучно вимикати для пацієнтів з раком на Землі.
Фармацевтичні дослідження також можуть отримати вигоду. У космосі компанії з виробництва ліків можуть істотно прискорити процес перевірки та тестування, який зазвичай займає багато років, перш ніж Управління з контролю за продуктами та ліками затвердить новий препарат. Наступає той момент, коли вартість тестування в космосі зменшується, і це може стати ключовим способом швидкої оцінки широкого спектру ліків, без необхідності чекати роками, щоб побачити, як вони працюють на різних популяціях, згідно з Мароттою з ISS National Laboratory.
«Кожна людина по-різному реагує на один і той же препарат», — говорить Маротта. «Ми маємо резистентність до препаратів, збої терапії тощо. Тим часом, витрати на космічні дослідження зменшаться в майбутньому».
Пацієнти, що проходять хіміотерапію, також можуть заощадити час. В умовах нормальної гравітації вони зазвичай повинні проводити півгодини, підключеними до голки, перед тим, як ліки зможуть подіяти, оскільки більшість препаратів не розчиняються легко у воді. Але вчені з Merck виявили, що в космосі їх використовуваний препарат для лікування раку пембролізумаб, або Кейтруда, може вводитися через просту ін’єкцію, адже великі кристалічні молекули, які зазвичай скупчуються, в мікрогравітації залишаються у підвішеному стані.
Щоправда, поки що компанії Merck не вдалося знайти спосіб введення своїх препаратів через ін’єкції на Землі. Аналогічно, blood-тест, розроблений дослідниками з Нотр-Дам, працює лише в космосі, без можливості ефективно імітувати низьку гравітацію на Землі.
Ці обмеження піднімають питання про можливість лікування пацієнтів у космосі для того, щоб використовувати переваги низької гравітації. Це не зовсім фантастична ідея, визнає Сокер, хоча і зазначає, що зараз це може бути занадто витратно. На МКС наразі проживають лише семеро астронавтів, а SpaceX нібито стягує з космічних туристів приблизно 55 мільйонів доларів за триденну або восьмиденну поїздку в низьку орбіту Землі. Сподіваються, що ці витрати в майбутньому суттєво зменшаться.
Наступним великим кроком, за словами Сокера, буде створення орбітальної станції, присвяченої дослідженню лікування раку та інших важких хвороб. «Можливо, ми зможемо реально зрозуміти, які пацієнти отримають вигоду з космічного середовища», — говорить він. «Якщо ви плануєте вкласти кілька мільйонів доларів [у лікування раку], вам потрібно впевнитися, що це дійсно буде корисно для вас».
Згодом мікрогравітація може навіть допомогти пацієнтам, які відновлюються після операцій, зажити швидше, ніж на Землі, додав Сокер. «Заживлення ран сприяє підвищеному тиску. Це підводне лікування для ран».
Перш ніж вони зможуть мріяти про нове покоління орбітальних лабораторій, дослідники відчувають тиск, щоб максимально використовувати ту, яка в них є зараз — але яку не зможуть використовувати довго. МКС запланована на знищення у 2031 році, після більш ніж тридцяти років в орбіті, що дає вченим лише кілька наступних років для проведення тестів в надії на медичні відкриття. «Вона виконала своє призначення», — зазначає Сокер.
Ключовим завданням зараз є для таких команд, як його, забезпечити практичні результати досліджень, які можуть відкрити фінансування для наступного етапу біомедичних досліджень у космосі. Дослідники вже отримують вигоду від недавнього збільшення підтримки завдяки ініціативі Cancer Moonshot уряду США, яка виділяє кошти на дослідження, що сприяють як пацієнтам на Землі, так і астронавтам.
В експерименті в Уейк Форест, який запланований на запуск наступної весни, вчені візьмуть зразки двох частин ракової пухлини від близько 20 пацієнтів. Один зразок залишиться на Землі, а інший відправиться на МКС, де вчені спостерігатимуть за різницею. Тестування буде завершено протягом тижня, щоб уникнути взаємодії з космічним випромінюванням.
Якщо експеримент виявиться успішним, Сокер вважає, що це може прокласти шлях до проведення діагностичних тестів на рак у космосі, доступних для загальних пацієнтів — можливо, на біомедичній космічній станції, яка може бути запущена після запланованого знищення МКС.
«Чи зможемо ми дійсно спроектувати спеціальну космічну станцію, присвячену раку та, можливо, іншим захворюванням?» — запитав Сокер, самостійно відповідаючи «так». «Фармацевтичні компанії, які мають великі кошти, безумовно, підтримуватимуть цю програму».