Yerçekiminin kemik hücreleri üzerindeki etkisini incelemek için deneyler Uluslararası Uzay İstasyonuna gidiyor

Michigan Üniversitesi’ndeki mühendisler tarafından tasarlanan kemik yoğunluğunu araştıran bir çift deney, Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) için bir Northrop Grumman Corp. Antares roketinde Wallops Adası, Virginia fırlatma rampasından ayrıldı.

UM makine mühendisliği doçenti Allen Liu ve araştırma ekibinin üyeleri, uzayda yapılan deneylerin, dünya çapında yüz milyonlarca insanı etkileyen bir durum olan osteoporoza nasıl ışık tutabileceğini ve ayrıca astronotların nasıl daha güvenli tutulacağını ayrıntılarıyla anlatıyor.

Bu uzay temelli araştırmayı sıradan insanlarla alakalı kılan kemik yoğunluğu, osteoporoz ve yerçekimi arasındaki bağlantı nedir?

Allen Liu: Osteoporoz, bireyler yaşlandıkça kemiklerin zayıf ve kırılgan hale gelmesine neden olarak sadece hafif stres ve düşmelerde bile kırıklara neden olur. ABD’de tahminen 10 milyon vaka var ve 43 milyonu da düşük kemik yoğunluğu belirtileri gösteriyor.

Ağırlıksız bir ortam veya mikro yerçekimi, kemiklerde fizyolojik değişikliklere neden olabilir ve tipik mekanik yerçekimi stresleri olmadan benzersiz bir araştırma ortamı sunar. Ayrıca, ilaçların veya genetik mühendisliğinin kullanımı olmadan hücrelerin nasıl büyüdüğünü ve işlevini hızla değiştirir.

Bir hücrenin sertliği bize biyolojik yaşını söyleyebilir, işlevinde nasıl bir düşüş olabileceğini veya zaman içinde kronik hastalığa yatkınlığını tahmin edebilir. Hücreler yerçekimine karşı geri itmediğinde, sertlikteki bu azalmanın onları osteoporozda gördüğümüz aynı tür değişikliklere karşı duyarlı hale getirdiği hipotezini test ediyoruz. Ancak, hücreleri yerçekimini taklit edecek şekilde mekanik olarak sıkıştırarak bu sağlık etkilerini önleyebileceğimizi de düşünüyoruz.

Uzayda hücre sertliğine nasıl bakacaksınız? Bu size astronotlar hakkında ne söyleyebilir?

Nadab Wubshet, makine mühendisliği doktora öğrencisi: Yerçekiminin yokluğunun hücrelerde yumuşamaya neden olabileceğini ve bunun ISS’de uzun süre kaldıktan sonra astronotlarda görülen kemik kaybının arkasında olabileceğini varsayıyoruz. Astronotlar, yerçekimi olmadan olmayan sıkıştırma etkisini yaratmak için gemide direnç egzersizleri yaparlar.

ISS’de hücre sertliğini test etmek için, tek hücreleri yakalamak için sıvıları kullanan ve deformasyona neden olmak için her hücre üzerindeki basıncı yavaşça artıran otomatik bir mikroakışkan cihazı kullanıyoruz. Floresan işaretleyiciler, şeklini her basınç seviyesinde görmemizi sağlar. Cihazımız ayrıca hücrenin sertliğini ölçmek için veri toplamamıza izin veren anlık görüntüler ve videolar çeken bir sisteme entegre edilmiştir.

Bunun insan sağlığına nasıl faydası olabilir?

Wubshet: Hipotezimizin doğru olduğu kanıtlanırsa, sonuçlarımız yerçekimi gibi fiziksel kuvvetlerdeki değişikliklerin kemik hücrelerinin mekanik özelliklerini ve kemik oluşumunu nasıl etkilediğine dair büyük bir fikir verecektir. Yerçekimi gibi doğal kuvvetlerin kemik oluşumu üzerindeki etkisini daha iyi anlamak, kemik çürümesi ile uğraşan insanlar için daha iyi teşhis ve tedaviler hakkında fikir verebilir.

Ancak uzaydaki uygulamalar da önemlidir, özellikle astronotların mikro yerçekiminde daha uzun süre kalabileceği uzay araştırmalarına artan ilgi göz önüne alındığında. Bu astronotlar için kemik yoğunluğunu korumaya yönelik çözümler geliştirmeyi umuyoruz.

İkinci deneyde, kemik hücrelerinin bozulmasını azaltmaya çalışıyorsunuz – ne öğrenmeyi umuyorsunuz?

Uygulamalı fizikte doktora öğrencisi Grace Cai: “Kemik hücreleri” olarak bahsettiğimiz hücreler, en çok ihtiyaç duyulduğu zaman ve yerde kemik oluşturmak için mineraller ve proteinler depolayan osteoblastlardır. Çalışmamızda mikro yerçekiminin osteoblast aktivitesini nasıl etkilediğini araştırdık.

Mikro yerçekimindeki hücreler düşük hücre gerilimi yaşar ve mekanik sıkıştırma uygulayarak hücre gerilimini artırabiliriz. İnsan osteoblast hücrelerinin küresel kümelerini sıfır yerçekimine yerleştirerek ve sıkıştırma uygulayarak, kemik kaybını önlerken kemik hücresi gelişimini ve bakımını destekleyip desteklemediğini test edebiliriz.

Örnekler Dünya’ya nasıl iade edilecek ve analizlerinin gelecekteki astronotlara fayda sağladığını nasıl görüyorsunuz?

Cai: İlk deney ISS’de yapılacakken, bu ikinci deney için numuneler analiz için Ocak ayında SpaceX CRS-26 ile Dünya’ya iade edilecek. Buradaki bulgularımız, sıkıştırıcı uzay giysilerinin ve giysilerin, mikro yerçekimi koşullarına maruz kalan astronotların kemik kaybını önleyip önleyemeyeceğine ve kemik sağlığını iyileştirip iyileştirmeyeceğine ışık tutmalıdır. Bu tür teknolojiler, diğer varış noktalarının yanı sıra ISS’ye ve ISS’den seyahat eden ekiplerin korunmasına yardımcı olabilir.

Dünyadaki osteoporoz araştırmalarını bilgilendirmenin yanı sıra, bulgularımızın muhtemelen diğer yaşa bağlı hastalıklar ve kanserlerle alakalı olacağını tahmin ediyoruz. Kendi çalışmamız için temel öneme sahip olan hücre mekaniği ve hücrelerin oluşturduğu mimariler bu alanlarda da önemlidir.

Uzay için deneyler hazırlayan bir makine mühendisi olarak öğrendiğiniz en ilginç şeyler neler?

Liu: Mikro yerçekimi ortamında çalışmanın zorluklarından biri, her şeyin ağırlıksız olmasıdır, bu nedenle sıvıyı işlemek son derece zorlayıcı hale gelir. Her şey kapalı olmalı ve hücrelerimiz bir Petri kabı yerine bir torbada tutulmalıdır. Ve ISS’de alan çok önemli olduğu için, her deney yaklaşık 6,3″ boyunda, 8,2″ uzunluğunda ve 12,3″ genişliğinde küçük bir CubeLab konteynerine paketlenir.

Bir araştırmacı olarak belirsizliklere alıştığımızı düşünüyorum ama bu çok farklı. Dünya üzerindeki bir deneyde pek çok şey ters gidebilir ve bu, deneyi uzayda yapmayı daha da zorlaştırır. Deneylerin sorunsuz geçeceğinden umutluyuz ve uçuşu yaptığımız için mutluyum.