Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina

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Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina
Le nuove frontiere del
volo spaziale:
Nanotecnologie e
Biomedicina
Giada Graziana Genchi                 Istituto Italiano di Tecnologia, Pontedera

Gianni Ciofani                        Istituto Italiano di Tecnologia, Pontedera

I
     l rinnovato interesse per l’esplorazione                   Il volo spaziale
     dello spazio ha evidenziato la necessità
     di una comprensione profonda dei rischi                   Inizialmente sostenuta da ragioni di carattere
per l’equipaggio e delle opportunità commer-                   geopolitico, l’esplorazione spaziale ha ormai as-
ciali insite nel volo, sia in bassa orbita terre-              sunto da diversi decenni la veste di strumento di
                                                               espansione della conoscenza umana nello spirito
stre che nello spazio profondo. L’esplorazio-
                                                               della cooperazione internazionale e a beneficio
ne spaziale rappresenta una sfida complessa                    dell’umanità, producendo numerose tecnologie
per gli organismi di origine terrestre, compor-                con larga applicazione terrestre [1]. Con il riac-
tando per essi notevoli stress di natura fisica                cendersi dell’interesse all’esplorazione umana
(transizioni gravitazionali, permanenza in mi-                 dello spazio profondo, alla colonizzazione di cor-
crogravità ed assorbimento di radiazioni co-                   pi celesti prossimi alla Terra e al turismo spaziale
smiche), ma anche chimica, microbiologica e                    in bassa orbita terrestre (low Earth orbit, LEO)
                                                               promosso da enti privati, è diventata di fonda-
psicologica. Fortemente ostile alla vita, l’am-
                                                               mentale importanza la comprensione profonda
biente spaziale rappresenta inoltre un prezio-                 delle alterazioni biologiche che potrebbero in-
so banco di prova di strumenti innovativi per                  teressare gli astronauti o i viaggiatori spaziali
il contrasto di numerosi fenomeni degenera-                    non professionisti. Altrettanto importante è l’e-
tivi associati all’invecchiamento, nonché al-                  laborazione delle strategie che prevengano tali
l’insorgenza di malattie a Terra. Fra questi                   alterazioni in particolar modo sul lungo termine,
strumenti, quelli nanotecnologici iniziano a                   sia durante il volo, che potrebbe durare anni, che
                                                               al rientro a Terra. Ma quali sono gli agenti nocivi
mostrare evidenze promettenti di un valido
                                                               per la vita umana nello spazio? Essi sono di natu-
supporto alla vita nello spazio.                               ra prevalentemente fisica e chimica: i principali

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Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina
rischi per la salute umana originano infatti dalla            marziana.
microgravità e dalle radiazioni cosmiche, ma an-
che dalle polveri fini a varia composizione come
il regolith lunare e dalle popolazioni microbi-
                                                              Alterazioni indotte dallo spazio
che a bordo dei veicoli spaziali. Rischi secondari
                                                              Cosa comportano microgravità e radiazioni a li-
ma non trascurabili scaturiscono inoltre a livel-
                                                              vello biologico? Fra i principali effetti del volo
lo biologico e psicologico (fra loro strettamente
                                                              spaziale a livello molecolare ed intracellulare, vi
connessi) dal confinamento in ambienti angusti,
                                                              è, insorgenza di stress ossidativo, danni al
dall’isolamento e dalla distanza dalla Terra.
                                                              DNA e disregolazione mitocondriale [4, 5]. A
   Il volo spaziale comporta in primis per gli orga-          livello superiore a quello cellulare, il volo induce
nismi terrestri l’esposizione a transizioni gravi-            effetti deleteri a carico del sistema cardiocirco-
tazionali, di cui l’ipergravità (3-6g) rappresenta            latorio, immunitario, muscolare e nervoso, de-
una fonte primaria benché temporanea di stress.               terminando tra l’altro un aumento del rischio di
Successivamente, esso si caratterizza per una per-            insorgenza di tumori [6, 7].
manenza in condizioni di riduzione del carico                    Gli astronauti sono infatti solo parzialmente
gravitazionale, come succede agli astronauti in               protetti contro la radiazione cosmica dal cam-
orbita o potrebbe loro succedere per via dell’e-              po magnetico terrestre e sono quindi esposti a
sposizione ad una gravità notevolmente inferiore              circa 100-200 mSv/anno, assorbiti in basse dosi
a quella terrestre (ad esempio quella lunare, circa           dell’ordine dei µS/giorno. Gli effetti delle radia-
un 1/6 di quella terrestre, o marziana, circa un              zioni sono strettamente legati al trasferimento di
1/3 di quella terrestre) [2].                                 energia dalle particelle al corpo che esse attraver-
   La variazione della forza di gravità tuttavia si           sano, con dipendenza dalla carica, dalla massa e
accompagna anche ad un’altra formidabile fonte                dall’energia cinetica delle particelle. La carica è
di stress fisico per gli organismi viventi nello spa-         in particolar modo determinante ai fini del tra-
zio: la radiazione cosmica [3]. Allontanandosi                sferimento energetico e gli ioni pesanti che com-
dalla magnetosfera terrestre, gli astronauti sono             pongono la radiazione cosmica contribuiscono
infatti esposti a ioni pesanti contenuti in raggi co-         in maniera preponderante alla dose assorbita dal
smici galattici e a particelle secondarie generate            personale di bordo. Oltre alla radiazione cosmi-
dall’impatto degli ioni pesanti con le strutture e            ca, anche gli eventi solari, benché estremamente
gli schermi a bordo dei veicoli spaziali (che dan-            rari, rappresentano una minaccia importante per
no quindi luogo a spallazione), nonché a protoni              la salute degli astronauti [8].
ad alta energia prodotti da eventi solari. Di que-               Quali sono le alterazioni biologiche indotte
sta radiazione, la componente protonica risulta               dall’esposizione agli agenti di stress fisici che ca-
essere quella maggioritaria ( 85 %) nell’ambiente             ratterizzano l’ambiente spaziale? A livello mo-
intraveicolare spaziale, seguita dalle particelle             lecolare, il fenomeno distintivo dell’esposizione
alfa ( 14 %) ed infine dagli ioni pesanti ed i lo-            alle condizioni di volo spaziale consiste nell’in-
ro prodotti di frammentazione. La complessità                 staurarsi di un elevato stress ossidativo. L’in-
degli agenti fisici di stress attivi sul personale            sorgenza di quest’ultimo è legata allo sbilancia-
nello spazio ha impedito ad oggi una completa                 mento fra produzione e smaltimento di specie
comprensione dei fenomeni biologici adattativi                chimiche altamente pro-ossidanti, fra cui rientra-
innescati dal volo spaziale ed ha inaugurato un               no i cosiddetti radicali liberi. Di tali composti, i
ampio settore di ricerca volto alla riproduzione              più noti e studiati sono le specie reattive dell’os-
a Terra delle condizioni di microgravità e radia-             sigeno (reactive oxygen species, ROS) e dell’azoto,
zioni cosmiche. Questa attività di ricerca mira a:            che hanno numerosissimi bersagli citoplasmatici,
1) colmare l’ampia lacuna circa gli effetti di una            mitocondriali e nucleari [9].
esposizione prolungata nel tempo alla microgra-                  I radicali liberi possono essere prodotti dal-
vità ed alla radiazione cosmica per gli organismi             l’interazione della radiazione con l’acqua di cui
che si sono evoluti a Terra,                                  sono ricchi gli organismi viventi, determinando
2) fornire elementi utili al volo interplanetario             danno per ionizzazione indiretta delle macromo-
ed al futuro allestimento di una base lunare o                lecole biologiche, fra cui il DNA. Quest’ultimo

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può essere inoltre danneggiato per effetto della
ionizzazione diretta prodotta dai raggi cosmici.
Quando il danno al DNA consiste in rotture che
interessano un singolo filamento, quest’ultimo
può essere efficacemente risaldato da meccani-
smi endogeni di riparazione, ma quando le rottu-
re colpiscono entrambi i filamenti, la riparazione
può avvenire in modo deficitario e risultare in
mutazioni stabili, riarrangiamento dei cromoso-
mi, morte cellulare o insorgenza di tumori. I
raggi cosmici a elevato linear energy transfer con-
tenenti 12 C, 56 Fe, 20 Ne, 48 Ti sono i più efficaci
nell’indurre tumori attraverso la ionizzazione
diretta del DNA [10].
   Strettamente     correlata     allo   stress
ossidativo        è      la     disregolazione
mitocondriale, identificata dalla riduzio-
ne dell’espressione di geni coinvolti nella
fosforilazione ossidativa del mitocondrio e codi-
ficati da DNA nucleare, nonché dall’attivazione               Figura 1: Variazione della composizione molecolare delle
di meccanismi compensatori di geni codificati                           fibre dei muscoli extensor digitorum longus-
                                                                       EDL e soleus di topi esposti a microgravità rea-
da DNA mitocondriale. Il mitocondrio è infatti
                                                                        le di lunga durata: in particolare, dopo il volo
la principale sede di produzione endogena di                            compare de novo nel soleus l’isoforma veloce
ROS, da cui deriva la sua maggiore vulnerabilità                       2B della miosina (colorata in rosso). L’imma-
(anche a carico del suo DNA) all’insorgenza                             gine di immunoistochimica evidenzia inoltre
di stress ossidativo [11]. La microgravità                              l’atrofia del muscolo antigravitazionale soleus
                                                                        dei campioni di volo rispetto a quelli di Terra at-
e le radiazioni cosmiche svolgono un ruolo
                                                                        traverso la diminuzione delle dimensioni della
importante nella disregolazione mitocondriale,                          sezione delle fibre identificate dalle isoforme 1 e
determinando la sovraproduzione di ROS                                 2A della miosina. I numeri corrispondono alle
attraverso la perturbazione della catena di                             diverse isoforme della miosina, cui corrispon-
trasporto elettronico che ha luogo in questo                            dono le diverse tipologie di fibre muscolari. Da
organello [5].                                                          [14].

   A livello di organismo, il volo spaziale produce
innanzitutto uno spostamento dei fluidi biologi-              a bordo dei veicoli spaziali [16].
ci verso la parte alta del corpo: tale spostamento               Il sistema nervoso è negativamente influenza-
risulta in un incremento nell’escrezione e nell’at-           to dal volo spaziale: gli astronauti dimostrano
tivazione di meccanismi di compensazione da                   infatti segni di deterioramento cognitivo, moto-
parte del sistema cardiocircolatorio. Ha quin-                rio e comportamentale che durante il volo pos-
di luogo il cosiddetto decondizionamento del                  sono avere conseguenze molto rischiose per la
sistema cardiocircolatorio, molto simile a quel-              loro vita. Anche in questo caso, lo stress ossi-
lo legato all’invecchiamento, caratterizzato dalla            dativo sembra giocare un ruolo preponderante
riduzione del volume del sangue, dalla variazio-              nell’insorgenza di tali alterazioni. I deficit neu-
ne della contrattilità cardiaca, dall’irrigidimento           rologici nello spazio sono intrinsecamente legati
dei vasi arteriosi e dallo sviluppo della resisten-           alla disregolazione immunitaria indotta dal vo-
za all’insulina [15]. Tali meccanismi confluisco-             lo spaziale, che ne determina un inasprimento
no nella cosiddetta intolleranza ortostatica                  mediante fenomeni di natura infiammatoria [12].
esperita dagli astronauti al rientro a Terra, spesso             Deficit motori si verificano durante il volo spa-
accompagnata da altri fenomeni quali tachicar-                ziale anche per la riduzione della massa muscola-
dia e sincope, contro cui recenti studi sembrano              re e la conversione delle fibre muscolari da lente
dimostrare l’effetto benefico dell’esercizio fisico           a veloci. L’atrofia muscolare colpisce in partico-

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lare i muscoli preposti al mantenimento della
postura (ad esempio: il soleus, come riportato
in Figura 1 e può essere in parte contrastata con
l’esercizio fisico [13, 14].
   La riduzione del carico gravitazionale duran-
te il volo spaziale determina inoltre una ridu-
zione della densità ossea prossima all’1.5 %
per ogni mese di volo, analogamente a quanto
succede con l’invecchiamento femminile post-
menopausa. Tale riduzione è il risultato della
promozione di fenomeni coinvolti nel resorbi-
mento osseo, che normalmente a Terra è bilancia-
to dalla deposizione ossea. Fra le strategie volte
al contrasto di tale decremento osseo in cui un
ruolo importante è altresí giocato dallo stress os-
sidativo, è risultata essere valida l’attività fisica
e la somministrazione di antiossidanti, che però
deve essere ripetuta nel tempo a causa della loro
breve emivita plasmatica [17]. La disregolazione
immunitaria già precedentemente menzionata                    Figura 2: Random positioning machine (A, B) per
                                                                       la simulazione della microgravità presso la
consiste in una variazione della funzione di al-                       European Space Agency-ESA. Da [20].
cune cellule del sistema immunitario (cellule T e
natural killer), nonché dell’espressione di alcuni
mediatori della risposta immunitaria (citochine)              biologici oggetto di investigazione (colture cel-
[18]. La persistente infiammazione di moderata                lulari, fette di tessuto etc.) attraverso dispositivi
entità che ne consegue è alla base della riattiva-            denominati clinostati, random positioning ma-
zione di virus latenti nell’organismo degli astro-            chine o rotating walled vessel (Figura 2). Questi
nauti, con incremento del rischio di insorgenza               sistemi non annullano la forza di gravità terrestre,
di tumori [19].                                               ma rendono semplicemente casuale la direzio-
   Da questa breve rassegna degli effetti biologici           ne di un corpo rispetto a tale forza nel tempo e
del volo spaziale, appare evidente come approc-               sono particolarmente indicati per modelli biolo-
ci anche ibridi di esercizio fisico e di impiego              gici semplici come colture cellulari. Sistemi di
di antiossidanti possano avere un ruolo benefi-               più recente implementazione invece forniscono
co determinante per consentire una prolungata                 una forza contraria a quella di gravità terrestre
permanenza umana nello spazio.                                attraverso la levitazione magnetica [21].
                                                                 La necessità di condurre esperimenti su siste-
Simulazione del volo spaziale                                 mi biologici di crescente complessità in elevato
                                                              grado di sicurezza ha motivato l’elaborazione di
Gli elevati costi e gli stringenti vincoli del volo           strategie volte a mimare la microgravità a Terra
spaziale hanno motivato lo sviluppo di diverse                con diverso livello di successo, fra cui la sospen-
piattaforme terrestri di simulazione dello stesso             sione degli arti (per i test su animali) e il riposo a
allo scopo di approfondire la natura dei fenome-              letto (per i test su soggetti umani). Ciascuna mo-
ni adattativi deleteri della salute dell’uomo e di            dalità di simulazione offre numerosi vantaggi e
altri organismi viventi, nonché di elaborare stra-            svantaggi, per cui l’attività sperimentale di Terra
tegie utili alla prevenzione e al contenimento di             rimane ad oggi non esaustiva, ma utile a suppor-
tali fenomeni.                                                tare e complementare l’attività sperimentale di
   Fra i fattori ambientali di più difficile riprodu-         volo.
zione a Terra, vi sono la microgravità e le radia-              I clinostati sono dei dispositivi che consento-
zioni cosmiche. Il primo viene tradizionalmente               no la rotazione di un corpo lungo uno o più assi.
riprodotto ruotando opportunamente i sistemi                  Quando gli assi possono essere ruotati a diversa

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velocità, allora i clinostati prendono il nome di             centro è possibile ottenere fasci ionici a rapido
random positioning machine: in entrambi i casi,               switch, maggiormente adeguati alla simulazione
i dispositivi si caratterizzano per l’elevata sem-            dell’ambiente spaziale, in particolar modo quel-
plicità di impiego, richiedendo prevalentemen-                lo all’interno dei veicoli spaziali o attivo diret-
te stabilizzazione del carico sulle cornici rotanti           tamente sull’organismo degli astronauti. Sussi-
ed attenta valutazione della velocità di rotazio-             stono tuttavia ancora delle principali limitazioni
ne. Eventuali accelerazioni centrifughe residue               nelle attività sperimentali che è possibile con-
rimangono dell’ordine dei 10−3 g [20, 22].                    durre presso questo centro. Il simulatore infatti
   I rotating walled vessel consistono in due ci-             produce solo alcuni degli ioni facenti parte della
lindri coassiali in rotazione orizzontale, ove il             radiazione cosmica galattica, non esaurendone
cilindro interno rappresenta la fonte di scambio              la varietà originaria e prodotta anche a seguito di
gassoso con il cilindro esterno che invece ospi-              spallazione, e non produce neanche pioni e neu-
ta la coltura cellulare. Il disegno originario di             trini che a loro volta caratterizzano la radiazione
questi dispositivi è stato condotto dalla NASA                intraveicolare [26].
che ne ha curato in particolare la fluidodinamica,
minimizzando sforzi e turbolenze e massimiz-
zando l’ossigenazione delle colture. Essi sono                Nanotecnologie a supporto della
particolarmente indicati per le colture cellulari             vita nello spazio
in sospensione, ma sono di impiego meno imme-
diato, richiedendo un lungo lavoro di ottimizza-              Le attività umane in LEO richiedono numerosi
zione delle condizioni colturali più adeguate in              approvvigionamenti da Terra, ma la dispendio-
termini di velocità terminale, di bilanciamento               sità e l’impraticabilità di questi ultimi in caso
della forza di Coriolis e delle forze centrifughe e           di esplorazione dello spazio profondo rendono
di trasferimento di massa [23].                               indispensabile lo sviluppo di composti con pro-
   I sistemi di levitazione magnetica si basano               prietà stabili ed azione prolungata nel tempo.
invece su solenoidi attraverso i quali sono appli-            Alcuni preparati con dimensioni nanometriche
cati campi magnetici estremamente intensi (15 T)              studiati negli ultimi anni per il contrasto di nu-
a dei corpi sfruttandone le proprietà diamagneti-             merose patologie geriatriche fra cui l’osteoporosi
che. Questi sistemi sono estremamente comples-                e la sarcopenia sono stati di recente proposti pro-
si e dispendiosi (richiedendo fra l’altro anche               prio quali contromisure -rispettivamente- alla
opportuni sistemi di raffreddamento) ed hanno                 perdita di massa ossea e muscolare che colpisco-
trovato minore applicazione in ambito biologico,              no gli astronauti già dopo un volo spaziale di
date le piccole dimensioni della cavità magnetica             breve durata [27, 28].
e l’entità dei campi magnetici applicati, poten-                 Questi fenomeni degenerativi associati all’in-
zialmente in grado di interferire con la biologia             vecchiamento sembrano essere infatti accelerati
del campione [24, 25].                                        dalla permanenza in condizioni di microgravi-
   Ben più difficile è la simulazione delle radia-            tà ed esposizione a radiazioni, rendendo cosí la
zioni cosmiche a Terra, che normalmente sono a                sperimentazione in volo utile all’elaborazione
bassa dose e con durata prolungata: in numerosi               di strumenti terapeutici anche per la popolazio-
studi, per praticità è stato scelto di testare la som-        ne a Terra [29]. Per la loro elevata bioattività e
ministrazione della stessa dose di radiazioni in              biocompatibilità, nanoparticelle di idrossiapati-
condizioni acute. Tipicamente, sono impiegati                 te arricchite con stronzio sono state ad esempio
raggi γ, raggi X, fasci di neutroni o a singolo ione          testate come contromisure alla perdita di massa
monoenergetici. La radiazione cosmica si com-                 ossea nello spazio.
pone tuttavia di una molteplicità di ioni a diver-               Nell’ambito del progetto NATO svolto du-
sa energia. Particelle cariche pesanti simili alla            rante la biomissione Futura dell’Agenzia Spa-
radiazione cosmica galattica in termini di ener-              ziale Italiana-ASI, queste nanoparticelle sono
gia e spettro sono state prodotte presso il NASA              state somministrate a cellule staminali mesen-
Space Radiation Laboratory (NSRL) al Brookhaven               chimali, promuovendo in condizioni di gravi-
National Laboratory di New York. Presso questo                tà terrestre la sovraespressione di geni marca-

Ithaca: Viaggio nella Scienza XVII, 2021 • Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina   51
tori del processo di maturazione (anche defini-               nica che hanno rivelato come le nanoparticelle
to differenziazione) osteogenica, assieme al-                 regolino favorevolmente l’espressione di marca-
l’attività di un marcatore del differenziamento               tori coinvolti nei processi di invecchiamento, con
(ovvero la fosfatasi alcalina) [27].                          potenziale attività protettiva contro lo stress ossi-
   Le colture esposte a nanoparticelle hanno inol-            dativo indotto dal volo spaziale. In particolare, è
tre prodotto una matrice extracellulare più ab-               risultata essere significativa la regolazione della
bondante e mineralizzata. In microgravità si-                 lamina e dell’istone H2fax, che cooperano stret-
mulata mediante random positioning machine, le                tamente in processi di riparazione del DNA a
nanoparticelle hanno protetto l’attività della fo-            seguito di danno ossidativo.
sfatasi alcalina, che si è mantenuta costante in-                La somministrazione di nanoparticelle a col-
vece di andare incontro a declino come nel caso               ture muscolari in volo è sembrata avere effetti
dei campioni non trattati con nanoparticelle. L’a-            opposti a quelli indotti dalla semplice permanen-
nalisi condotta su colture esposte a microgravità             za in condizioni di microgravità, meritevoli di
simulata ha supportato la sperimentazione in                  approfondimento a livello proteico. La stessa
condizioni di microgravità reale, ovvero a bor-               tipologia di particelle è stata impiegata in organi-
do della Stazione Spaziale Internazionale (Inter-             smi interi per valutarne la capacità di protezione
national Space Station, ISS), ove le nanoparticel-            contro basse dosi di radiazioni: in particolare, so-
le hanno dimostrato di favorire la deposizione                no state impiegate planarie della specie Dugesia
di matrice inorganica in idrossiapatite da parte              japonica quale modello di rigenerazione tissu-
delle colture.                                                tale, per via dell’abbondanza di cellule staminali.
   Questo studio dimostra come le nanoparticelle              I platelminti sono stati trattati con nanoparticelle
di idrossiapatite arricchite fungano da adeguato              e successivamente sono stati irradiati con una
vettore di ioni Sr2+ con elevato potenziale osteo-            dose di 7 Gy (rate: 3 Gy/min) prodotta da una
genico utile alla rigenerazione tissutale in circo-           sorgente di raggi X con fascio da 15 MV. Dopo ir-
stanze ambientali ostili alla vita. Prossimi studi            radiazione, gli animali trattati con nanoparticelle
saranno volti alla valutazione delle modalità di              hanno dimostrato un minor numero di cellule
somministrazione di tali nanoparticelle ad orga-              in apoptosi (morte cellulare programmata) ed
nismi interi attraverso opportune formulazioni                una minore frammentazione del DNA rispetto
farmacologiche o alimentari. Nella prima parte                agli animali non trattati. Al contempo, la sommi-
di questo articolo, abbiamo inoltre visto come la             nistrazione di nanoparticelle ha promosso una
fonte primaria di danno biologico indotto dal-                maggiore staminalità e capacità di rigenerazione
l’ambiente spaziale sia rappresentata dallo stress            tissutale negli animali, con potenziale rilevanza
ossidativo: per questo motivo, ogni innovazione               anche per organismi superiori e con applicabilità
introdotta nell’ambito dei composti ad azione an-             in ambiente spaziale [30].
tiossidante è estremamente desiderabile al fine
di favorire la permanenza umana in condizio-                  Conclusioni
ni di microgravità ed esposizione a radiazione
cosmica. Nell’ambito del progetto NANOROS                     L’avversità dell’ambiente spaziale alla vita pre-
svolto durante la biomissione Vita di ASI, sono               suppone lo sviluppo di approcci sinergici e mul-
state somministrate nanoparticelle di ossido di               tidisciplinari alla prevenzione e alla cura di quei
cerio a colture muscolari in differenziazione a               fenomeni degenerativi di natura complessa e cu-
bordo dell’ISS [28].                                          mulativa che attualmente prevengono una pro-
   Queste particelle redox-attive si caratteriz-              lungata permanenza umana nello spazio. L’e-
zano per proprietà antiossidante autorigeneran-               splorazione spaziale richiede certamente sforzi
te che potrebbe contrastare efficacemente e in                internazionali congiunti per lo sviluppo di me-
modo duraturo (a differenza di antiossidanti tra-             todologie e strutture raffinate di simulazione a
dizionali quali le vitamine) lo stress ossidativo a           Terra delle condizioni associate al volo, in mo-
livello cellulare e mitocondriale durante il volo             do tale che l’accesso allo spazio possa essere ga-
spaziale di lunga durata. Le colture muscolari                rantito, sia a personale altamente specializzato
sono state sottoposte a studi di trascrizione ge-             come gli astronauti che a potenziali turisti nel

Ithaca: Viaggio nella Scienza XVII, 2021 • Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina   52
prossimo futuro. In questo contesto, le nanotec-              prossimo futuro, in grado di apportare numerosi
nologie rappresentano una nuova frontiera della               benefici alla comunità astronautica e globale.
conoscenza umana che passa dall’infinitamente
piccolo all’esplorazione dell’Universo attraverso
una approfondita comprensione dei meccanismi                  Ringraziamenti
molecolari che regolano la vita.                              Si ringraziano Agenzia Spaziale Italiana, Euro-
   Le nanotecnologie applicate alla biologia e al-            pean Space Agency e Fondazione Cariplo per
la medicina permettono infatti di studiare e po-              il supporto finanziario ai progetti NANOROS,
tenzialmente governare in modo specializzato                  NOEMI, InterGravity, NanOxSpace e Nichoid in
dei bersagli di crescente complessità, da quella              Space. Si ringraziano anche Kayser Italia S.r.l. ed
molecolare a quella dei compartimenti intracel-               Andrea Degl’Innocenti per il prezioso supporto
lulari, fino a quella di singoli distretti anatomici,         all’attività sperimentale.
sulla base delle dimensioni dei nanomateriali
(compatibili con quelle cellulari) e delle loro pro-
prietà chimico-fisiche, in alcuni casi controllabili                                Z        M        Y
mediante opportuna sorgente di stimolazione.
   Affinché gli sforzi della comunità scientifica              [1] D. Dietrich et al.: Applications of Space Technologies to
                                                                   Global Health: Scoping Review, J. Med. Internet Res.,
siano fruttuosi a tal proposito, vi è ormai con-                   20 (2018) e230.
senso unanime sulla necessità di effettuare una
                                                               [2] G. Clément: Fundamentals of space medicine, The
transizione tempestiva ad una raccolta di dati                     Space Technology Library, Berlino (Springer). 2005
omici (ovvero che interessino l’intero corredo ge-
                                                               [3] G. A. Nelson: Fundamental space radiobiology, Gravit.
nico, di trascritti, di proteine e di lipidi di una                Space Biol. Bull., 16 (2003) 29.
singola cellula o di diverse popolazioni cellulari)
                                                               [4] P. Bradbury et al.: Modeling the Impact of Microgravity
dagli esperimenti in microgravità e con esposi-                    at the Cellular Level: Implications for Human Disease,
zione a radiazioni cosmiche sia simulate che reali,                Front. Cell Dev. Biol., 8 (2020) 96.
nonché ad una sostenuta condivisione di questi                 [5] W. A. da Silveira et al.: Comprehensive Multi-omics Ana-
dati in banche dati con libero accesso (come ad                    lysis Reveals Mitochondrial Stress as a Central Biological
esempio: il GeneLab NASA).                                         Hub for Spaceflight Impact, Cell, 183 (2020) 1185.

   Per affrontare la sfida della comprensione pro-             [6] E. Afshinnekoo et al.: Fundamental Biological Features
                                                                   of Spaceflight: Advancing the Field to Enable Deep-Space
fonda degli effetti degli agenti di stress fisico nel-
                                                                   Exploration, Cell., 183 (2020) 1162.
lo spazio e di come sia possibile contrastarli, i
                                                               [7] M. H. Barcelos-Hoff et al.: Concepts and challenges in
ricercatori dovranno affrontare delle tematiche                    cancer risk prediction for the space radiation environment,
urgenti come l’interazione di breve e di lunga                     Life Sci. Space Res., 6 (2015) 92.
durata di nanomateriali con sistemi biologici mo-              [8] S. Hu et al.: Modeling the acute health effects of astronauts
dello (sia sani che tumorali, ottenuti innanzitutto                from exposure to large solar particle events, Health Phys.,
in microgravità simulata e poi in quella reale),                   96 (2009) 465.
prima di approdare al loro impiego sull’uomo.                  [9] S. K. Powers et al.: Reactive oxygen species: Impact on
   Dispositivi automatizzati in grado di ospitare                  skeletal muscle, Compr. Physiol., 1 (2011) 941.
un’ampia varietà di tipologie cellulari e di piccoli          [10] M. Moreno-Villanueva et al.: Interplay of space radia-
animali, somministrare nanomateriali in modo                       tion and microgravity in DNA damage and DNA damage
                                                                   response, npj Microgravity, 3 (2017) 14.
controllato e valutarne il destino dovranno essere
sviluppati per garantirne sicurezza ed efficacia di           [11] C. Richter:    Reactive oxygen and DNA damage in
                                                                   mitochondria, Mutat. Res. DNAging, 275 (1992) 249.
azione in un ambiente ostile quale quello spazia-
                                                              [12] G. R. Clément et al.: Challenges to the central nervous
le. Le strutture di Terra volte alla simulazione di
                                                                   system during human spaceflight missions to Mars, J.
microgravità e radiazioni cosmiche svolgeranno                     Neurophysiol, 123 (2020) 2037.
un ruolo ineludibile nel processo di disegno e va-
                                                              [13] R. H. Fitts et al.: Microgravity and skeletal muscle, J.
lidazione di dispositivi nanotecnologici a scopo                   Appl. Physiol., 89 (2000) 823.
biomedicale. La diminuzione dello stress ossi-                [14] D. Sandonà et al.: Adaptation of Mouse Skeletal Muscle
dativo alla base di diversi processi degenerativi                  to Long-Term Microgravity in the MDS Mission, PLOS
rimarrà una tematica prioritaria nella ricerca del                 One, 7 (2012) e33232.

Ithaca: Viaggio nella Scienza XVII, 2021 • Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina                53
[15] S. Patel: The effects of microgravity and space radiation       Giada Graziana Genchi: (H-index: 21) è Post-
     on cardiovascular health: From low-Earth orbit and beyond,      Doc presso il laboratorio di Smart Bio-Interfaces
     Int. J. Cardiol. Heart Vasc., 30 (2020) 100595..
                                                                     dell’Istituto Italiano di Tecnologia-IIT, ove svolge
[16] Q. Fu et al.: Impact of Prolonged Spaceflight on Ortho-         la sua attività di ricerca in micro- e nanofabbri-
     static Tolerance during Ambulation and Blood Pressure
     Profiles in Astronauts, Circulation, 140 (2019) 729.
                                                                     cazione di materiali intelligenti, in ingegneria
                                                                     tissutale assistita da materiali intelligenti e DNA
[17] Y. Tian et al.: The Impact of Oxidative Stress on the Bone
     System in Response to the Space Special Environment, Int.
                                                                     ricombinante e in biologia cellulare in condizioni
     J. Mol. Sci., 18 (2017) 2132.                                   di gravità alterata. è attualmente attiva nell’am-
[18] B. Crucian et al.: Immune system dysregulation during           bito dei progetti InterGravity e Nichoid in Space
     spaceflight: clinical risk for exploration-class missions, J.   promossi dalla European Space Agency-ESA.
     Leukoc. Biol., 86 (2009) 1017.
                                                                     Gianni Ciofani: (H-index: 39) è Research Direc-
[19] S. K. Mehta et al.: Latent virus reactivation in astronauts
     on the international space station, npj Microgravity, 3
                                                                     tor del laboratorio di Smart Bio-Interfaces (SB-I).
     (2017) 11.                                                      Attualmente coordina il Center for Materials In-
[20] E. Z. Kiss et al.: Comparison of Microgravity Analogs to        terfaces di IIT e svariati progetti nazionali ed
     Spaceflight in Studies of Plant Growth and Development,         internazionali in qualità di titolare (PI), fra cui
     Front. Plant Sci., 10 (2019) 1577.                              due European Research Council Grant e nume-
[21] R. Herranz et al.: Ground-Based Facilities for Simulation       rosi progetti spaziali promossi dall’Agenzia Spa-
     of Microgravity: Organism-Specific Recommendations for          ziale Italiana e dall’ESA, rivolti allo studio dei
     Their Use, and Recommended Terminology, Astrobiology,
                                                                     nanomateriali intelligenti, della nanomedicina,
     13 (2013) 1.
                                                                     delle interazioni bio/non-bio e della biologia in
[22] S. L. Wuest et al.: Simulated Microgravity: Critical
                                                                     gravità alterata.
     Review on the Use of Random Positioning Machines for
     Mammalian Cell Culture, Biomed. Res. Intern, 2015
     (2015) 971474.
[23] T. G. Hammond et al.: Optimized suspension culture:
     the rotating-wall vessel, Am. J. Physiol. Renal Physiol.,
     281 (2001) F12.
[24] A. Paul et al.: High magnetic field induced changes of
     gene expression in arabidopsis, Biomagn. Res.Technol, 4
     (2006) 7.
[25] G. R. Souza et al.: Three-dimensional tissue culture based
     on magnetic cell levitation, Nat. Nanotechnol., 5 (2010)
     291.
[26] J. W. Norbury et al.: Galactic cosmic ray simulation at
     the NASA Space Radiation Laboratory, Life Sci. Space
     Res., 8 (2016) 38.
[27] F. Cristofaro et al.: The NATO project: nanoparticle-
     based countermeasures for microgravity-induced osteoporo-
     sis, Sci. Rep., 9 (2019) 17141.
[28] G. G. Genchi et al.: Modulation of gene expression in rat
     muscle cells following treatment with nanoceria in different
     gravity regimes, Nanomed., 13 (2918) 2821.
[29] S. Amselem: Remote Controlled Autonomous Microgra-
     vity Lab Platforms for Drug Research in Space, Pharm.
     Res., 36 (2019) 183.
[30] A. Salvetti et al.: Stem cell and tissue regeneration analy-
     sis in low-dose irradiated planarians treated with cerium
     oxide nanoparticles, Mat. Sci. Eng. C, 115 (2020) 111113.
[31] S. Blue et al.:    Limitations in predicting radiation-
     induced pharmaceutical instability during long-duration
     spaceflight, npj Microgravity, 5 (2019) 15.

                        \       d     [

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