Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina
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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 Ithaca: Viaggio nella Scienza XVII, 2021 • Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina 47
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 Ithaca: Viaggio nella Scienza XVII, 2021 • Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina 48
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- Ithaca: Viaggio nella Scienza XVII, 2021 • Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina 49
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 Ithaca: Viaggio nella Scienza XVII, 2021 • Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina 50
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 [ Ithaca: Viaggio nella Scienza XVII, 2021 • Le nuove frontiere del volo spaziale: Nanotecnologie e Biomedicina 54
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