אסטרטגיות מבוססות ביולוגי לפיתוח קידודים פונקציונליים של סקופיה בחלל

הקדמה: הצורך הקריטי בהנדסת פיסול בחלל

בעוד האנושות דוחפת מעבר למסלול כדור הארץ הנמוך לעבר משימות מורחבות לירח, מאדים ומעבר לכך, האתגרים הפיזיולוגיים של טיסה לחלל הופכים להיות דחופים יותר ויותר.בין הסיכונים המשמעותיים ביותר לבריאות האסטרונאוטית היא אובדן מתקדם של מסת העצם הנגרמת על ידי חשיפה ממושכת למיקרו-כבידה של כדור הארץ, רקמות השלד חסרות ניסיון כל הזמן לטעון כי ישרוד דרך איזון עדין של אוסטיאובסטום (המת) ו-על-ברסם (ברס) כמו 1%, במיוחד, כלומר, כלומר, עלייה דרמטית של רגלים), כמו ירכיים, כלומר, בכבדות רגלים של 1%, כלומר, ירידה דרמטית, ירידה דרמטית, ירידה של רגלים של שטחית, כלומר, כלומר, בכפות הרגליים האחוריות רגלים, במיוחד, בכבדות רגלים, ב-2%, בכבדות רגלים).

אמצעים מנוגדים כגון פעילות גופנית והתערבות תרופתית כבר הוצבו בתחנת החלל הבינלאומית (ISS) עם הצלחה חלקית.עם זאת, אסטרטגיות אלה לא יכולות למנוע לחלוטין את ההידרדרות העצם על משימות מרובות שנים. יתר על כן, הסיכון לפציעה של שבר או מוטציות במתח במהלך פעילות חוץ-מקרובית או על כניסה חוזרת לתחום כוח הכבידה פלנטרי נשאר דאגה רצינית.

הנדסה מבוססת ביולוגי התפתחה כפלטפורמה רבת עוצמה כדי להתמודד עם האתגר הזה.ביולוגיים מספקים סביבות מבוקרות שיכולות לשמור על יכולת התא, לספק חומרים מזינים, להסיר פסולת, וליישם גירויים מכניים מכווצים בדיוק בתוך המגבלות הייחודיות של סביבה מיקרו-גרפית. מאמר זה חוקר את העקרונות, אסטרטגיות נוכחיות ותפיסת עתיד לשימוש במעבדים ביולוגיים כדי לטפח רקמות פונקציונליות בחלל, המכסה את כל מהבסיס המדעי האחרון של עיצובים של תהליכים ביולוגיים.

הבנת האתגרים הייחודיים של התחדשות תפוקה של Skeletal במיקרוגרביטטי

רקמות סקיטל הן איברים דינמיים כי ברציפות reמודל.תחת כוח הכבידה רגיל, כוחות מכניים מפעילות יומיומית - הליכה, ריצה, הרמת - לחץ זרט נוזל hear ועיוותים ממטריקס כי אוסטאוסטאוציטים (המ מכניסטים של העצם) לזהות. אותות אלה להנחות את אוסטיאוסטרנס כדי להפקיד עצמות חדשות או osteoclasts כדי resorb פגומים או עודף.

מכניזם ביולוגי נהיגה בעצמות בחלל

ברמה התאית, מיקרוגרביטלקטי משנה ביטוי גנים, cytokine secretion, ומודולים של אות תאים.

• (FLT:0) לחנך פעילות אוסטאובפלסט: (1) אוסטבסטוסטים בתערוכת מיקרו-גרביטי מופחתת התפשטות, הבחנה ומינרליזציה ממטריקס.הביטוי של גורם מחייב הליבה אלפא-1 (Cbfa1/Runx2) ואלקלן phosphatase הוא מטה.
• (FLT:0) פעילות אוסטיאוקלסטוסטר: ⁇ 1 (Receptor Activator of Nuclear factor kappa-B ligand (RANKL) עולה בעוד אוסטאופרפרוגרקין (OPG) מקטין, מעד את האיזון לקראת התחדשות העצם.
• (FLT:0) ,Altered mechanotransduction: ⁇ 1) אוסטציטים מאבדים את יכולתם לזרימת נוזל תחושה, המוביל ללקות בסימון אותות וייצור תחמוצת חנקן, קריטיים לשמירה על העצם.

שינויים אלה מורכבים על ידי מתחים אחרים של טיסות חלל: קרינה קוסמית, הפרעות שינה, ליקויים תזונתיים, ולחץ פסיכולוגי יחד, הם יוצרים סביבה עוינת לתחזוקה של רקמות השלד.

הגבלות של הנדסה Tissue Engineering בחלל

על פני כדור הארץ, עצמות - טואגרפטים, Allografts, פיגומים סינתטיים - ומערכות תרבות רקמות סטטיות הן סטנדרטיות.

• (FLT:0) תהליכים תלויים בנזקים:FLT:1 ; פרוטוקולים תרבותיים ארציים רבים מסתמכים על הכבידה עבור חליפין בינוני, סימפוזיון תאים, והסרת פסולת. במיקרו-גרביטציה, נוזלים מתנהגים אחרת; ללא היתוך פעיל, ⁇ חומרים מזינים מהווים ללא אחיד, המוביל ליבות רשלניות בשלושה מבנים תלת-ממדיים.
• (FLT:0) גירעון של Mechanotransduction: FIRLT:1 , תרבויות סטטיות לא יכולות לספק גירוי מכני דינמי כי תאי העצם צריכים להבדיל ולהתבגר.
• (FLT:0) רגישות ו סטריליות: FIRLT:1) הפעלת מעבדה רקמות-הנדסה בחללית היא מאתגרת בשל שטח מוגבל, כוח, ואת הצורך בכילה קפדנית כדי למנוע זיהום.

מכשולים אלה דורשים מערכות ביולוגיות מיוחדות שיכולים לפעול באופן אמין במיקרו-גרביטציה תוך מתן רמזים פיזיים וביוכימיים הדרושים להיווצרות העצם פונקציונלית.

התפקיד של Bioreactors בהנדסת Tissue

ביולוגיים הם מערכות ממונדסות שיוצרות מיקרון-סביבתי מבוקר, קרוב לפיזיולוגיה של תאים ורקמות גדלות. בחלל, הם משרתים פונקציות מרובות: מתן אספקת מזון מתמשך, הסרת פסולת מטבולית, החל גירויים מכניים, ומאפשרים ניטור בזמן אמת. על ידי העתקת היבטים מרכזיים של סביבת vivo, ביולוגיים מאפשרים למדענים לגדול, רקמות מורכבות יותר מאשר אפשרי בתרבות סטטית.

דרישות הליבה של Space Bioreactors

עיצוב ביולוגי עבור microgravity כרוך מגבלות ספציפיות:

• (ב) ⁇ :0 (לאו) מתח: 1FLT:1 תאים חייב להיות מוגן מפני עשבי נוזל מופרזים, אשר יכול להזיק להם או לשנות מסלולים שונים.
• (FLT:0) העברת מסה:FLT:1reaent וחמצן ⁇ יש למזער כדי להימנע מאזורים hypoxic.
• (FLT:0) טעינה מכנית:FLT:1; הביולוגי צריך לספק כוחות דינמיים (מדכאים, הרהר, רבילי) דומים לאלה שחווים בשקפת האדמה.
• ציוד 1 (FLT:0)Compact, אוטומטי ודלפה: ציוד 1FLT חייב להיות קטן, דורש התערבות צוות מינימלית, ולמנוע כל בריחה נוזלית לתוך התא.
• (FLT:0) ,Ricility and long-term: ההרחבה של ה-FLT:1) עשויה להאריך שבועות או חודשים, הדורשת שליטה חזקה של זיהום אוויר וחילופי גז אמינים.

כמה סוגים ביולוגיים פותחו או מותאמים למשימות חלל, כל אחד מהם עם יתרונות ספציפיים להנדסת רקמות השלד.

סוגים של ביולוגיים המשמשים בחלל

שלוש קטגוריות עיקריות נבדקו במיקרו-גרביטציה, הן בטיסה חללית והן לוגיות מבוססות קרקע:

• (FLT:0) רוטטציה וול וסל ביופרקטורים (RWVs): ph1;001 כלי שיט צילידריים אלה מסתובבים לאט סביב ציר אופקי, שמירה על השפעים המוחזקים של התא בשפל קבוע, עדין, הסיבוב יוצר מהירויות נמוכות של כישוף, עם זאת, סביבה נוקשות נמוכה, אשר מחקה היבטים של מיקרו-גרביטציה, שימוש נרחב יותר, ומניעה של כוחות מכניים אחרים, אפילו על פני שטח, ואווירה, ואווירה, יכול להיות בעל עוצמה נמוכה יותר, ומניעה, ואווירה, ובודדים, ומניעה, ומניעה, תוך כדי למנוע שליטה על פני שטח, אך ורקמות, עם זאת, על פני שטח, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, עם זאת, ואווירה נמוכה יותר, עם כוח מכנית תאים מכניים, עם כוח מכניים, עם זאת, יכול להיות מסוגלות נמוכה יותר, עם כוח מכנית כוח מכניים, ובודדות נמוכה יותר, ובודדים, ובודדים, ובודדים, ובודדים, יכול להיות מסוגלות גבוהה יותר, ובודד
• (FLT:0)Perfusion Bioreactors:FLT:1 במערכות אלה, מדיום תרבות מושעה באמצעות מסה ⁇ ⁇ affold או תא, הבטחת משלוח רציף של חמצן וחומרים מזינים והסרת פסולת.הזרם יכול להיות חד-צדדי או עקיף. Perfusion bioreactors מתאימים במיוחד עבור מבנים גדולים כי הם מבטלים מגבלות דיפוזיה.
• (FLT:0) Stimulus Bioreactors:FLT ( 1:1) מכשירים אלה ליישם עומס מכני חיצוני ישירות על בניית הרקמות.מודולליות Commonalities כוללים מחזורי uniaxial, דחיסה, או מתח, כמו גם עשבי משיכה נוזלי באמצעות oscillatory perfusion. כמה עיצובים משלבים חומרים אדזואלקטריים או פועלים אלקטרומגנטיים כדי ליצור תבניות מדויקות, שבו הוא יכול לספק תנועה מכנית מוגבלת כגון מכנית.

מאמצים רבים הנוכחיים משלבים סוגים אלה – לדוגמה, ביולוגי מבוסס היתוך עם מערכת דחיסה מכנית משולבת - כדי ליישב מחדש את הסביבה המכנית המורכבת של העצם הילידים.

אסטרטגיות לפיתוח קידודים פונקציונליים באמצעות ביולוגיים בחלל

פיתוח חיתול בר קיימא או תיקון כתמים עבור אסטרונאוטים דורש גישה הנדסית רב צעד: בחירת מקורות תאים מתאימים, תכנון פיגומים ביולוגיים לא עולים בקנה מידה, מתן אותות ביוכימיים ומכניים הנכונים, ולהבטיח הזדווגציה תפקודית לפני השתלה או שימוש.

מקורות תאים וספרופילים ליישומים בחלל

(FLT:0) תאי גזע מינכימאל (MSCs)sigFLT:1 הם הסוג הנפוץ ביותר תאים עבור הנדסת רקמות השלד בשל יכולתם להבדיל לאוסטאובסטלס, chondrocytes, ו adipocytes. הם יכולים לקציר עצמו ממח העצם, רקמת, או דם טבורי מורחב בחלל, הם יכולים להיות ממושכים מיקרו-Cre גמישים יחסית, אך הם יכולים להיות מושפעים מיקרו-רגישים וכה של שליטה על ידי מיקרו-C.

(FLT:0)ScaffoldsFLT:1 לספק תבנית תלת-ממדית עבור החזקה התאית וצמיחה רקמות.חומרים אידיאליים הם ביו-תואמים, ביו-דיד, אוסטאונדטיביים, ודומה מבחינה מכנית לעצם מולדת.

• פולימרים טבעיים (collagen, Chitosan, משי fibroin)
• פולימרים סינתטיים (polycaprolactone, חומצה פולילאקטית-co-glycolic acid)
• Ceramics (hydroxyapatite, beta-tricalcium pupt)
• חומרים Composite המשלבים פולימרים עם קרמיקה כדי לשפר את העוצמה המכנית ואת הביואקטיביות.

במיקרו-גרביטציה, אדריכלות פואר נפוחה חייבת להיות אופטימיזציה כדי לשמור על קישוריות ולאפשר צפי תאים אחידים. Perfusion bioreactors יכול לעזור לטעון תאים לתוך פיגומים יותר אפילו מאשר לראות סטטי.

⁇ מכנית: המפתח לאוסטוגנזה

כוחות מכניים הם ככל הנראה האות האקסוגניים הקריטיים ביותר להיווצרות העצם.בסביבת חלל, שם אסטרונאוטים אינם יכולים לטעון את השלדים שלהם באופן טבעי, הביולוגיים חייבים לספק את הכוחות האלה באופן מלאכותי.

• (FLT:0) דחיסה דיגיטלית:FLT:1ve החלת מתח דחוס חוזר (0.5-10% ב- 0.5-2 הרץ) מחקה את מחזורי ההטעה הרגילים של הליכה. דחיסה זו מפעילה מסלולים mechanotransduction, כולל ERK1/2 ו- p38 MAPK, המוביל לביטוי הגן אוסטאוגני.
• (FLT:0) מתח Shear:FLT:1 Flowing בינוני מעל פני השטח התא יוצר מדגישה בטווח של 0.1-2 Pa. Osteocytes ו osteoblasts להגיב על ידי הרחבת תחמוצת חנקן ו prostaglandin E2, אשר בתורו לקדם היווצרות העצם. in perfusionctors, יכול להיות מזור את קצב הפחתת תנאי פיזיולוגיים, אשר דומה יותר פיזיולוגית.

מחקרים על ISS באמצעות ביולוגי RWV הראו כי תוספת של טעינה מחזורית באמצעות piston משולבת מגדילה באופן משמעותי את ייצור ממטריקס מינרלים בהשוואה לפקדים סטטיים.

מיקרו-כימיקלים וגורמי צמיחה

אותות מכניים בלבד אינם מספיקים.הוספת המדיום התרבותי עם גורמים אוסטיאוגניים מאיצה את ההשוואה.פרוטוקולים סטנדרטיים משתמשים ב- dexamethasone, ascorbic acid 2-pupt, ו- beta-glyceropupt. בחלל, גורמי צמיחה כמו חלבון מורפגני העצם -2 (BMP-2) או fibroblast Growth factor -2 (F-2) עשויים להוסיף כדי להגביר את אוסטאוסטוזיס, אך עלולים גבוהים כדי לספק את ההשפעות שלהם.

Scalability ואוטומציה עבור משימות לטווח ארוך

למשימה למאדים, אנשי צוות עשויים להיות צריכים לייצר גרורות העצם על הביקוש לאחר שבר או במהלך טיפול רגנרטיבי.זה דורש מערכות ביולוגיות אוטומטיות לחלוטין שניתן להפעיל עם זמן צוות מינימלי. פלטפורמות מחקר כמו מערכת התפוצה של נאס"א Tissue Equivalent Pacy System (TEPS) ואת מערכת הביו-מעבדהמרחב של סוכנות החלל האירופית הוכיחו החלפת אמצעית, רגולציה גז, ו-Fampling Future Systems תצטרך לשלב חיישנים חיוניים, בנוסף לחמצן, ולצמצם את סביבת בקרה לטווח ארוך, ולצמצם את רמת החמצן, ולצמצם את רמת החמצן, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות, באופן קבוע, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת הגמישות של סוכנות החלל האירופית, בתנאי שמערכת הגמישות, בתנאי הגמישות, באופן קבוע, באופן קבוע, ולצמצם את רמת הגמישות, באופן קבוע, באופן קבוע, ולצמצם את רמת הגמישות, ולצמצם את רמת ה

פרספקטיבה ואתגרים עתידיים

בעוד אסטרטגיות מבוססות ביולוגי הראו הבטחה יוצאת דופן ב אנלוגיה מבוססת קרקע וניסויים בחלל מוגבלים, יש להתגבר על כמה מכשולים לפני שהם הופכים להיות מבצעיים במשימות מאוישות.

שמירה על יציבות וגמישות

Spacecraft מאוכלסים בצפיפות עם microbes, וכל הפרה של הסטריליות של הביולוגי עלולה להרוס תרבות ולסכן את הבריאות. bioreactors הנוכחי מסתמכים על מחברים סטריליים, 0.2 מיקרון מסננים, ו-one-שימוש ערכות.עם זאת, פעולה ארוכת טווח מגבירה את הסיכון להיווצרות ביופילמה וזיהום.

שילוב עם תמיכה בחיים ו-Valice Constraints

ביולוגיים צורכים כוח, מים ורכיבים בינוניים.הם גם מייצרים חום פסולת ופסולת ביולוגית.בתי גידול עתידיים בחלל יהיו משאבים מוגבלים, ולכן ביולוגיים חייבים להיות מעוצבים ליעילות גבוהה.מחזור בינוני באמצעות סינון סינון ותוספים עם גורמי צמיחה משופרים (באמצעות ביולוגיה סינתטית) יכול להפחית את צרכיהם של כוח גם דורש משאבות אנרגיה נמוכה ועלולים להשתמש בסגסוגת פולימרומטרה או סגסוגת פולימרואקטיבית.

הבטחת מטבוליזם תפקודי והתאמה ביולוגית לאחר החזרה

לחתיכות גדלות במיקרוגרביטטי יש תכונות מבניות ומכניות שונות מאלה שגדלו על פני כדור הארץ.לדוגמה, יישור סיבי קולגן יכול להשתנות בהיעדר הכבידה, המשפיע על יכולת הרקמות לשאת עומס.פרוטוקולים מוקדמים אשר בהדרגה ליישם עומסים מכניים מוגברים ביולוגי עשויים לעזור לרקמות הבשלות למפרטים ארציים.

שיקולים תקינים ומוסריים

השימוש בתאי גזע אנושיים בחלל מעלה שאלות אתיות ורגולטוריות, במיוחד בנוגע להסכמה מושכלת והטיפול בחומרים ביולוגיים על פני הגבולות הבינלאומיים. ⁇ -engineered Structures שנועדו לשימוש צוות יצטרכו לעמוד בסטנדרטים של בטיחות מחמירים אנלוגיים לאלה של מינהל המזון והתרופות האמריקאי או הסוכנות לרפואה אירופית.

סינרגיות עם In-Situ Resource Utilization (ISRU)

במבט קדימה, מערכות ביולוגיות יכולות להיות ממוזגות עם ISRU לייצר פיגומים העצם מהמשאבים הזמינים על הירח או מאדים. regolith יכול להיות מעובד לחומרים ceramic זכוכית שמשרתים כמגרעות אוסטאוסטיאונדטיבית. bioreactors יכול אז זרע אלה עם affolds מ- MSCs אסטרונאוטית, למעשה "גדל" החלפת העצם מן המושג המקומי, תוך יצירת התנחלויות עצמאיות, תוך כדי התנחלויות עם אטומיות .

שיתוף פעולה בינלאומי וניסויים מתקדמים

התקדמות משמעותית נעשתה בעשור האחרון.משימות המחקר רודנט של נאס"א הוכיחו את היכולת של תאי עצם תרבות בביולוגי מיקרו-גרביטה.הסוכנות לחקר החלל של JAXA (סוכנות חקר החלל היפנית) הטסה ניסויים באמצעות פרח חלל, ביולוגי רוטט, כדי ללמוד את אוסטאובסטבסטבסטאז'ס בדיקה ביולוגית, אך עקרונות דומים חלים על התרבות הקרובה, כולל משימות הנדסיות מתקדמות, כמו גם על ידי הנדסה מתקדמת, כמו גם על ידי הנדסה ביולוגית.

מסקנה

אסטרטגיות מבוססות bioreactor לפיתוח רקמות של השלד פונקציונלי בחלל מייצגות התכנסות של הנדסת רקמות, הנדסה חלל ופיזיולוגיה חלל. על ידי מתן סביבות מכניות וביוכימיות מבוקרות, מערכות אלה יכולות לשכפל את הרמזים החיוניים המניעים היווצרות העצם - פצעים כי הם נעדרים microgravity תרופות, בעוד אתגרים נשארים ב סטריליזציה, אוטומציה, דרוגיות, ועלות, מסלול של מחקר מבטיח להיות יעיל יותר מאשר יכולת ריפוי שטחית של הגוף האנושי.

(ב) לקריאה נוספת, חקרו משאבים מניסויי הנדסת רקמות של נאס"א ב- ISSLACFLT:1, The FLT:2 European Space Agency Support ResearchFLT:3, and Reviews in the FLT:4npj MicrogravityFLT:5 נוסף, the FLT:6Pubed Database 7FLT מחקרים המבוססים על הנדסה מבוססת רקמות.