|
Космические эксперименты помогут в выявлении рака
|
|
|
|
Представьте себе датчик, настолько чувствительный, что он может обнаружить рак на ранней стадии по одной капле крови, что позволит проводить диагностику и лечение до появления первых симптомов — возможно, даже до образования опухоли.
|
|
|
|
Далее, представьте себе устройство, способное выявлять следовые количества даже мельчайших пластиковых загрязнителей в океанской воде, что позволит ученым снизить воздействие на окружающую среду опасных микроскопических токсичных отходов, таких как нанопластик, подгруппа микропластиков размером от 1 до 1000 нанометров.
|
|
|
|
В чем подвох? Образцы крови и пробирки с загрязненной водой проходят проверку в космосе, где отсутствие силы тяжести приводит к неожиданному явлению: образованию необычно больших пузырьков, которые более эффективно концентрируют вещества, такие как биомаркеры рака, для обнаружения.
|
|
|
|
Таково футуристическое видение Тенгфея Ло, исследователя из Университета Нотр-Дам, который изучает перенос массы и энергии на молекулярном уровне. Его концепция проста, но имеет глубокие прикладные возможности. Используя уникальные свойства тепла, жидкости и света и их взаимодействие с пузырьками, компания Luo стремится создать сенсорную технологию, которая была бы полезна на Земле, но значительно лучше работала бы в условиях микрогравитации в космосе. Эти датчики измеряют биологическое или химическое содержание, генерируя сигналы, пропорциональные концентрации того или иного вещества.
|
|
|
Технология Luo использует пузырьки для концентрирования и извлечения мельчайших веществ, погруженных в жидкие образцы, что позволяет достичь чувствительности и точности обнаружения на несколько порядков выше, чем это возможно в настоящее время. Ключом к этой технологии является освобождение пузырьков от воздействия сил тяжести, что позволяет им действовать в качестве концентратора целевых микроскопических веществ в большем пространстве и на более длительный срок, облегчая их обнаружение и анализ.
|
|
|
|
Ло говорит, что этот метод биосенсорики может в конечном итоге повысить эффективность инструментов диагностики рака, основанных на извлечении высококонцентрированных образцов из жидкостей.
|
|
|
|
"Технология, доступная в настоящее время для выявления раннего, бессимптомного рака до того, как опухоль станет видна во время визуализации, очень ограничена лишь несколькими видами рака", - сказал Ло. "Если скрининг на рак с использованием нашей технологии bubble в космосе станет демократичным и недорогим, то можно будет проводить скрининг гораздо большего числа случаев рака, и это принесет пользу всем. Возможно, мы сможем интегрировать это в ежегодные обследования. Это звучит неправдоподобно, но это достижимо".
|
|
|
|
Первый из серии лабораторных экспериментов на Международной космической станции (МКС), направленных на изучение того, как образуются и растут пузырьки на поверхностях с различной шероховатостью при кипении воды в космосе, по сравнению с процессом на Земле. В первоначальном эксперименте изучалось поведение пузырьков на одной поверхности, а в ходе второй итерации, проведенной в рамках 17-й миссии CRS компании Northrop Grumman, были изучены четыре различные поверхности.
|
|
|
|
Высокоскоростная камера, установленная в бортовом оборудовании, запечатлела процесс роста пузырьков, а затем команда Луо проанализировала видеозаписи с помощью компьютерного моделирования. Эксперимент был сосредоточен на двух фундаментальных факторах, влияющих на образование пузырьков: текстуре поверхности и движении окружающей жидкости. По словам Ло, результаты многообещающие, они показывают, что в космосе пузыри росли больше и быстрее, чем на Земле.
|
|
|
|
Понимание механизмов, лежащих в основе роста пузырьков в космосе, поможет Луо усовершенствовать его технологию извлечения веществ в чрезвычайно низких концентрациях из жидкостей, что, по его словам, является следующим шагом в обнаружении рака в образцах крови или мельчайших следов загрязняющих веществ в воде. Помимо применения на Земле, эта технология может способствовать экономичному освоению низкой околоземной орбиты и потенциально может сопровождать астронавтов во время освоения дальнего космоса для оценки источников воды на борту на предмет загрязнения или контроля состояния здоровья членов экипажа.
|
|
|
|
Разгадка физики пузырьков в космосе
|
|
|
|
Родом из Китая, Ло присоединился к Notre Dame после получения степени постдока в Массачусетском технологическом институте и в 2012 году основал лабораторию MONSTER (Молекулярные /наноразмерные исследования транспорта и энергии) для изучения энергии и переноса массы на молекулярном уровне.
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials Interfaces в 2020 году, Ло и его исследовательская группа использовали лазер для нагрева раствора, содержащего наночастицы, покрытые ДНК-биомаркерами. Они успешно заманили наночастицы в пузырьки, генерируемые лазером, и нанесли их на подложку, создав то, что Ло называет "островком концентрации высокой плотности".
|
|
|
|
Благодаря явлению, называемому потоком Марангони, наночастицы переносятся к поверхности пузырьков. Чем больше пузырь и чем дольше он находится в жидкости, не отрываясь от поверхности, тем более концентрированными становятся притягиваемые им вещества. Биомаркеры перемещаются по пузырьку к твердой поверхности, где они собираются вместе и готовятся к изучению. В этот момент Луо использует микроскопию, чтобы изучить пузырьки и определить, что осело на поверхности.
|
|
|
|
Чтобы вырастить "пузырьки большего размера, которые дольше держатся на поверхности", и сделать свои биосенсоры более чувствительными, Ло обратился к уникальным условиям микрогравитации на космической станции и заручился помощью Space Tango.
|
|
|
|
"Микрогравитация обеспечивает идеальную среду для изучения основ физики, устраняя одну из фундаментальных сил нашей Вселенной", - объяснил Тваймен Клементс, президент и соучредитель Space Tango. "На Земле на пузырьки влияют конкурирующие силы, такие как поверхностное натяжение и плавучесть, но на низкой околоземной орбите эти силы устраняются".
|
|
|
|
Space Tango сотрудничала с командой Luo в разработке индивидуального оборудования для обеспечения успеха проекта космических полетов.
|
|
|
|
"Для этого исследования команда разработала автоматизированный эксперимент, от систем удержания жидкости до высокоскоростных инструментов визуализации, которые работают в условиях микрогравитации и безопасно нагревают исследуемые жидкости на космической станции", - сказал Клементс. - Поскольку мы продолжаем совершенствовать наши технологии, эти усилия подчеркивают нашу приверженность расширению границ исследований в области гидродинамики для применения на благо человечества на Земле и за ее пределами".
|
|
|
|
Эксперимент проводился в новой CubeLab, автоматизированной платформе размером с обувную коробку, разработанной компанией Space Tango. Оборудование включает в себя четыре специализированные камеры для жидкости и системы визуализации с высоким разрешением, специально разработанные для наблюдения и анализа образования пузырьков в условиях микрогравитации. Эксперимент включал контролируемое введение различных жидкостей в камеры, что позволило исследователям изучить образование пузырьков, их рост и слияние в условиях микрогравитации.
|
|
|
|
"Мы обнаружили, что в космосе пузырьки образуются гораздо быстрее, чем на Земле. Например, в одном эксперименте пузырьки образовались за 4 минуты и 35 секунд в космосе, но на Земле это заняло в два раза больше времени из-за движения жидкости, охлаждающей область, известную как тепловая конвекция", - сказал Ло.
|
|
|
|
В космосе, при отсутствии плавучести и конвективного потока, динамика роста пузырьков резко меняется. На Земле плавучесть — тенденция предметов подниматься или опускаться в жидкости под действием силы тяжести — играет важную роль в образовании и росте пузырьков. Кроме того, конвективный поток, создаваемый движением горячей жидкости вокруг зоны нагрева, помогает регулировать температуру и замедляет рост пузырьков.
|
|
|
|
В условиях микрогравитации плавучесть практически отсутствует. Это означает, что пузырьки не отрываются от поверхности, что позволяет им расти в размерах, не причиняя вреда. Кроме того, без конвективного потока охлаждать зону нагрева нечему. В результате тепловая энергия концентрируется на меньшей площади, что приводит к гораздо более быстрому и крупному росту пузырьков, чем на Земле, говорит Луо.
|
|
|
|
Результаты его космических экспериментов успешно иллюстрируют эти концепции. Пузырьки не отрывались от поверхности, а лопались в конце, когда становились слишком большими. "Мы до сих пор не понимаем почему", - говорит Ло.
|
|
Воплощая мечты в реальные технологии
|
|
|
|
Проанализировав и подсчитав объем пузырьков, Ло и его команда определили, что космические пузыри могут быть на несколько порядков больше, чем земные. Ранее в этом году они опубликовали свои результаты в журнале Nature Microgravity.
|
|
|
|
На Земле Ло использовал свою технику для обнаружения нанопластика — в том числе из одноразовых кофейных стаканчиков, бутылок с водой и рыболовных сетей — в пробирке с океанской водой, которую он собрал у побережья Соединенных Штатов, что он описывает в другой недавней статье, опубликованной в журнале Science Advances.
|
|
|
|
"Мы находим некоторые виды частиц на глубине 300 метров в Мексиканском заливе в очень, очень низких концентрациях, но это дает нам представление о том, как выглядит нанопластик в нашей океанской среде", - говорит Ло.
|
|
|
|
Луо и его команда продолжат свои исследования в рамках предстоящего эксперимента, запуск которого запланирован на август. На этот раз команда проведет анализ распределения частиц, чтобы подтвердить, что более крупные пузырьки действительно увеличивают плотность собранных концентрированных наночастиц.
|
|
|
|
Лаборатория Space Tango CubeLab также претерпит некоторые изменения. Луо работает с компанией Space Tango над созданием безопасного и недорогого лазера для нагрева жидкости; наночастицы поглощают лазерный луч и преобразуют его в тепло. Нагрев суспензии наночастиц лазером позволяет лучше контролировать поток Марангони для повышения концентрации и сбора биомаркеров.
|
|
|
|
"Если соотношение концентраций будет пропорционально размеру пузырьков, мы сможем повысить чувствительность наших биосенсоров еще на три порядка", - говорит Луо. "Теоретически, это позволит нам выявлять рак на ранних стадиях".
|
|
|
|
Луо начинает задумываться о том, как воплотить эту мечту в реальность. По его оценкам, отправка около 10 000 образцов крови на космическую станцию обойдется в несколько сотен долларов. Конечно, это не покрывает стоимость полета космического корабля. Он надеется, что такие транспортные средства, как Starliner от Boeing, и будущие коммерческие космические направления помогут снизить стоимость скрининга на заболевания в космосе и еще больше демократизировать доступ.
|
|
|
|
Тем не менее, масштабирование этого процесса, чтобы сделать скрининг в космосе доступным для всех, является серьезным препятствием, которое необходимо преодолеть. В то же время эти эксперименты улучшают наше понимание физики жидкости вокруг поверхностных пузырьков в сложных средах. Применение этой технологии в экстремальных условиях, таких как концентрация частиц, размер пузырьков и скорость их роста, может принести пользу всем видам наземного скрининга. Это позволяет определить научные пределы обнаружения биомаркеров рака или загрязнителей окружающей среды.
|
|
|
|
И Ло говорит, что от этого выиграют не только люди на Земле. Мониторинг состояния здоровья астронавтов имеет решающее значение для длительных космических полетов, где раннее выявление изменений в состоянии здоровья может обеспечить их благополучие. Совершенствование технологии биосенсоров в космосе может привести к более точному и надежному мониторингу состояния здоровья, способствуя более безопасному освоению космоса.
|
|
|
|
По словам Джонатана Волка, директора по развитию бизнеса Voyager Space, коммерческой космической компании, специализирующейся на продвижении полетов в дальний космос, включая программы исследования Луны и Марса, а также на разработке Starlab, коммерческого космического центра, приложения двойного назначения, такие как биосенсорное оборудование Luo, обладают преобразующим потенциалом, который приносит пользу как исследованию космоса, так и технологиям на Земле. станция.
|
|
|
|
"Повышение доступности космоса имеет решающее значение для поощрения большего числа проектов, подобных проекту Tengfei", - сказал Волк, подчеркнув роль Национальной лаборатории ISS в воплощении дальновидных концепций в практические реальности.
|
|
|
|
"Чтобы заниматься наукой в космической среде, будь то физика или биология, необходимо инновационное мышление, и любая идея может показаться несбыточной мечтой", - говорит Волк. "Но как только мы осознаем возможности космической среды, то, что может показаться невозможным, может стать возможным".
|
|
|
|
Источник
|
