Tak jako si můžete koupit sedadlo v kosmické lodi Dragon, můžete koupit realizaci experimentu ve vesmíru, třeba na palubě Mezinárodní kosmické stanice, či malých biodružic. Vývojem a testováním v oblasti farmacie a biotechnologie, či lékařských technologií ve vesmíru se zabývá řada výzkumných firem. Vědci pochopili, že studium některých biologických procesů v mikrogravitaci má mnoho výhod. A tak ve vesmíru vznikají nové léky a technologie, které pak zlepšují kvalitu života pacientům na Zemi.

Výzkum ve vesmíru navrací zrak…

Jedním z příkladů je výzkumný projekt americké biotechnologické společnosti LambdaVision. Vědci se v laboratořích této společnosti zabývají vývojem umělé sítnice na bázi bílkovin. Jde v podstatě o malou tenkou fólii, která je pokrytá stovkami vrstev mikrobiálního světlem aktivovaného proteinu bakteriorhodopsinu. Aby to fungovalo, bylo potřeba, aby proteiny bakteriorhodopsinu byly vůči sobě orientovány stejným směrem. Problém však byl, že v laboratoři na Zemi se takovou fólii nedařilo vyrobit. Vědci měli podezření, že za jejich neúspěšnou snahou stojí zemská gravitace. Právě gravitace podle nich negativně ovlivňuje proces vrstvení, protože způsobuje sedimentaci proteinů v roztoku.

(ilustrační foto) Astronaut ESA (Evropské kosmické agentury) Alex Gerst používá mikroskop s připojenou kamerou Space Automated Bioproduct Laboratory (SABL) k dokumentaci růstu proteinových krystalů (PCG). Snímek byl pořízen v americké laboratoři Destiny na palubě Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) v rámci výzkumu krystalizace LRRK2 v podmínkách mikrogravitace-2 (CASIS PCG 16). (Foto: NASA)

Bylo 5. prosince 2018, když se na oběžnou dárhu vydala raketa společnosti SpaceX – Falcon 9, která v rámci mise CRS (Commercial Ressuply Services) 19 k Mezinárodní kosmické stanici vynesla nákladní loď Dragon s nákladem, který obsahoval kromě experimentu zkoumajícího možnosti tankování družic na oběžné dráze, lékařského experimentu zaměřeného na hojení ran, nebo na léčbu poruch sluchu (společnosti Tympanogen), také výzkumné vybavení pro zkoumání možností v konstrukci umělé sítnice společnosti LambdaVision. Experiment firmy LambdaVision využívá právě faktu, že v prostředí mikrogravitace jsou v tekutinách jen minimální konvekční proudy a téměř žádná sedimentace – podmínky výhodné nejen pro postup vrstvení proteinu bakteriorhodopsinu.

Monoklonální protilátky na ISS…

Ve stavu blízkém beztíži získáte kvalitnější krystaly, než jaké byste získali v procesu krystalizace na Zemi, což usnadňuje studium některých proteinů a zvyšuje jejich atraktivitu jako léků. Toho využívá například experiment, který byl realizován na palubě ISS s monoklonální protilátkou pembrolizumabem. Ten je klíčovou složkou populárního onkologického léku Keytruda společnosti Merck. Protože protilátky nejsou za standardních podmínek příliš rozpustné, léčiva jako Keytruda mají tendenci vytvářet při vysokých koncentracích viskózní roztoky a musí být podávána v zatěžujících, zdlouhavých a pravidelných nitrožilních infuzích. Pokud by však pembrolizumab měl podobu kompaktní krystalické suspenze, mohl by být podáván jednoduše injekčně. Vědci z farmaceutické společnost Merck zjistili, že chlazením pembrolizumabu na ISS vznikla homogenní populace částic, která ve skutečnosti poskytla lepší profil pro injekční aplikaci než heterogenní populace krystalů, kterou bylo možné získat na Zemi.

Vědci přesouvají laboratoř CubeLab obsahující experiment LambdaVision, který testuje výrobní systém využívající světlem aktivovaný protein, který nahrazuje funkci poškozených buněk oka v umělé sítnici. (Foto: Lambda Vision)

Vysoušení mrazem…

Svůj výzkumný projekt na palubě ISS má i farmaceutická společnost Eli Lilly. Experiment s názvem Lyofylizace v mikrogravitaci „Lyophilization in Microgravity (Eli Lilly-Lyophilization)“ si klade za cíl porozumění vlivu gravitace na fyzikální stav a vlastnosti lyofilizovaných materiálů. Lyofilizace (tj. „lyofilizační sušení“) je běžnou metodou pro formulaci farmaceutických léčivých přípravků se zvýšenou chemickou a fyzikální stabilitou a je použitelná pro farmaceutické přípravky s malými i velkými molekulami. Lyofilizované materiály se před podáním pacientům, obvykle intravenózní cestou, rekonstituují s vhodným ředidlem. Lyofilizaci materiálů vede proces zmrazování a následného sušení k vytvoření „vrstevnatého“ produktu, v němž materiál tvoří vrstvy, které se liší makroskopickou formou, jak je patrné z barvy a strukturních rozdílů, a také mikroskopickou formou, jak je patrné z velikosti částic a krystalické formy. Tato studie přispěje k pochopení základních vlastností, které ovlivňují fyzikální vlastnosti lyofilizovaných materiálů.

Moderní výzkumná technika…

Medicínský a biotechnologický výzkum na oběžné dráze přináší nové poznatky nejen na poli těchto oborů, ale zlepšuje samotnou technologii, která je k tomuto výzkumu a vývoji využívána. Někteří výrobci se například zaměřují na vývoj tzv. „CubeLabs“, miniaturních automatických laboratoří, které vědci na Zemi připraví k letu a astronauti je pak na oběžné dráze jednoduše aktivují a tato zařízení pak provádějí experimenty sama.  Tento přístup jednak výrazně šetří vzácný čas posádky na palubě kosmické stanice a také umožňuje nalézání nových cest v oblasti automatizace například rutinních laboratorních úkonů např v komerčních laboratořích.

Astronaut ESA Thomas Pesquet instaluje přístroj MME-2, který testuje řadu léků, aby zjistil, zda mohou zlepšit zdravotní stav ve vesmíru a případně vést k novým terapeutickým cílům, které by bylo možné zkoumat na Zemi. (Foto: NASA)

Vyplatí se to?…

Řekněme si to otevřeně. Náklady na tento druh výzkumu jsou velmi vysoké a pokrok je velmi pomalý. Je běžné, že jeden biotechnologický, či medicínský experiment realizovaný na palubě ISS může přijít přibližně 7,5 milionů dolarů. A tak farmaceutickým společnostem velmi pomáhá, že nemalou část výzkumných nákladů mohou financovat z různých grantových programů. V USA tyto úkoly plní např. Centrum pro rozvoj vědy ve vesmíru (CASIS) – nezisková organizace, která spolupracuje s NASA na správě americké národní laboratoře na ISS. Grantové příležitosti však nabízí i ESA a řada dalších nadací, organizací, ale i firem (např. Boeing).

Kosmický výzkum na Zemi…

Co se nákladů a samotných výzkumných metod týče, je potřeba si uvědomit ještě jednu důležitou věc. Experiment na oběžné dráze není většinou realizován sám o sobě. Spolu s ním je realizovaná celá řada kontrolních experimentů na Zemi, což vyžaduje moderní pozemskou výzkumnou infrastrukturu. Samotný experiment na oběžné dráze je tak jen jedním z koleček komplikovaného soukolí. Stejně velkými výzvami jako jsou výzvy vědecko-technické, jsou v tomto odvětví i výzvy manažerské. Velice náročná je nejen fáze administrace experimentu, tak aby se do výběru dostal a splňoval všechny technické a bezpečnostní požadavky. Je třeba také „ohlídat“ aby byl experiment správně realizován a ani například návrat vzorků na Zemi není bez problémů.

Privatizace letů do vesmíru…

Na závěr si zde položme otázku, jestli má toto odvětví výzkumu budoucnost? Já se domnívám, že i přes všechny počáteční problémy má. Nejdůležitějším aspektem je v této souvislosti snížení nákladů. Toho by se dalo v kratším horizontu dosáhnout například zvýšením pravidelnosti a počtu letů k ISS, se kterým ve svých záměrech operuje Elon Musk. Z dlouhodobějšího hlediska se však musíme ptát, co bude po ISS. Jako zajímavý se v této souvislosti jeví například projekt společnosti Axiom Space, která chce na oběžné dráze postavit komerční kosmickou stanici. Ve svých plánech společnost zahrnuje také záměr nabízet stanici jako platformu pro výzkum a vývoj v podmínkách mikrogravitace. Komerční vesmírná stanice by podle společnosti Axiom Space mohla firmám pomoci dosáhnout průlomu, nebo získat rozhodující konkurenční výhodu při vývoji. Jako příklad společnost uvádí velkou výhodu mikrogravitace.

Vícekomorová krystalizační deska s porézními plastovými vložkami. Jde o součást experimentu s názvem Lyofylizace mikrogravitaci „Lyophilization in Microgravity (Eli Lilly-Lyophilization)“ který si klade za cíl porozumění vlivu gravitace na fyzikální stav a vlastnosti lyofilizovaných materiálů. (Foto: Kristofer Gonzalez-DeWhitt/NASA)

Absence sedimentace v mikrogravitaci totiž umožňuje výzkumníkům kombinovat libovolné množství látek, jejichž rovnoměrné smíchání by bylo na Zemi extrémně náročné nebo nemožné. Absence vztlakových sil v kosmické lodi na oběžné dráze eliminuje konvekční proudy – gravitační pohyb kapalin způsobený teplotními gradienty a rozdíly v hustotě. Mikrogravitace umožňuje snadnou levitaci materiálů, což eliminuje potřebu kontejnerů. Zpracování bez kontejnerů poskytuje ultračisté prostředí bez kontaminantů pro výrobu nebo studium materiálů v roztaveném stavu. Využít lze také toho, že zatím co v gravitačním poli tlačí hmotnost kapaliny nahoře na kapalinu pod ní (což vede k hydrostatickému tlakovému gradientu), v mikrogravitaci je hydrostatický tlak téměř eliminován, takže převládají sekundární síly, jako je difúze a povrchové napětí. Když se například v mikrogravitaci odstraní silnější síly, jako je hydrostatický tlak, mohou převládnout slabší síly, jako je povrchové napětí, které pak řídí chování kapalin. V mikrogravitaci jsou také např. snížena smyková napětí. Ta běžně na Zemi vznikají v důsledku tangenciálního napětí, které je způsobeno reakčními silami na stěnách nádoby s kapalinou a/nebo hmotností kapaliny. Toho všeho lze ve výzkumu a vývoji využívat.

První kosmická mise (Ax-1) společnosti Axiom proběhne ještě letos. Na palubě ISS bude provedena řada komerčních experimentů které vznikly např. na klinice Mayo, nebo Cleveland Clinic. Po ukončení provozu ISS chce společnost Axiom provozovat první volně létající, soukromě vyvinutou a mezinárodně dostupnou vesmírnou stanici na světě – centrální uzel sítě výzkumu, výroby a obchodu na nízké oběžné dráze.

In-Space Manufacturing (ISM) – budoucnost komerčního využívání vesmíru…

V éře pozvolně se rozjíždějící privatizace letů do vesmíru je In-Space manufacturing, jednou ze zajímavých oblastí podnikání budoucnosti. Pro medicínu, farmaceutický průmysl a biotechnologie se ve vesmíru otevírají netušené možnosti rozvoje v oblastech které povedou ke zlepšení kvality života nás všech.

Zdroje informací:
https://www.the-scientist.com/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
https://www1.grc.nasa.gov/
https://www.axiomspace.com/

Zdroje obrázků:
https://pbs.twimg.com/media/EVVNE_aWkAEzch-.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/casis_0.jpg
https://www.nasa.gov/…/image/2_promocubelab_lambdavision_copy.jpg
https://www.nasa.gov/…/research/news/SpX22_return_research_highlights
https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/casis_pcg_4-1