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L’ESPERIMENTO STROMA
L’obiettivo dell’esperimento STROMA è lo studio dell’effetto che la microgravità e le radiazioni spaziali hanno sul midollo osseo. È infatti noto che a causa della permanenza nello spazio, gli astronauti soffrono la riduzione di densità e la decalcificazione delle ossa, fenomeno noto in medicina come osteoporosi. I risultati di questa missione permetteranno di comprendere meglio il problema di tale malattia, grazie al fatto che l’ambiente spaziale ne causa una accelerazione. L’ambiente spaziale viene considerato quindi un “modello sperimentale accelerato del fenomeno di osteoporosi”. [1]
Sulla terra questa malattia affligge moltissime persone. Basti pensare che il 15% degli uomini e il 40% delle donne con un’età superiore ai 60 anni è colpita da osteoporosi. Il calcio svolge importanti funzioni a livello delle membrane cellulari, cardiache, nervose e per la coagulazione sanguigna. Per questo, la quantità di ioni calcio presenti nel sangue, deve essere sempre mantenuta entro determinati valori. Le ossa rappresentano un enorme serbatoio di questo ione e hanno quindi un’importante funzione nel tenere costante la concentrazione di calcio nei liquidi corporei. Infatti, nel caso vi sia carenza di calcio nel sangue, questo viene fornito dalle ossa, mentre, in caso di eccesso, questo ione viene depositato nelle ossa del nostro scheletro.
Il tessuto osseo cresce e si rigenera grazie all’attività di due classi di cellule: osteoclasti e osteoblasti. L’esperimento STROMA permetterà ai biologi di verificare in che percentuale la riduzione di calcio nelle ossa è causata dalla diminuzione dell’attività degli osteoblasti o dell’attività degli osteoclasti o se di entrambe.
Il bioreattore STROMA ha il compito di mantenere in vita le cellule poste al suo interno mediante il ricambio dei fluidi effettuato in maniera automatica da cinque pistoni a istanti prefissati ogni 50 ore partendo dal momento dell’integrazione nel veicolo di lancio.
La cella microfluidica, altresì chiamata bioincubatore, su cui si basa l’esperimento STROMA, consente di alloggiare le cellule staminali accresciute in laboratorio su un supporto ceramico ed effettuare in maniera automatica le operazioni di:
• Tre ricambi del liquido di coltura delle cellule.
• Un lavaggio delle cellule.
• Bloccare la crescita, prima del rientro sulla terra, per consentire la successiva analisi in laboratorio (estrazione RNA).
Il bioreattore, inserito in un Experiment Container,è stato installato in un incubatore, il KUBIK, e poi trasportato a bordo della International Space Station (ISS) a fine Marzo 2006.
L’incubatore dispone di una zona “fissa” in cui le celle sono sottoposte a microgravità e a radiazioni spaziali, e di una centrifuga che ha il compito di simulare la gravità terrestre (9.81 m/s2).
Le celle disposte dentro la facility sono così suddivise :
• 2 all’interno della centrifuga
• 8 all’esterno della centrifuga
L’esperimento si svolge quindi su tre differenti scale ambientali:
• Ground Experiment, condotto con 10 celle presso il laboratorio di Medicina Rigenerativa dell’Istituto Nazionale per la Ricerca sul Cancro presso l’Università di Genova. Quest’ultimo diretto dal prof. Cancedda [1], è il centro di ricerca che ha ideato e conduce il programma scientifico.
In orbita
• 2 celle esposte alle radiazioni dello spazio e mantenute a una gravità simulata di 9.81 m/s2, grazie alla centrifuga dell’incubatore KUBIK.
• 8 celle in condizioni di microgravità ed esposte all’ambiente spaziale, alloggiate in altrettanti slot fissi all’interno del KUBIK per quantificare l’attività genetica sviluppata durante i 10 giorni di missione e fare quindi un’analisi differenziale in base alle tre scale ambientali sopra citate.
Al rientro dei campioni biologici a terra le cellule verranno sottoposte ad un processo di estrazione dell’RNA. Il risultato di tale analisi differenziale guiderà i biologi nell’approfondimento del processo di osteoporosi.
Per consentire l’esecuzione dell’esperimento, come sopra descritto, sono stati definiti i seguenti requisiti tecnico-scientifici per la realizzazione del Bioreattore STROMA:
• Esecuzione dell’esperimento secondo la timeline rappresentata in Figura 1-1 e riassunta in Tabella 1-1.
• Le prime tre attivazioni e il fluido iniziale con cui le cellule sono caricate all’integrazione, costituiscono il terreno di coltura per la crescita delle cellule.
• La quarta attivazione, eseguita dopo 4 periodi di incubazione di cinquanta ore circa intervallati dalle tre attivazioni di cui al punto precedente, esegue il lavaggio delle cellule.
• La quinta attivazione, da eseguire entro dieci minuti dal lavaggio arresta la crescita delle cellule consentendo l’estrazione del RNA una volta riportate le celle in laboratorio.
• Ogni attivazione deve garantire un ricambio del liquido nella camera di coltura dove sono alloggiate le cellule pari almeno al 75%.
• La camera di coltura e ogni reservoir contenente i fluidi per le attivazioni devono avere un volume minimo di 1 ml.
• Non devono sussistere contaminazioni fra i liquidi prima dell’attivazione e fra di essi e i liquidi recuperati dallo svuotamento della camera di coltura.
• L’escursione della timeline deve avvenire in automatico, cioè senza l’intervento degli astronauti, ed essere controllata da un timer a step di un secondo e memorizzata ogni minuto.
• La timeline deve essere eseguita a partire dalla prima accensione delle facility KUBIK e in caso di spegnimento della facility deve interrompere il conteggio, bloccare le attività della cella per poi ripartire dall’ultimo valore di tempo memorizzato, quando l’alimentazione viene nuovamente fornita.
La realizzazione della cella per l’esperimento STROMA, prende origine dalla cella realizzata per la missione Shuttle STS-107 del Febbraio 2003 conclusasi purtroppo tragicamente con la distruzione dello Shuttle Columbia; rispetto alla configurazione
usata sul Columbia sono state apportate molte modifiche architetturali alla cella microfluidica sia per quanto riguarda i materiali che per quanto riguarda l’elettronica di controllo.
Figura 1-1 STROMA Timeline
PL# 1 PL# 2 PL# 3 PL# 4 PL# 5 hh.mm.ss hh.mm.ss hh.mm.ss hh.mm.ss hh.mm.ss STR-1 50.00.00 100.00.00 150.00.00 200.00.00 200.10.00 STR-2 50.10.00 100.10.00 150.10.00 200.20.00 200.30.00 STR-3 50.20.00 100.20.00 150.20.00 200.40.00 200.50.00 STR-4 50.30.00 100.30.00 150.30.00 201.10.00 201.20.00 STR-5 50.40.00 100.40.00 150.40.00 201.30.00 201.40.00 STR-6 50.50.00 100.50.00 150.50.00 201.50.00 202.00.00 STR-7 51.00.00 101.00.00 151.00.00 202.10.00 202.20.00 STR-8 51.10.00 101.10.00 151.10.00 202.30.00 202.40.00 STR-9 51.20.00 101.20.00 151.20.00 202.50.00 203.00.00 STR-10 51.30.00 101.30.00 151.30.00 203.10.00 203.20.00
Tabella 1-1 Stroma Timeline. Le attivazioni sono riferite alla prima accensione della facility KUBIK eseguita 12 ore prima del lancio
Quest’ultima dipende strettamente dal tipo di incubatore in cui la cella viene inserita, nella precedente missione era l’incubatore a inviare alle celle i vari comandi di attivazione, mentre nella missione attuale l’incubatore fornisce soltanto l’alimentazione ed è l’elettronica a bordo della cella a controllare tutto l’esperimento.
Si è inoltre reso necessario l’utilizzo di nuovi materiali per la realizzazione del corpo della cella, questo perché uno dei problemi saltuariamente riscontrato nella cella per STS-107 era un’eccessiva frizione fra i pistoni e la camera a causa di un’interazione fra il materiale del pistone, della camera e dei fluidi contenuti.
Nella scelta di nuovi materiali si è dovuto tenere inoltre conto della necessità che tali materiali non contaminino i fluidi biologici o le cellule. Per questo motivo sono state eseguite una serie di prove di compatibilità biologica e fisica dei materiali impiegati. Ultimo requisito per la progettazione della cella, è il rispetto delle regole di sicurezza per l’impiego a bordo della ISS, e fra questi il più importante è il livello di contenimento dei fluidi che la struttura deve garantire. In base alla tossicità dei fluidi impiegati devono essere garantiti due livelli di contenimento. Il primo livello è garantito dall’Experiment Container (EC), che oltre ad alloggiare la cella STROMA consente di interfacciarsi con la facility KUBIK; il secondo livello è garantito dalla stessa cella microfluidifica STROMA, descritta nei prossimi capitoli.
