El impacto de la gravedad en las células óseas: experimentos que se dirigen a la Estación Espacial Internacional
Ingenieros mecánicos de la Universidad de Michigan abordan los misterios de la pérdida de densidad ósea en el espacio y en la Tierra
Preguntas y respuestas de la facultad
Temprano esta mañana, un par de experimentos que exploran la densidad ósea, diseñados por ingenieros de la Universidad de Michigan, partieron de la plataforma de lanzamiento en Wallops Island, Virginia, a bordo de un cohete de Northrop Grumman Corp. Antares para la Estación Espacial Internacional (ISS).
allen liuprofesor asociado de ingeniería mecánica en la UM, y miembros de su equipo de investigación detallan cómo los experimentos en el espacio pueden arrojar luz sobre la osteoporosis, una enfermedad que afecta a cientos de millones de personas en todo el mundo, así como sobre cómo garantizar la seguridad de los astronautas.
¿Cuál es la conexión entre la densidad ósea, la osteoporosis y la gravedad que hace que esta investigación espacial sea relevante para la gente común?
Allen Liu: La osteoporosis debilita y hace que los huesos se vuelvan quebradizos a medida que las personas envejecen, causando fracturas incluso con distensiones leves y caídas. Se estima que hay 10 millones de casos en los Estados Unidos y otros 43 millones con signos de baja densidad ósea.
Un entorno sin peso, o microgravedad, puede provocar cambios fisiológicos en los huesos y presenta un entorno de investigación único sin las típicas tensiones mecánicas de la gravedad. También cambia rápidamente la forma en que las células crecen y funcionan sin el uso de medicamentos o ingeniería genética.
La rigidez de una célula puede decirnos su edad biológica, predecir cómo puede disminuir su función o su susceptibilidad a enfermedades crónicas con el tiempo. Estamos probando la hipótesis de que cuando las células no repelen la gravedad, esta reducción de la rigidez las hace susceptibles al mismo tipo de cambios que vemos en la osteoporosis. Pero también creemos que podemos prevenir estos efectos sobre la salud comprimiendo mecánicamente las células de una manera que imite la gravedad.
¿Cómo vas a ver la rigidez de las células en el espacio? ¿Qué puede decirte esto sobre los astronautas?
Nadab Wubshet, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica: Tenemos la hipótesis de que la ausencia de gravedad puede inducir el ablandamiento de las células, lo que podría ser la causa de la pérdida ósea observada en los astronautas después de largas estancias en la ISS. Los astronautas hacen ejercicios de resistencia a bordo para crear el efecto de compresión que no existe sin la gravedad.
Para probar la rigidez de las células en la ISS, utilizamos un dispositivo de microfluidos automatizado que utiliza fluidos para atrapar células individuales y aumentar lentamente la presión sobre cada célula para inducir la tensión. Los marcadores fluorescentes le permiten ver su forma en cada nivel de presión. Nuestro dispositivo también está integrado en un sistema que toma instantáneas y videos que nos permiten recopilar datos para medir la rigidez celular.
¿Cómo podría esto beneficiar la salud humana?
Wubshet: Si nuestra hipótesis resulta correcta, nuestros resultados proporcionarán una excelente perspectiva de cómo los cambios en las fuerzas físicas, como la gravedad, afectan las características mecánicas de las células óseas y la formación ósea. Una mejor comprensión del impacto de las fuerzas nativas, como la gravedad, en la formación ósea podría proporcionar información sobre mejores diagnósticos y tratamientos para las personas que luchan contra la caries ósea.
Pero las aplicaciones en el espacio también son importantes, especialmente dado el creciente interés en la exploración espacial que podría tener astronautas en microgravedad durante períodos de tiempo más largos. Esperamos desarrollar soluciones para mantener la densidad ósea de estos astronautas.
En el segundo experimento, intentas reducir el deterioro de las células óseas. qué esperas aprender?
Grace Cai, estudiante de doctorado en física aplicada: Las células que llamamos «células óseas» son osteoblastos, que depositan minerales y proteínas para formar hueso cuando y donde más se necesita. En nuestro estudio, investigamos cómo la microgravedad afecta la actividad de los osteoblastos.
Las células en microgravedad experimentan una tensión celular baja y podemos aumentar la tensión celular aplicando compresión mecánica. Al colocar grupos esféricos de células de osteoblastos humanos en condiciones de ingravidez y aplicar compresión, podemos probar si esto promueve el desarrollo y mantenimiento de las células óseas, al tiempo que previene la pérdida ósea.
¿Cómo se devolverán las muestras a la Tierra y cómo cree que su análisis beneficiará a los futuros astronautas?
Cai: Si bien el primer experimento se administrará en la ISS, las muestras de este segundo experimento serán devueltas a la Tierra por SpaceX CRS-26 en enero para su análisis. Nuestros hallazgos aquí deberían arrojar luz sobre si los trajes espaciales y las prendas de compresión podrían prevenir la pérdida ósea y mejorar la salud ósea en los astronautas expuestos a condiciones de microgravedad. Estos tipos de tecnologías podrían ayudar a proteger a las tripulaciones que viajan hacia y desde la ISS, así como a otros destinos.
Además de informar la investigación sobre la osteoporosis en la Tierra, anticipamos que nuestros hallazgos probablemente serán relevantes para otras enfermedades y cánceres relacionados con la edad. La mecánica celular y las arquitecturas que construyen las células, que son de fundamental importancia para nuestro propio estudio, también son importantes en estas áreas.
¿Cuáles son las cosas más interesantes que ha aprendido como ingeniero mecánico planificando experimentos para el espacio?
Liu: Uno de los desafíos de trabajar en un entorno de microgravedad es que todo es ingrávido, por lo que la manipulación de fluidos se vuelve extremadamente difícil. Todo debe estar cerrado y nuestras células deben mantenerse en una bolsa en lugar de en una placa de Petri. Y debido a que el espacio es limitado en la ISS, cada experimento se empaqueta en un pequeño contenedor CubeLab, de aproximadamente 6,3″ de alto, 8,2″ de largo y 12,3″ de ancho.
Como investigador, creo que estamos acostumbrados a las incertidumbres, pero esto es muy diferente. Muchas cosas pueden salir mal con un experimento en la Tierra, y es aún más difícil llevar a cabo el experimento en el espacio. ¡Esperamos que los experimentos transcurran sin problemas, y me alegro de haber hecho el vuelo!
El estudio está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y patrocinado por el Laboratorio Nacional de la ISS, en colaboración con Space Tango.
