Il 23 Novembre 2014, Samantha Cristoforetti, la prima astronauta italiana, sarà in orbita a bordo della Stazione Spaziale Internazionale ISS con un carico di ben dieci esperimenti scientifici che valuteranno da una parte alcuni processi di degenerazione che avvengono sulla Terra sul lungo periodo e dall’altro l’impatto sulla vita del volo in assenza di gravità, quello che dovrebbe portarci a colonizzare i pianeti del sistema Solare.
Il laboratorio spaziale, in condizioni di microgravità, accelera tutti i processi che avvengono sulla Terra permettendo di analizzare in tempi più brevi ciò che avviene per lunghi tempi.
I programmi speriementali del primo tipo sono: Nato, che verificherà le contromisure per l'osteoporosi lavorando sul tessuto osseo a livello di nanoparticelle; Drain brain, che si occuperà invece di realizzare un nuovo strumento diagnostico per le malattie neurodegenerative, in particolare la sclerosi a placche, osservando in microgravità il ritorno venoso dal cervello al cuore; Cytospace, che studierà la struttura del citoscheletro della cellula nello spazio; Bone/Muscle check che validerà un sistema semplice e innovativo per quantificare lo stato di debilitazione ossea tramite un prelievo salivare.
I programmi del secondo tipo sono una serie di esperimenti espressamente pensati per la cura e il miglioramento delle condizioni di vita degli astronauti a bordo dell’ISS. Wearable monitoring si occuperà della qualità del sonno; Blind and Imagined (Slink) si occuperà dell’equilibrio e dei movimenti degli astronauti; Viable monitorerà la presenza di funghi e batteri negli ambienti della Stazione; Orthostatic Tolerance avrà il compito di sviluppare contromisure favorevoli alla salute dopo il rientro a Terra basate su allenamenti fisici specifici.
Siccome ogni buon laboratorio si distingue anche dalla qualità del suo caffè, ci sarà una macchinetta per l’espresso denominata ISSpresso e, per finire, una stampante 3D, la via italiana alla stampa tridimensionale in orbita.
Sono tutti esperimenti di grande interesse pubblico, anche il caffè in orbita e la stampante 3D. Tuttavia la curiosità mi ha spinto ad approfondire i vari progetti per cercare di capire di più l’impatto sulla salute di ogni cittadino. In questo articolo parlerò del progetto Cytospace, per l’impatto immediato che avrà sulla salute di ognuno di noi.
Il progetto si propone di definire un modello teorico-sperimentale in grado di determinare l’influenza del fattore fisico microgravità sull’espressione genica, influenza che si esercita attraverso la modificazione della forma cellulare. È diretto da Alessandro Palombo del Dipartimento di Medicina Clinica e Molecolare dell’Università La Sapienza di Roma, unitamente al Laboratorio di Biologia dei Sistemi della stessa Università e vede la Kayser Italia S.r.l. Livorno, una pmi, come partner industriale.
In questi ultimi anni si è sviluppata una branca della scienza denominata Systems Biology. Questa è una disciplina intesa a promuovere una ricomposizione della conoscenza in biologia ridefinendo il concetto di sistema biologico, inteso come unità integrata di enti osservabili, collegati tra loro attraverso relazioni quantificabili. Il modello al centro dell’osservazione torna a essere la cellula e le popolazioni cellulari, insieme al relativo microambiente, perché in biologia i livelli subordinati al microambiente sono assolutamente incapaci di soddisfare i requisiti imprescindibili per la vita: replicazione, evoluzione e differenziamento, si pensi al tuorlo dell’uovo che senza l’albume non può dare origine al pulcino. L’approccio di SB tende a promuovere una visione organica che sappia coniugare prospettive di causalità complesse non immediatamente assimilabili ai concetti classici di causalità deterministica ma che, al pari di quanto avvenuto in fisica, si avvicinino al concetto di causalità probabilistica.
La SB considera che il flusso d’informazione dipenda da un mix di segnali molecolari (DNA, proteina, lipidi etc..) e fisici (parametri di stato del sistema: forze, vincoli termodinamici), che interagiscono tra di loro attraverso una dinamica non-lineare. Per capire queste interazioni è necessario, da una parte, poter disporre di dati su cui sia possibile condurre valutazioni di tipo statistico il che è reso possibile attraverso tecniche di genomica, proteomica, metabolomica, analisi frattale, etc. suscettibili di fornire grandi quantità d’informazioni; dall’altra, è necessario capire quanto pesino le forze fisiche quali lo sforzo tangenziale, la rigidità, la tensione superficiale, le interazioni gravitazionali propriamente dette, nel determinare i destini dei sistemi biologici complessi.
Queste forze interferiscono e modificano il citoscheletro cellulare, determinando stravolgimenti di forma e soprattutto producono una lunga cascata di reazioni biochimiche che interessano pressoché tutte le principali funzioni cellulari. È verosimile come il progresso nelle conoscenze di base si possa quindi tradurre in un parallelo progresso nella terapia di numerose affezioni in cui il citoscheletro e la forma cellulare sono coinvolti: dalle patologie del connettivo, all’osteoporosi, al cancro.
In una situazione di microgravità le cellule mostrano cambiamenti nell’architettura cellulare e nel citoscheletro, così come modifiche biochimiche e genetiche. Questi cambiamenti comportano in ultimo un’alterazione delle funzioni biologiche e fisiologiche che si traducono in cambiamenti della forma e conseguentemente dell’espressione genica che può portare alle malattie succitate.
In accordo con tale ipotesi, un’ampia alterazione del profilo di espressione genica potrebbe essere considerata come una conseguenza successiva a un riarrangiamento strutturale globale delle cellule esposte alla microgravità; anche se tale correlazione è stata parzialmente stabilita simulando in ambiente terrestre gli effetti della microgravità con macchine RPM (Random Positioning Machine).
Di là della rilevanza teoretica di questo tipo di relazioni, la dipendenza dei cambiamenti genetici dalla stabilità strutturale e morfologica della cellula può implicare che alcuni effetti della microgravità potrebbero essere neutralizzati stabilizzando il citoscheletro. Essendo stato dimostrato che la manipolazione sperimentale e farmacologico/nutrizionale del microambiente preserva la conformazione del citoscheletro e la forma cellulare, si può ipotizzare che tali approcci possano contrastare efficientemente i cambiamenti citoscheletrici e morfologici associati alla microgravità o ai fenomeni che l’hanno indotta.
Molte funzioni all’interno della cellula sono espletate grazie al citoscheletro, un reticolo di filamenti proteici distribuiti in tutto il citoplasma delle cellule. Il citoscheletro conferisce un elevato livello di organizzazione e costituisce l’impalcatura dinamica grazie alla quale le cellule assumono e mantengono una forma complessa. Esso svolge un ruolo fondamentale nei processi di motilità cellulare, ciclo cellulare, divisione cellulare e nel trasporto degli organelli citoplasmatici.
La microgravità altera l'architettura del citoscheletro – e quindi la forma cellulare – modificando in questo modo i numerosi cammini intracellulari.
Il modello sperimentale sarà realizzato mediante l’uso di una linea cellulare di adenocarcinoma mammario umano (MCF7). Le MCF7 sono cellule tumorali non metastatiche provenienti da tessuto epiteliale mammario, estrogeno responsive. Essendo cellule tumorali si differenziano da quelle epiteliali per la perdita delle caratteristiche funzionali, morfologiche e citoscheletriche tipiche dell’epitelio mammario.
Le cellule saranno coltivate in microgravità reale sia in terreno di controllo sia in presenza di un terreno sperimentale addizionato con melatonina. La melatonina, agendo come modulatore del citoscheletro, potrebbe contrastare l'alterazione del citoscheletro indotta della microgravità. Tale effetto sarà misurato tramite analisi morfologica e valutazione dell’espressione genica dei geni legati al citoscheletro. Siamo di fronte ad esperimento che se darà i risultati sperati potrà essere utilizzato per curare varie patologie oncogenetiche.
