¿Envejecer más despacio en el espacio?

Aplicación de la microscopía en un minisatélite espacial para el estudio de células humanas

Dada la creciente importancia de la exploración espacial, cada vez hay más astronautas frecuentando el espacio. Pero ¿cómo afecta la ingravidez al envejecimiento del cuerpo humano? ¿Cómo se desarrollan determinadas células en condiciones de miligravedad y microgravedad, como las que se dan en pequeñas lunas y asteroides? El Swiss Artificial Gravity Experiment (SAGE) se está ocupando de investigar esta cuestión. Un equipo de estudiantes procedentes de varias universidades suizas miembros de la iniciativa ARIS (Academic Space Initiative Switzerland) se ha propuesto investigar cómo se altera el proceso de envejecimiento del ser humano en el espacio y cómo influye la senescencia celular en el desarrollo del envejecimiento y de los trastornos asociados a la edad. Estos jóvenes investigadores están diseñando una plataforma satelital para un experimento biológico que debe cumplir unos requisitos extremadamente exigentes. Este sistema estará totalmente automatizado y servirá de banco de pruebas de larga duración en las condiciones que hay en el espacio y hará las veces de centrífuga de las líneas celulares humanas que se estudiarán. El elemento clave de esta solución CubeSat es un microscopio de fluorescencia equipado con un chip microfluídico y una cámara USB3 de alta resolución de la familia uEye XLE.

En el cuerpo humano se producen procesos de envejecimiento a nivel celular; es lo que se conoce como senescencia. Se trata de un fenómeno en el que las células dejan de dividirse y liberan factores inflamatorios. "A partir de las investigaciones de la NASA y de muchos otros grupos de todo el mundo, hay razones para creer que las células envejecen más lentamente en ingravidez que en la Tierra. Este efecto puede medirse por determinadas proteínas y por el ARNm que se hacen presentes durante el envejecimiento celular. Los ARN mensajeros (ARNm) han demostrado ser factores esenciales en la contribución a la senescencia celular o en su inhibición. Este ARNm puede marcarse con un marcador fluorescente y hacerse visible bajo la luz adecuada. Todo el experimento se lleva a cabo durante un período de 2 meses en un espacio volumétrico de sólo 10 cm3 . Para medir y analizar los procesos en estas condiciones necesitamos un microscopio de fluorescencia especialmente fiable y compacto", explica Jonas Schlör, ingeniero de sistemas de carga útil de SAGE.

El Cubesat SAGE debe soportar las cargas físicas y las oscilaciones de temperatura y de la intensidad de la radiación en el espacio.
El Cubesat SAGE debe soportar fuertes cargas físicas durante el lanzamiento al espacio y, posteriormente, las oscilaciones de temperatura y de la intensidad de la radiación.
Microscopio de fluorescencia con cámara board level USB3 uEye XLE. La pantalla muestra las células capturadas.
Microscopio de fluorescencia con cámara board level USB3 uEye XLE de IDS. La pantalla muestra las células capturadas por la cámara.

Para los ensayos de laboratorio se utilizó un microscopio que llevaba una cámara U3-38J1XLE-C-HQ incorporada. Esta cámara captura el ARNm fluorescente en células humanas colocadas en un chip microfluídico. Los chips microfluídicos permiten miniaturizar e integrar funciones de laboratorio complejas en un único chip. Esta metodología ahorra espacio y reduce el número de muestras necesarias. Los chips microfluídicos contienen microcanales grabados o moldeados por los que discurre el fluido que se desea analizar. El uso de canales microfluídicos permite obtener volúmenes muy pequeños de muestras. Gracias a la alta resolución de la cámara con el sensor rolling shutter IMX415 de Sony es posible distinguir unas células de otras. En concreto la alta densidad de píxeles del sensor permite visualizar células con un diámetro de tan solo 15 μm. Un LED azul estimula las células en un chip microfliódico. Éstas emiten una luz verde de intensidad variable en función de la tasa de senescencia. Un filtro óptico deja pasar por el objetivo hasta la cámara solo la luz verde de las células. Este método permite determinar no sólo la tasa general de senescencia de las células, sino también el número específico de células vivas.

"La cámara cuenta con numerosas opciones de ajuste asociadas al software, como los tiempos de exposición o los filtros de color, lo que permite mantener un alto grado de flexibilidad durante todo el proceso de diseño."

— Jonas Schlör, SAGE Payload Engineer —
Esquema de microscopio para investigación celular con cámara uEye XLE, chip microfliódico y LED
Esquema de microscopio para investigación celular con cámara uEye XLE, chip microfliódico y LED
La cámara capta células humanas que emiten diferentes cantidades de luz verde en función de la tasa de senescencia
Las células emiten una luz verde de intensidad variable en función de la tasa de senescencia.

"Los datos obtenidos son muy significativos y científicamente relevantes, dado que hasta el momento nunca se había llevado a cabo una investigación de estas características", explica Jonas Schlör. Este método permite además prescindir de los complejos aparatos que suelen ser necesarios con el uso de microscopios de fluorescencia, además de ahorrar mucho espacio. "La cámara cuenta también con numerosas opciones de ajuste asociadas al software, como los tiempos de exposición o los filtros de color, lo que permite mantener un alto grado de flexibilidad durante todo el proceso de diseño." También debe estar a la altura de las duras condiciones del entorno exterior. Entre ellas, las intensísimas vibraciones del lanzamiento al espacio y, por supuesto, las condiciones en órbita en vacío y la radiación cósmica.

Con 8,41 megapíxeles y una resolución 4K, la U3-38J1XLE Rev.1.1 resulta especialmente indicada para este tipo de tareas de visualización. Con la función de binning 2x2 es posible reducir cuatro veces, si es necesario, la cantidad de datos a transmitir y aumentar así tanto la sensibilidad a la luz como la frecuencia de imagen. El sensor rolling shutter IMX415 de Sony proporciona datos de alta resolución para un análisis detallado de las imágenes. Gracias a un diseño extremadamente compacto, la cámara IDS puede integrarse de forma óptima en esta aplicación embebida. La cámara está controlada por un microcontrolador que procesa y comprime los datos en el satélite antes de que se envíen a la Tierra. Tanto el software como los algoritmos de control están siendo desarrollados y probados por los propios estudiantes de la Academic Space Initiative Switzerland.

Cámara USB3 de alta resolución de la familia uEye XLE de IDS
Cámara USB3 de alta resolución de la familia uEye XLE de IDS

Los requisitos que deben cumplir tanto el sistema como CubeSat son muy elevados: este último debe proporcionar los puntos de fijación de los subsistemas y componentes y garantizar la estabilidad estructural del satélite, desde su colocación en la lanzadera hasta el final de su vida útil. Además de ser lo más ligeros posible, todos los componentes deben soportar las cargas físicas generadas por la lanzadera durante el lanzamiento y, una vez en el espacio, la intensidad de la radiación y las oscilaciones de temperatura. El prototipo de satélite ya ha arrojado unos primeros resultados prometedores.

Perspectiva

El experimento está diseñado para 3 años. Sobre la base de los resultados de la investigación se pueden concebir distintos escenarios. En primer lugar se podría averiguar, por ejemplo, si se puede mejorar el bienestar de los astronautas con determinadas terapias. Sin embargo, las células senescentes también pueden desencadenar diversas enfermedades que dificultan la vida sobre todo de las personas mayores como la demencia, la arterioesclerosis, la diabetes y la artritis. También se sospecha que contribuyen a la progresión tumoral. Según un estudio, el SARS-CoV-2 puede ser un desencadenante de la senescencia, lo que podría explicar los síntomas de Covid persistente.

El Swiss Artificial Gravity Experiment podría aportar enfoques interesantes para posibles terapias. Así, cada vez más cámaras IDS contribuyen a promover la salud. "Es un ámbito de aplicación muy especial para nosotros", explica Jürgen Hartmann, fundador y propietario de IDS.

uEye XLE USB3 Vision: optimización sistemática de costes

Modelo utilizado: U3-38J1XLE-C-HQ

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