Genes in Space-9 และการศึกษาการเสื่อมถอยของระบบภูมิคุ้มกันในอวกาศ ในภารกิจ CRS-25

ภารกิจเติมเสบียงให้กับ ISS รหัส CRS-25 ดำเนินการโดย SpaceX ในโครงการ Commercial Resupply (CRS) ของ NASA นั้นเดิมมีกำหนดการปล่อยด้วยยาน Cargo Dragon 2 บนจรวด Falcon 9 จากฐานปล่อย LC-39A ของ Kennedy Space Center เมื่อวันที่ 10 มิถุนายน 2022 แต่ถูกเลื่อนออกไปเป็นวันที่ 11 กรกฎาคม 2022 เนื่องจากระหว่างกาทดสอบก่อนบินนั้น วิศวกรของยานตรวจพบการรั่วไหลใน Draco Thruster ของยาน Dragon

ในเที่ยวบินนี้จะเป็นครั้งที่ 3 แล้วที่ SpaceX จะใช้ยาน Cargo Dragon 2 รหัส C208 (ซึ่งตอนนี้เรียกทับของเดิมไปเลยว่า Cargo Dragon) ลำเดียวกันกับที่ใช้ในเที่ยวบิน CRS-21 และ CRS-23 โดย SpaceX ตั้งเป้าว่า Cargo Dragon จะต้องใช้ซ้ำได้อย่างน้อย 5 ครั้ง

เที่ยวบินนี้มีการทดลองน่าสนใจอยู่หลายอย่าง หนึ่งในนั้นก็คือการทดลอง Genes in Space และการศึกษาการเสื่อมถอยของระบบภูมิคุ้มกันในอวกาศ

การทดลอง Genes in Space-9

เราเคยพูดถึงภารกิจ Genes in Space กันมาแล้วในบทความเรื่อง Biomining ซึ่ง Genes in Space-9 นั้นเป็นการทดลองผลิตโปรตีนโดยไม่ต้องใช้เซลล์ หรือที่เรียกว่า “Cell-free” ซึ่งโดยปกติแล้วการที่เราจะสร้างโปรตีนอะไรซักอย่าง อย่างเช่นโปรตีนหนามของโมเลกุลไวรัส SARS-CoV-2 ซึ่งทำให้เกิดโรค COVID-19 นั้น เราก็จะต้องอาศัยเซลล์ในการสร้างโปรตีนนั้น ๆ ขึ้นมา เป็นเหตุผลว่าทำไมไวรัสถึงจะต้องรุกรานเซลล์ถึงจะแพร่กระจายได้ เพราะมันไม่สามารถผลิตโปรตีนสำหรับสร้างตัวมันเองขึ้นมาใหม่ได้ นอกจากนี้วัคซีนอย่างวัคซีน mRNA ก็ต้องใช้เซลล์ร่างกายของเราเองผลิตโปรตีนหนามขึ้นมาเพื่อกระตุ้นไวรัส เช่นเดียวกับโปรตีนชนิดอื่น ๆ

นั่นหมายความว่า หากเราอยากผลิตโปรตีนอะไรซักอย่างนอกร่างกายของสิ่งมีชีวิต เราก็จะต้องเพาะเลี้ยงเซลล์ขึ้นมาเพื่อที่จะเอามาผลิตโปรตีนอีกที ซึ่งการเพาะเลี้ยงเซลล์นั้นมันเสียเวลา และใช้อุปกรณ์หลายอย่างกว่าที่จะเลี้ยงมันขึ้นมาได้

ภาพของ Fluorescence Viewer ที่จะใช้ในการวิเคราะห์ผลของการทดลอง Genes in Space-9 – ที่มา NASA

Genes in Space-9 นั้นศึกษาความเป็นไปได้ที่จะผลิตโปรตีนในอวกาศโดยไม่ต้องใช้เซลล์ด้วย BioBits ซึ่งเป็นเพียงส่วนประกอบที่สำคัญของเซลล์สำหรับใช้ในการสังเคราะห์โปรตีนเท่านั้น ทำให้เราสามารถสังเคราะห์โปรตีนได้โดยไม่ต้องพึ่งพาเซลล์ ก่อนที่จะตรวจวัดผลด้วย Biosensor โดย BioBits นั้นจะถูกส่งขึ้นไปบน ISS แบบแช่แข็ง ใช้ได้ง่าย ๆ เพียงแค่ละลายแล้วผสมน้ำ

ภารสังเคราะห์โปรตีนแบบไม่ต้องมีเซลล์ (Cell-free) ด้วย BioBits – ที่มา addgene

การที่เราสามารถสังเคราะห์โปรตีนได้โดยไม่ต้องพึ่งการเพาะเซลล์ได้หมายความว่าเราจะมี Platform ด้านการแพทย์ที่ประหยัดและพกพาได้โดยไม่ต้องขนอุปกรณ์สำหรับการเพาะเซลล์ที่ทั้งใหญ่และต้องดูแลรักษาบ่อย ๆ ไปอวกาศด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเดินทางข้ามดาวในอนาคตอันใกล้ การประยุกต์ใช้ Cell-free platform ก็อย่างเช่น การสังเคราะห์ยา การสังเคราะห์วัคซีน และอื่น ๆ

การเสื่อมถอยของระบบภูมิคุ้มกันในอวกาศ

การแก่ลงของสิ่งมีชีวิตซึ่งในทางชีววิทยาเรียกว่า “Aging” นั้นมีส่วนเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่าการเสื่อมถอยของระบบภูมิคุ้มกัน หรือ “Immunosenescence” ซึ่งการเสื่อมถอยนี้เองทำให้ร่างกายของสิ่งมีชีวิตมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง (Tissue regeneration) น้อยลง และนำไปสู่การเสื่อมถอยลงของระบบอวัยวะของร่างกายตามมา (Immunological Aging)

มีหลักฐานทางการทดลองบ่งชี้ว่าการอยู่ในสภาวะ Microgravity นั้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในเซลล์ภูมิคุ้มกัน และทำให้ Immunosenescence นั้นเกิดเร็วขึ้น อันน้ำไปสู่การแก่ลงของเซลล์จากการเสื่อมถอยของภูมิคุ้มกัน (Microgravity-induced Aging) หมายความว่าเซลล์ของคนที่ไปอวกาศนั้นมีโอกาสที่จะแก่เร็วกว่าตอนที่พวกเขาอยู่บนโลก

ภาพแสดงการทำงานของ Tumor Suppressor Genes (ซึ่งแต่ละยีนใน Homologous Chromosome นั้นจะมี Copy ของตัวมันเองเอาไว้ที่ Sister Chromatid อักอัน) หากทุก Copy ของ Tumor Suppressor Genes เสียหาย เซลล์ก็จะไม่สามารถหยุดการก่อตัวของมะเร็งได้ – ที่มา NIH

อย่างไรก็ตามเนื่องจากการแก่จาก Immunosenescence ในอวกาศไม่ได้มาจากการแก่แบบปกติของเซลล์ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเสื่อมลงของรหัสพันธุกรรม เช่น ความไม่เสถียรของรหัสพันธุกรรม (Genomic instability) ความเสียหายของรหัสพันธุกรรม ความเสียหายของเซลล์ และปัจจัยอื่น ๆ ซึ่งสิ่งเหล่านี้จะสะสมไปเรื่อย ๆ จนในที่สุด สิ่งที่เสียหายอาจจะเป็นกลไกป้องกันการเกิดมะเร็งตามธรรมชาติของเซลล์ เช่น ยีนยับยั้งมะเร็ง (Tumor-suppression gene) ซึ่งเมื่อกลไกตรงนี้เสีย โอกาสในการที่เซลล์จะแบ่งตัวเองแล้วกระจายรหัสพันธุกรรมเพี้ยน ๆ ของมันจนกลายเป็นเนื้องอกและมะเร็งนั้นก็สูงขึ้นมาก

ภาพแสดงกลไก Telomere Attrition หรือการสั้นลงของ Telomere ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกว่ามันจะสามารถแบ่งตัวได้อีกกี่ Generation – ที่มา Cellsignal

แน่นอนว่าร่างกายของเราก็มีกลไกในการป้องกันความเสียหายจากกลไกป้องกันมะเร็งที่เสียจากพันธุกรรมที่เสียอีกที (มากันเป็นทอด ๆ) นั่นก็คือการกำหนดว่าลูกหลานของเซลล์ ๆ หนึ่ง “ควรเลิกแบ่งตัวตอนไหน” เช่น กลไก Telomere Attrition ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกว่าเซลล์ Generation หนึ่งจะแบ่งตัวได้อีกกี่ครั้ง เมื่อ Quota หมด มันก็จะไม่แบ่งตัวอีก ก่อนที่จะเข้าสู่ขั้นตอนที่เรียกว่า “Programmed Cell Death” หรือ “Apoptosis” ซึ่งเป็นการตายลงของเซลล์อย่างมีระบบระเบียบ เพื่อรักษาเสถียรภาพโดยรวมของพันธุกรรมในร่างกาย ไม่ให้มีเซลล์ใดเซลล์หนึ่งส่งต่อพันธุกรรมเพี้ยน ๆ ไปให้เซลล์ลูกหลาน แต่ก็แลกมาด้วยการที่เซลล์หลาย ๆ อย่างของร่างกายเมื่อเวลาผ่านไปก็จะเริ่มแบ่งตัวได้น้อยลงเรื่อย ๆ

การแบ่งตัวที่น้อยลงของเซลล์ภูมิคุ้มกัน – ที่มา Kaiserscience

แต่การแก่ตัวลงของเซลล์จากระบบภูมิคุ้มกันเสื่อมถอยนั้น ไม่ได้มา Pathway หรือเส้นทางที่จะทำให้เกิดการแก่ลงของเซลล์แบบปกติแต่เป็นการแก่ตัวลงของเซลล์จากการที่ระบบภูมิคุ้มกันนั้นมีประสิทธิภาพในการกระตุ้นการซ่อมแซมร่างกายน้อยลง หน้าที่หนึ่งของระบบภูมิคุ้มกันคือการซ่อมแซมร่างกาย ยกตัวอย่างเช่น การอักเสบของแผลก็ถือเป็นหนึ่งในตัวกระตุ้น Stem Cells อย่าง Mesenchymal Stem Cells ให้มาซ่อมแซมแผล หรือเวลาไปออกกำลังกาย พอตื่นมาวันใหม่แล้วกล้ามเนื้อเจ็บแปลบ ๆ ก็คือปฏิกิริยาการอักเสบของกล้ามเนื้อที่กระตุ้นโดยระบบภูมิคุ้มกันเพื่อซ่อมแซมกล้ามเนื้อ

ภาพของ Mesenchymal Stromal/Stem Cells (สีเขียว) ขณะที่มันกำลังซ่อมแซมแผล (พื้นที่สีดำ) ซึ่งมันจะค่อย ๆ แบ่งตัวเข้าไปประสานกัน เพื่อปิดแผล – ที่มา Grigol Tediashvili/TSI/UCSF

นั่นหมายความว่าเราอาจสามารถย้อนคืนการแก่ตัวลงของเซลล์จาก Immunosenescence ได้ ติดก็แต่ว่าเราไม่รู้ว่าทำไม Microgravity ถึงทำให้เกิด Immunosenescence จึงทำให้เราจะต้องหาสาเหตุหรือ Pathway ในการเกิด Immunosenescence จาก Microgravity เสียก่อน

ภาพของ Tissue chips ซึ่งจะถูกส่งขึ้นบน ISS เพื่อทดสอบปฏิกิริยาต่อ Microgravity และศึกษาการเสื่อมถอยของระบบภูมิคุ้มกันในอวกาศ – ที่มา NASA

ในภารกิจ CRS-25 นี้เอง ทีมนักวิทยาศาสตร์จะส่ง “Tissue chips” หรือก็คือส่วนหนึ่งของเนื้อเยื่อมนุษย์ในรูปแบบ 3 มิติขึ้นไปบน ISS เพื่อดูว่า เนื้อเยื่อพวกนี้ตอบสนองต่อ Microgravity ยังไงและเปลี่ยนแปลงยังไงบ้าง รวมถึงการทดสอบการตอบสนองต่อยาต่าง ๆ เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ในการ Reverse หรือย้อนกลับการแก่ลงที่เกิดจาก Immunosenescence

หลัก ๆ ก็คือการศึกษาว่าเซลล์ภูมิคุ้มกัน CD8+ T cells (Cytotoxic/Killer T cells) ซึ่งมีหน้าที่ในการทำลายสิ่งแปลมปลองและมีส่วนใน Cell-mediated Immunity กับ Tissue-specific stem cells นั้นมเปลี่ยนแปลงอย่างไรใน Microgravity และมีผลอย่างไรต่อการตอบสนองของภูมิคุ้มกันและการรักษาแผล รวมถึงการวิเคราะห์ว่า การแก่ลงจาก Microgravity นั้นย้อนกลับอย่างไร

และกลไกการย้อนกลับนี้เมื่อเราเข้าใจมันแล้วอาจสามารถนำมาประยุกต์ใช้บนโลกเพื่อย้อนกลับการแก่ลงจากระบบภูมิคุ้มกันตามธรรมชาติได้ด้วยเช่นกัน

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Soil, Satellites, and Climate Modeling Among Investigations Riding SpaceX CRS-25 Dragon to International Space Station

Microgravity as a Model for Immunological Senescense and its Impact on Tissue Stem Cells and Regeneration

Genes in Space-9

Jittprasong, C. (2022). Mesenchymal stem cells as carrier cells to enable effective intratumoral delivery of oncolytic virus for oncolytic virotherapy: a systematic review. arXiv preprint https://doi.org/10.48550/arXiv.2204.01238