先月、ある学術誌に、異例の起源を持つn対1実験が掲載されました。これは、宇宙飛行士スコット・ケリーの生理機能を、地球に滞在中の一卵性双生児の弟マークの生理機能と比較する研究です。国際宇宙ステーション滞在中、スコットは自身の健康に関する膨大なデータを収集し、数百もの便、尿、血液のサンプルを採取し、後にマークのサンプルと比較しました。
結果は驚くべきものでした。マークでは休眠状態にあった数千もの遺伝子がスコットでは活性化し、マイクロバイオーム、テロメア、動脈、免疫系、認知能力にも大きな変化が見られました。スコットが経験した生理学的変化のほとんどは地球帰還時に回復しましたが、一部は回復しませんでした。問題は、宇宙でスコットの体に何が起こったのかを説明するには、研究者がより多くのデータを必要としているということです。過去のミッションから得られた限られたデータに加え、サンプル数が1つしかないため、科学者たちはこれらの変化がなぜ起こるのかをほとんど理解できていません。宇宙は宇宙であるため、追加情報を得るのは困難です。
スペースXは、この目標達成に向けて、ドラゴン貨物カプセルを近々打ち上げる予定です。このカプセルには、人間の生理機能の様々な側面をモデル化するために設計された、生きたヒト細胞が埋め込まれた4つのマイクロチップなどが搭載されます。いわゆる「チップ上の臓器」と呼ばれるこれらの研究チームは、宇宙飛行士の体が宇宙旅行にどのように反応するかを細胞レベルで解明し、地球上での新たな治療法の発見を加速させることを期待しています。打ち上げは既に数回延期されていますが、現在は東部標準時午前2時48分に予定されています。
チップ上の臓器や組織は、細胞レベルでヒトの生理機能を再現し、実際のヒトよりも容易にそれらのプロセスを研究できるように設計されています。チップは透明で、モデルとなる臓器に特有の生きたヒト細胞が並んだ小さなチャネルで構成されています。従来の細胞培養とは異なり、臓器の環境や生体力学的特性、例えば鼓動する心臓の押し引き、呼吸する肺の拡張、動脈の圧力、そしてそこを流れる血液の温度などを模倣することもできます。臓器や組織のチップは比較的安価で、倫理的な問題による実験の制限がないため、研究者は例えば、新薬の試験に使用したり、意図的に感染させて病気の発症を研究したりすることができます。
宇宙に送られた肺骨髄組織チップは、研究者が体内の感染症への抵抗力を研究するのに役立つだろう。BIOLines Laboratory/ペンシルベニア大学
2016年、米国国立衛生研究所（NIH）はISS国立研究所と提携し、「宇宙組織チッププログラム」を開始しました。翌年、NIHは、臓器や組織のチップをISSに送り、微小重力が人体に及ぼす影響を研究する5つの研究プロジェクトに、合計600万ドルの助成金を交付しました。このプログラムの最初のペイロードは昨年12月にISSに到着し、ヒトの免疫系をモデル化した数十個の組織チップが搭載されました。腎臓、骨、軟骨、血液脳関門、肺をモデル化した次の組織チップセットは、今後数日以内に宇宙ステーションに到着する予定です。
ダン・フー氏はペンシルベニア大学のバイオエンジニアであり、ISSに送られる肺組織チップの主任研究者です。この肺チップは人間の気道をモデルにしており、 ISSで以前に発見された細菌の一種である緑膿菌に感染させます。地球上でこの細菌は通常、呼吸器感染症と関連付けられており、ISSへの長期滞在ミッションで最も多く発生する疾患の一つです。
フー氏によると、宇宙飛行士の免疫反応が軌道上で抑制される理由については、科学者はまだほとんど解明しておらず、組織チップはこの現象をより深く理解することを目的としているという。最近の研究では、ISSで抗菌薬耐性を獲得した細菌が複数発見されており、宇宙飛行士の免疫システムを強化する方法の解明はますます急務となっている。「現時点での私たちの仮説は、細菌細胞が微小重力環境で何らかの形で毒性を強めるというものです」とフー氏は語る。「この分野にとって興味深い疑問ですが、正直なところ、（データ）はまだあまりありません。」
微小重力の健康への影響を理解することは、軌道、月、火星への長期ミッションにおいて人間の健康を維持するために不可欠です。しかし、チップに埋め込まれた臓器を宇宙に送ることで、地球上の人々にどのようなメリットがもたらされるのでしょうか？NIHの薬物スクリーニング用組織チップ科学プログラムマネージャーであるルーシー・ロウ氏は、この質問はよく受けると言います。微小重力下で人間の生理機能を研究する主な利点は、そのスピードだと彼女は言います。
宇宙飛行士が国際宇宙ステーションに到着すると、骨密度、筋肉量、心血管系、免疫系は数日以内に変化し始めます。「宇宙飛行士の生理学的変化は非常に速く起こるため、微小重力下では数週間で組織チップ上にモデル化できますが、地球上で臨床的に現れるまでには数ヶ月、あるいは数年かかることもあります」とロー氏は述べています。微小重力下で試験を実施することで、研究者は新薬開発プロセスを迅速化し、地球上と軌道上の両方で、新しい治療法を必要とする人々に届けることができます。
フー博士の呼吸器感染症に関する実験に加え、この一連の組織チップは、腎結石の形成、骨粗鬆症の予防を目的とした薬剤の試験、そして微小重力が血液脳関門に及ぼす影響の研究にも用いられる。心臓機能、筋変性、腸管における免疫反応を調査するための他の4つの組織チップも、将来未定の時期にISSに打ち上げられる予定だ。ロウ氏によると、将来的にはNASAが個々の宇宙飛行士の細胞を用いて「宇宙飛行士チップ」を作成し、長期ミッションの前または最中に微小重力に対する個々の反応を研究することも可能になるという。
宇宙で行われるほとんどの研究と同様に、宇宙飛行を経験することのない圧倒的多数の人々にどのような利益をもたらすのかは、見通しにくいものです。しかし、NASAが宇宙技術を地球に持ち帰ってきた実績を見れば、将来、私たちの薬箱は地球外からの薬で満たされる可能性は十分にあります。
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