宇宙探査の重要性は増しており、宇宙に飛び出す飛行士は増え続けている。しかし、無重力空間は人体の加齢にどのような効果を与えるのであろうか。月や小惑星などにおける微小重力条件では、特定の細胞はどのように発達するのであろうか。
Swiss Artificial Gravity Experiment (SAGE) はこの研究タスクに特化して取り組んでいる。スイスのさまざまな大学の学生で編成されたチーム (Academic Space Initiative Switzerland ARIS) が、人体の老化プロセスが宇宙ではどのように変化し、細胞の老化が加齢および年齢に関連する障害の進展にどのように影響するかを調査しようとしている。
若手の研究者たちは、現在、対応する生物学的実験のための衛星プラットフォームの構造を設計しているが、これはきわめて厳しい要件を満たす必要がある。
完全に自動化されたシステムは、必要な宇宙環境における長期的なテスト現場となり、研究対象の人間の細胞株の遠心機として機能する。この CubeSat ソリューションの中心にあるのが蛍光顕微鏡で、マイクロ流体チップと、uEye XLE ファミリーの高解像度 USB3 カメラが搭載されています。
SAGE Cubesat は、大気圏外への上昇時の強い物理的応力と、その後の放射線と温度の変動に耐えられる必要がある。
人体では、加齢プロセスは細胞レベルで発生し、これを老化と呼ぶ。これは、細胞が分裂を停止し、炎症因子を分泌する現象である。
「NASA やその他の世界中の多数のグループの調査に基づき、細胞は、地球上よりも微小重力環境にあるほうが老化が遅いと信じるに足る理由があります。この影響を、細胞の加齢に伴って放出される特定のタンパク質と mRNA で測定できます。メッセンジャー RNA (mRNA) は、細胞老化の促進または防止の基本的な因子として登場しました。
蛍光マーカーにより、この mRNA にラベル付けし、赤色光を照射すると光るようになります。実験は 2 か月にわたって、わずか 10 立方センチの体積を対象に行われました。これらの条件のもとで必要なプロセスを測定および分析するため、信頼できるコンパクトな蛍光顕微鏡が必要です」と、SAGE ペイロードエンジニア、Jonas Schlör 氏は言う。
IDS の USB3 uEye XLE ボードレベルカメラ搭載蛍光顕微鏡
画面はカメラで撮影した細胞を示している。
ラボのテストでは、U3-38J1XLE-C-HQ が顕微鏡で使用された。カメラはマイクロ流体チップに置かれた人間の細胞から蛍光 mRNA を撮影する。マイクロ流体チップにより、複雑なラボ機能を 1 つのチップにミニチュア化して統合している。これにより、省スペースが実現し、試料の必要性が削減される。
マイクロ流体チップには刻まれた、または形成されたマイクロチャネルがあり、これを通じて分析対象の流体が流れる。マイクロ流体チャネルを使用すると、非常に少量の試料ですむ。Sony 製ローリングシャッターセンサ IMX415 from は高解像度なので、個々の細胞をそれぞれ識別できる。
センサは特にピクセル密度が高いので、個々の細胞を半径わずか 15 μm で表示することができる。青色 LED でマイクロ流体チップ内の細胞を励起する。老化の速度に応じて、さまざまな強度で緑色の光が放出される。
光学的フィルタにより、細胞からの緑色の光だけがレンズを通過してカメラに届くようにすることができる。これにより、対象とする細胞の一般的な老化速度だけでなく、生きている細胞の具体的な数もわかる。
uEye XLE カメラ、マイクロ流体チップ、LED による細胞研究向け顕微鏡の構成図
細胞は、老化速度に応じてさまざまな強度の緑色の光を放出する。
「このようにして獲得したデータは非常に有意義で科学的に重要で、このような方法で実施された研究は今までありません」と Jonas Schlör 氏は言う。さらに、他の方法では蛍光顕微鏡に必要となる複雑な機器が不要になり、大幅な省スペースが実現した。
「カメラには、露出時間や色フィルタなど、ソフトウェアに関連する多数の設定オプションもあり、設計プロセス全体を通じて高レベルの柔軟性を維持できます」 外部環境の過酷な要件を満たす必要もある。要件には、非常に強い振動を伴うロケット発射や、真空の軌道や宇宙線という条件が該当する。
IDS の uEye XLE ファミリーの高解像度 USB3 カメラ
8.41 M ピクセルで 4K 解像度の U3-38J1XLE Rev.1.1 は、このような種類の視覚化作業に特に適している。2×2 ビニング機能により、必要に応じて転送データ量を 4 分の 1 にまで減少できるので、光感度とフレームレートの両方が向上する。
Sony の IMX415 ローリングシャッターセンサーは、詳細な画像分析向けの高解像度データを提供する。極めて高い省スペース設計なので、IDS カメラはこの組み込みアプリケーションに最適に統合できる。
カメラはマイクロコントローラーで制御され、衛星上でデータを処理して圧縮し、その後、地球に送信する。ソフトウェアと制御アルゴリズムは、Swiss Academic Space Initiative の学生たちが自ら開発し、テストした。
システムや CubeSat の要件は高いものである。後者は、サブシステムおよびコンポーネントとの接続点を提供し、ローンチ・ヴィークルへの挿入からサービスライフの終了まで、衛星の構造上の安定性を維持する必要がある。
すべてのコンポーネントが、上昇時にローンチ・ヴィークルから生成される物理的な力や、その後の宇宙空間での放射線および温度の変動に耐久する必要があり、同時にできる限り軽量化する必要がある。衛星のプロトタイプはすでに最初の有望な結果を出している。
今後の予定
実験は 3 年間を予定している。調査結果に基づいて、さまざまなシナリオが考えられる。まず、たとえば科学者は、特定の治療法が宇宙飛行士の健康を向上させるかどうかの確認を望む。
しかし老化細胞は、認知症、動脈硬化、糖尿病、関節炎など、特に高齢の人々にとって、生活を困難にするさまざまな障害の原因ともなる。さらに、腫瘍の進行にも関与すると考えられている。
ある調査によると、SARS-CoV-2 も老化の一因となると考えられている。これは新型コロナウイルスの後遺症の持続的症状を説明するものとされている。
Swiss Artificial Gravity Experiment は、可能性のある治療法に対する興味深いアプローチをもたらすと思われる。世界中で健康促進に貢献する IDS カメラが増えていくからである。「私たちの中心に近い応用分野です」と、IDS 創立者兼オーナーの Jürgen Hartmann氏 は言う。
・カメラ
uEye XLE USB3 Vision – いつでもコストを最適化
使用されたモデル:U3-38J1XLE-C-HQ
・クライアント
aris Academic Space Initiative Switzerland は、スイス内の大学から、宇宙探査に関心を持つ学生が集結している。ETH Zurich を拠点とし、メンバーは理論と実践を組み合わせて、技術的な課題に取り組んでいる。ロケットを組み立てるほかに、SAGE (Swiss Artificial Gravity Experiment) とともに最初の 3U-CubeSat 衛星も開発中である。
■著者
Silke von Gemmingen
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