La Scienza di Samantha: ICE Cubes #9.2 Project Maleth II

L’indagine ICE Cubes #9.2 – Project Maleth (Space Omics Analysis of the Skin Microbiome of Diabetic Foot Ulcers, o SpaceOMIX) effettua delle ricerche su dei campioni di microbiomi della pelle umana di pazienti con diabete di tipo 2, con ulcere diabetiche ai piedi che sono resistenti ai trattamenti. Si tratta della seconda missione per questa ricerca maltese sulla Stazione Spaziale Internazionale, infatti la prima missione di questo progetto ha volato nel 2021. L’hardware per questa missione di follow-up, ha raggiunto l’orbita con la missione Cargo Dragon SpaceX CRS 25 partita il 15 luglio 2022 ed è stato installato da Samantha Cristoforetti dentro la ICE Cubes Facility il 28 luglio, per poi essere disinstallato il 10 agosto, prima del rientro a terra con la stessa capsula. Il microbioma è stato coltivato a terra (analogo) e in condizioni spaziali, per determinarne il suo adattamento e le sue variazioni in relazione all’ambiente in cui si trova. Tutti i campioni sono analizzati in modalità multi-omica, impiegando le tecniche di analisi biologica allo stato dell’arte e tutti i dati ottenuti vengono depositati nel database GeneLab della NASA.

https://twitter.com/ICECubesService/status/1559495295121096708

ICE Cubes Services è un servizio commerciale che offre ai ricercatori una modalità semplice ed economica per inviare esperimenti sulla Stazione Spaziale Internazionale. I ricercatori (nonché clienti) pagano Space Application Services per servizi di integrazione dell’esperimento e per tutte le operazioni legate al lancio. Durante il volo, gli utilizzatori sono in grado di ottenere telemetria in tempo reale (compatibilmente alle limitazioni dei sistemi di comunicazioni della Stazione) e di telecomandare gli esperimenti da qualsiasi luogo dotato di un collegamento internet. La piattaforma è installata nel modulo europeo Columbus e può alloggiare fino a 20 Experiment Cubes, che hanno delle dimensioni minime di 10 × 10 × 10 cm oppure delle dimensioni modulari proporzionali.

SpaceOMIX organizza e gestisce una serie di progetti e missioni di ricerca scientifica nel campo della genetica, da effettuare nello spazio.

Il team

Il team scientifico è composto da ricercatori dell’University of Malta di Msida, Malta; del Mater Dei Hospital di Msida, Malta; del Well Cornell Medical College, New York, USA; e dell’Ames Research Center della NASA, di Moffett Field, California, USA; mentre l’hardware è stato sviluppato da Space Applications Service, Sint-Stevens-Woulwe, Belgio, fornitore del servizio commerciale di ICE Cubes. Anche questo esperimento è stato finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea.

Space Applications si occupa anche di coordinare ed eseguire tutte le operazioni della ICE Cubes Facility, dal loro ICE Cubes Control Centre.

Applicazioni

In generale, lo studio delle caratteristiche del microbioma della pelle umana, potrebbe portare a delle scoperte che saranno potenzialmente in grado di essere impiegate per delle terapie o per migliorare il benessere generale nelle missioni spaziali a lunga durata, verso la Luna e Marte. Le relazioni fra i vari microbiomi (orali, intestinali, dermici e altri) devono essere studiate attentamente e i loro comportamenti devono essere compresi pienamente e monitorati in varie condizioni, per essere sfruttati con successo nelle applicazioni in orbita bassa terrestre e oltre.

Sulla Terra, questo progetto porta con sé parecchie promesse di beneficio per i pazienti con il diabete mellito di tipo 2 con ulcere diabetiche ai piedi difficili da curare (Diabetic Foot Ulceres – DFU). Se con questa indagine dovessero venire identificati un determinato numero di biomarcatori, si potrebbero realizzare delle terapie molecolari mirate, al fine di migliorare la qualità della vita dei pazienti.

Panoramica

• L’esperimento ICE Cubes #9.2 – Project Maleth (Space Omics Analysis of the Skin Microbiome of Diabetic Foot Ulcers, o SpaceOMIX) studia il diabete mellito tipo 2 e le ulcere diabetiche ai piedi, usando la genetica e le bioscienze spaziali
  • Project Maleth II, mira ad ottenere la conferma dei risultati della missione precedente.
• Una particolare sequenza genetica chiamata 16s rRNA, offre la possibilità di osservare in profondità il completo microbioma che concorre alle infezioni ulcerose ai piedi.
• I tradizionali metodi di colture microbiologiche tendono a prediligere la crescita dei batteri più facili da coltivare, come gli stafilococchi e i ceppi Gram negativi. Purtroppo alcuni organismi sono più difficili e lenti da far crescere in coltura, come gli anaerobi, perciò, l’analisi di campioni con le tecniche di sequenziamento di nuova generazione (Next Generation Sequencing – NGS) può superare queste limitazioni.
• L’analisi completa di DNA e RNA è fatta in collaborazione con i vari ricercatori dell’Analysis Working Group con il GeneLab di NASA.
• Assieme ai campioni di pelle umana, è stato portato sulla Stazione anche un campione di lievito Saccharomyces Cerevisiae (lievito di birra).
• Questo studio di follow up servirà a determinare il grado di replicabilità osservato rispetto alla missione precedente.

Le cellule di lievito sono diverse dai batteri in quanto sono eucarioti, ovvero sono lo stesso tipo di cellule di cui sono fatti gli esseri umani, con DNA impacchettato nei cromosomi situati all’interno di un vero nucleo.

Lo scopo di questa ricerca d’avanguardia è osservare come le cellule reagiranno all’ambiente spaziale. Ogni singola cellula è stata sottoposta a sequenziamento genetico e i risultati verranno confrontati tra campioni spaziali del giorno 1, campioni spaziali del giorno 60 e campioni coltivati sulla Terra. Il sequenziamento di singole cellule fornisce una risoluzione significativa come mai accaduto finora. L’identificazione dei cambiamenti a livello di ogni singola cellula è un modo senz’altro innovativo di fare scienza e di comprendere le basi genetiche della vita.

Anche Project Maleth II, intende stabilire gli effetti del volo spaziale sul microbioma dei campioni cutanei di malati di DFU. Si ritiene che una certa quantità di importanti biomarcatori chiave e di geni impiegati nell’adattamento, evidenzino delle perturbazioni, quando confrontati a quelli delle colture effettuate al suolo.

Secondo delle recenti statistiche (IDF, 2020) al mondo sono ben 463 milioni le persone che soffrono di diabete. Malta è al terzo posto in Europa, con il 12,2% della popolazione che soffre di questa patologia (IDF, 2019). Una percentuale compresa fra il 12% e il 25% di pazienti è a rischio di sviluppare ulcere diabetiche ai piedi (DFU) e queste ulcere tendono a guarire molto lentamente, diventando croniche con un elevato pericolo di infezione e conseguente ospedalizzazione. Solo a Malta, ogni anno vengono eseguite 400 amputazioni e i tassi di mortalità di diabetici amputati entro cinque anni dall’intervento, è del 70%. Attualmente, i pazienti che presentano DFU vengono sottoposti allo sbrigliamento chirurgico, e alla accurata pulizia per la rimozione dei biofilm e dei tessuti necrotici. I metodi di diagnosi molecolare come il Next Generation Sequencing, attualmente impiegati, hanno mostrato di essere più sensibili delle colture batteriche, nell’identificare un maggiore numero di batteri, dimostrando come le DFU abbiano una maggiore diversità batterica di quello che si riteneva in precedenza.

Operatività

Il ScienceCube del dispositivo ICE Cubes, ovvero l’unità che contiene il vero e proprio esperimento, permette di alloggiare fino a cinque campioni indipendenti di tessuto di pelle umana con il loro unico microbioma, più un campione di lievito di birra in forma liofilizzata. I campioni di tessuto umano sono sospesi in una soluzione tampone di fosfato salino che è in grado di mantenere vivi sia il campione di pelle umana che il suo microbioma. L’esperimento viene osservato usando delle videocamere di cui è dotato il ScienceCube, puntate direttamente sulle cuvette contenenti i campioni. Tutto il lavoro microbiologico di preparazione del materiale organico e di analisi viene svolto a terra prima e dopo il volo; gli astronauti hanno il solo compito di installare e disinstallare lo SpaceCube nel dispositivo ICE Cubes.

La connettività e il monitoraggio dello ScienceCube è resa possibile tramite i link forniti da ICE Cubes/Space Applications Services, e ritrasmessi al Mission Control Centre in Malta gestito da Arkafort.

Fonti: NASA; ESA; Wikipedia; SpaceOMIX