Пониженная гравитация влияет на формирование костной ткани и заставляет ее расти не так, как на Земле. Из-за этого космонавты часто страдают остеопорозом — заболеванием, при котором нарушается метаболизм костной ткани и снижается прочность костей из-за вымывания неорганических солей. 

Чтобы исследовать эту проблему, студенты ИТМО смоделировали рост костной ткани в условиях пониженной гравитации. Для этого они использовали модель периодического и упорядоченного осаждения минерала гидроксиапатита — основного компонента костей и зубов. Когда минерал смешивают с другими веществами (например, желатином и коллагеном), возникает нерастворимый осадок — кольца Лизеганга. Это концентрические кольца, которые в повседневной жизни можно наблюдать в осадочных породах агата и яшмы.

В условиях стратосферы из-за низкой температуры, гравитации и давления кольца формируются иначе, чем на Земле — по сути, эта модель имитирует рост костной ткани в космосе. Этот факт студенты смогли установить по результатам предыдущего запуска, который состоялся 19 ноября. Тогда они запустили в стратосферу колбы с гидроксиапатитом и сравнили, как формируется осадок этого вещества на земле и в полете. В этот раз к минералу добавили в одной системе специальные белки шелкопряда, а в другие — L-аскорбиновую кислоту. Ожидается, что эти соединения помогут затормозить разрушение костной ткани из-за низкой гравитации.

Студенты ИТМО работали в составе команды Bioendurance, в которую также вошли представители других вузов и школ. Руководит проектом студент химико-биологического кластера SCAMT Дауддин Дауди, за химическую часть эксперимента в лабораториии отвечает студент НОЦ Инфохимии Данил Силин. Научными руководителями команды выступают директор НОЦ Инфохимии Екатерина Скорб и доцент НОЦ Инфохимии, руководитель группы биомиметических материалов Светлана Уласевич. Проектировали и собирали спутник студенты МГТУ им. Баумана Артём Санников, Герман Янгалин, Никита Волков, Роман Садовец, Никита Широкопетлев, Глеб Панькин, Илья Дановский и абитуриент Лев Пучкасов. За программное обеспечение отвечали ученики лицеев №153 — Дамир Сафаров и №18 — Роман Ардуванов.

Как проходил эксперимент

Ученые провели два эксперимента: в стратосфере и лаборатории. Для этого они подготовили несколько образцов гидроксиапатита, в которые добавили фиброиновые белки из шелка шелкопряда и L-аскорбиновую кислоту. Белки выступили в роли криопротекторов — веществ, которые защищают живые объекты от низких температур. Белки предоставила компания Silkins Дауддина Дауди, которая изучает регенерацию тканей. L-аскорбиновая кислота нужна для нормального формирования соединительной и костной ткани.

Исследователи изучили, как под влиянием этих соединений формируются кристаллы гидроксиапатита в лаборатории и стратосфере. Для этого инженеры смоделировали стратосферный спутник.

Экспериментальные образцы поместили в CubeSat — формат сверхмалого искусственного спутника Земли для исследования космоса, который имеет форму куба. В него встроили различные датчики: GPS, индикаторы температуры и радиации ― чтобы отслеживать атмосферные характеристики, которые в онлайн-режиме передавалась на компьютер. Также спутник снабдили камерой, которая снимала процесс формирования костной ткани в полете. 

Кубсат вместе со спутниками других участников Воздушно-инженерной школы прикрепили к шару-зонду (беспилотному аэростату, подъемная сила которого создается за счет нагретого воздуха в оболочке). Когда зонд поднялся до 23 км, шар лопнул и опустился на землю на стабилизирующей системе. От места запуска аэростат улетел на 49 км в горизонтальном направлении — его нашли с помощью GPS-датчика и передали образцы материала с кубсата на анализ в лабораторию. Всего аэростат летел около 1,5 часов.

Что дальше

Кристаллы гидроксиапатита, которые образовались в ходе эксперимента, ученые изучат с помощью сканирующей электронной микроскопии, рентгено-фазового анализа и инфракрасной спектроскопии. Исследователи сравнят кристаллы из стратосферы с лабораторными образцами.

Эксперимент позволит лучше понять процессы минерализации и формирования костной ткани в условиях пониженной гравитации. Ученые предполагают, что полученные кристаллы гидроксиапатита можно будет использовать в качестве костных конструкций для тканевой инженерии.

«Мы рассчитываем, что фиброиновые белки помогут снизить разрушение костной ткани в условиях стратосферы. В лабораторном эксперименте выяснилось, что при определенной концентрации фиброина структуры гидроксиапатита формируются более упорядоченными. По сути, этот процесс имитирует укрепление костной ткани. Мы полагаем, что фиброиновые белки должны уменьшить разрушение кристаллов гидроксиапатита и увеличить пролиферацию (ускоренное деление) остеобластов — клеток, которые формируют костную ткань», — рассказал руководитель проекта, студент химико-биологического кластера SCAMT Дауддин Дауди.

В перспективе результаты исследования можно использовать при создании инъекционного препарата для костной ткани, который поможет предотвратить разрушение костей у космонавтов и лечить остеопороз.

Студенты запустили спутник в ходе соревнования Воздушно-инженерной школы. Это чемпионат, который организуют МГУ имени М.В. Ломоносова и Фонд поддержки науки и образования в России «Кассиопея». Проект стремится привлечь школьников и студентов к космическим исследованиям и смежным научным областям.