Jak zwiększyć trwałość leków dla potrzeb lotu kosmicznego?

Grzegorz Jasiński: Państwa eksperyment leci na orbitę jako pierwszy. Tak naprawdę już tuż tuż.

Dr inż. Jakub Włodarczyk: Lot mamy zaplanowany na 21 kwietnia. Z tego co wiem, nie będzie to jedyny eksperyment wysłany tym lotem. Natomiast będziemy w sumie jako pierwsi razem z tą grupą, pierwszym rzutem eksperymentów, które zostały przeznaczone do wykonania w ramach misji Ignis.

Czy ten eksperyment z chwilą, kiedy znajdzie się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, już się rozpocznie? Czy będzie czekał na pojawienie się tam polskiego astronauty?

Eksperyment tak naprawdę trwa od pewnego czasu, ponieważ w momencie przygotowania próbek zaczęliśmy odliczać czas realizacji eksperymentu. Natomiast jego główna część rozpocznie się w momencie, kiedy zostanie wyniesiony na orbitę, a pakiety zawierające nasze próbki będą rozlokowane w module laboratoryjnym Columbus. I tutaj mamy dwa takie typy próbek. Część z nich będzie przeznaczona do składowania w chłodni w temperaturze +2 stopni Celsjusza, natomiast druga część będzie przechowywana w temperaturze otoczenia, czyli około 22 stopni Celsjusza.

I to, jak rozumiem, musi się wydarzyć zaraz po tym, jak ładunek dotrze na orbitę.

Dokładnie tak. To będzie pierwsza czynność, która będzie wykonana z naszymi próbkami i w zasadzie to będzie jedyna czynność, która będzie przeprowadzona na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Czyli to wykona tak naprawdę ktoś z członków aktualnej załogi, która tam jest, zanim jeszcze załoga misji Ignis się tam pojawi.

Ktoś już został wyznaczony do tego zadania i to będzie nasz serwisowy, powiedzmy, który nam rozlokuje próbki w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

No to teraz powiedzmy, na czym ten eksperyment polega. Co to są za próbki?

Generalnie chcielibyśmy sprawdzić, czy jesteśmy w stanie przedłużyć trwałość substancji leczniczych poprzez wprowadzenie ich do polimerowego, biodegradowalnego nośnika. Chcemy sprawdzić trwałość podczas długoterminowego przechowywania próbek w warunkach panujących na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Mam tu na myśli podwyższony poziom promieniowania kosmicznego oraz brak grawitacji.

Jak rozumiem, pomysł jest taki: spróbujmy przedłużyć trwałość leków, które mogą potem służyć lub być zabezpieczeniem dla astronautów podczas misji na orbitę, ale przede wszystkim podczas dalszej misji, kiedy już nie ma możliwości dosłania dalszych leków i ich wymiany, czyli w domyśle misji na Marsa.

Jak pokazują inne badania, leki, które były przechowywane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, rozkładają się szybciej niż te, które są przechowywane na Ziemi. Tak więc tutaj też, korzystając z pewnych praw fizyki, chcielibyśmy zabezpieczyć lek mieszając go na poziomie cząsteczkowym z polimerem biodegradowalnym. I tutaj zasada jest taka, że materiały, które są zbudowane z lekkich atomów takich jak węgiel, tlen czy też przede wszystkim wodór sprawdzają się w zabezpieczaniu przed promieniowaniem kosmicznym. I te polimery, które wykorzystujemy, składają się właśnie z takich elementów.

Te atomy, jądra tych atomów wyhamowują to promieniowanie, są pewnego rodzaju tarczą, która chroni ten zasadniczy ładunek.

Właśnie tarcza. To jest bardzo dobre porównanie. Promieniowanie kosmiczne w głównej mierze składa się ze strumienia protonów. Tak więc są to naładowane cząstki i ten polimer w zasadzie będzie stanowił taką tarczę oddziaływającą z tym promieniowaniem i niejako odbijającą po części te cząstki. Również chcemy sprawdzić, na ile sam polimer ulegnie w wyniku takich procesów rozkładowi.

Jakie to będą pastylki, nazwijmy to? Czy to będą dużo większe pastylki niż te, które zażywamy na Ziemi? Czy muszą być? Ta warstwa tego polimeru musi być gruba, cienka? Jak sobie to wyobrazić?

Tutaj właśnie polimery dają nam bardzo szerokie pole do manewru, ponieważ polimer jest to główny komponent sztucznych tworzyw polimerowych. Można je, jak wiemy, bardzo łatwo formować w dowolny niemal kształt. I na potrzeby farmacji możemy tutaj wytworzyć na przykład mikrosfery, mikro- i nanocząstki. Możemy tworzyć struktury włókniste, bądź też jakieś kapsułki i inne elementy, choćby nawet w formie implantów samonośnych zawierających lek. Tak więc tu jest pełna dowolność. Co możemy z takim polimerem zrobić? W naszym eksperymencie chcieliśmy wyeliminować wpływ geometrii na wyniki, dlatego wykorzystaliśmy tutaj najprostszą możliwą formę, czyli taką grubą folię. To są płytki o powierzchni około dwudziestu czterech centymetrów kwadratowych i grubości około jednego milimetra. Wygląda to tak, jakby do grubej folii wprowadzić substancję leczniczą. I to jest ten główny typ naszych próbek, które będziemy badać. Natomiast jako takie odnośniki, takie referencje, mamy też taką folię nie zawierającą leków, czyli sam polimer oraz sam lek w formie odczynnikowej, sprasowany, bez żadnych dodatków wiążących, w formie takich pastylek, takich jak można sobie powiedzmy zakupić w aptece.

To jest jeden rodzaj polimeru czy różne? Czy państwo już tu w badaniach na Ziemi wybrali, który może działać najskuteczniej?

Wybraliśmy trzy rodzaje polimerów biodegradowalnych. Są to polimery dopuszczone do wykorzystania w medycynie i farmacji przez FDA (Amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków). Tak więc są to polimery klasy medycznej. Różnią się one przede wszystkim szybkością rozkładu w warunkach biologicznych, a więc po wprowadzeniu do organizmu, od takiego, który rozkłada się stosunkowo szybko, do takiego, który może rozkładać się nawet przez 2-3 lata. Dodatkowo polimery te różnią się zawartością struktur krystalicznych i takie struktury charakteryzują się tym, że posiadają większą gęstość, niż ta faza amorficzna, bezpostaciowa. Można ją porównać do szkła. I tutaj mamy polimer, który jest praktycznie całkowicie bezpostaciowy oraz taki, który jest praktycznie całkowicie krystaliczny oraz jeden o strukturze pośredniej.

A jakiego typu leki państwo wysyłacie na orbitę? Jakiego typu leki będą chronione przez ten polimer na orbicie?

Przede wszystkim skupiliśmy się na lekach, które już były wykorzystywane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Przede wszystkim ze względu na uproszczone procedury wprowadzenia takich materiałów na pokład Stacji. Chcemy sprawdzić leki, które zarówno mają różną strukturę chemiczną, jak też różne działanie biologiczne. I tutaj wybraliśmy leki z grupy leków przeciwzapalnych, przeciwbólowych. Także sterydy, antybiotyki, a także leki przeciwlękowe i antydepresanty.

A jaka jest postać tych leków? Czy to jest proszek, czy to mogą być na przykład kapsułki zawierające jakąś ciecz? Jak sobie to wyobrazić?

Jeżeli chodzi o te próbki, które my wysłaliśmy, to tak jak już wspomniałem, leki w formie odczynnikowej są w postaci pastylek. Natomiast te polimerowe systemy dostarczania leków, które będziemy badać, to są właśnie te folie zawierające lek. Tak to można sobie wyobrazić. Po prostu to jest mieszanka na poziomie cząsteczkowym. Polimer występuje w formie takich długich łańcuchów. Pomiędzy tymi cząsteczkami polimeru znajdują się cząsteczki leku i zasada działania jest taka, że polimer ulegający rozkładowi w warunkach biologicznych, niejako wypuszcza pewne dawki leku do środowiska biologicznego, czyli do organizmu. Wybierając odpowiedni polimer oraz formując go w odpowiedni sposób, bo też powierzchnia uwalniania jest tutaj ważna, możemy sterować wielkością dawek uwalnianego leku, a także czasem prowadzenia terapii. I tu tak jak wspomniałem, kształt, czy to będzie pastylka, czy to będzie kapsułka, czy to będzie cokolwiek innego, to zależy już później od potrzeb. My badamy jakby sam materiał i tę formę najprostszą jako punkt wyjścia do dalszych badań.

Wspomnieliśmy już o tym, że eksperyment zacznie się jeszcze przed misją polskiego astronauty, ale trwać będzie dużo dłużej. Tak naprawdę to program jest zaplanowany na trzy lata i to jest dość skomplikowane przedsięwzięcie logistyczne, bo część próbek będzie do państwa wracać po drodze.

Dokładnie tak. Tutaj mamy taki harmonogram pobierania paczek zawierających próbki. Pierwsze paczki wrócą do nas dopiero po roku, ponieważ to będzie taki czas, który już może pokazać pewne zmiany w strukturze zarówno polimerów, jak i leków. My chcielibyśmy, żeby tych zmian nie obserwować, natomiast będziemy to dopiero analizować po powrocie próbek z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej do naszego laboratorium w Zabrzu. Kolejna partia wróci do nas po dwóch latach i ostatnie paczki dostaniemy na koniec, po trzech latach trwania tej ekspozycji na promieniowanie kosmiczne i brak grawitacji.

Misja z punktu widzenia zajęć polskiego astronauty na orbicie ma jedną wielką zaletę. To znaczy, zupełnie nie absorbuje jego uwagi tak naprawdę. Ale jak rozumiem, Sławosz Uznański pewnie da znać, że te paczki tam są. Jak już tam będzie na miejscu, będzie mógł zajrzeć, sprawdzić?

Tak, w zasadzie ma pewne zadanie do wykonania. Przeprowadzi dokumentację fotograficzną naszych próbek rozlokowanych właśnie w docelowych miejscach składowania. Poza tym eksperyment jest całkowicie pasywny i nie absorbuje czasu załogi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Proszę mi coś powiedzieć o tych procedurach dopuszczenia tego materiału na orbitę, bo wiemy też z rozmów z twórcami innych eksperymentów, że to jest procedura dość absorbująca, no i musi być ściśle przestrzegana.

Główną trudnością jest tutaj udowodnienie odpowiednim panelem eksperckim, że nasz eksperyment nie stwarza zagrożenia zarówno dla astronautów, jak i całej infrastruktury, czyli pojazdu, który będzie wynosił nasz ładunek oraz samej Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Wiązało się to z bardzo dużą ilością pracy i muszę przyznać, że czas poświęcony na przygotowanie odpowiedniej dokumentacji był znacznie większy niż czas na przygotowanie samego eksperymentu. Póki co, to była główna trudność w naszym eksperymencie, który chcemy wykonać.

To jak rozumiem, chodzi o to, żeby udowodnić, że to nie wybuchnie, że to nie będzie wydzielać jakichś gazów? Co jeszcze?

Czy przy uszkodzeniu na przykład opakowania, coś, co wydostanie się na zewnątrz nie będzie szkodliwe, toksyczne? I czy będzie to można w łatwy sposób usunąć z przestrzeni stacji kosmicznej? Problem jest taki, że coś w formie pylącej, proszku, rozsypane w warunkach, gdzie nie ma grawitacji, stanowi nie lada wyzwanie, żeby to usunąć. Jeżeli na przykład systemy filtracji to pochłoną, to automatycznie stracą one na wydajności. Tak więc tutaj chcieliśmy postawić na materiały lite, które nie będą pylić, nie będą wydzielać żadnych gazów toksycznych czy też produktów rozkładu w momencie na przykład gdyby wystąpił pożar. No i zabezpieczyliśmy nasze próbki w wielowarstwowe opakowanie, składające się głównie z folii termozgrzewalnych. Tutaj na początku chcieliśmy zastosować jedynie 3 warstwy. Jednak na wniosek pracowników Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) zastosowaliśmy aż 6 warstw, żeby zabezpieczyć nasz ładunek.

Każdy kilogram wynoszony na orbitę to są duże pieniądze. To są duże koszty. Ile waży państwa eksperyment?

To jest właśnie kolejna zaleta naszego eksperymentu, ponieważ całkowita waga ładunku nie przekracza dwóch kilogramów. Tak więc koszt wyniesienia był znikomy. Też nie zajmuje dużo miejsca, ponieważ objętość to jest mniej niż 5 litrów. Tak więc to był zdecydowanie dla nas plus.

Proszę mi coś powiedzieć o samym przygotowaniu wniosku i tym momencie, kiedy pan się dowiedział, że jest taka szansa i że można spróbować rzeczywiście jakiś eksperyment zaproponować.

Generalnie plan na zawartość tego wniosku miałem gdzieś z tyłu głowy, ponieważ już kilka lat temu była okazja do złożenia takiego wniosku w ESA. Dlatego kiedy dowiedziałem się o tym, że mamy możliwość wzięcia udziału w takiej misji, w której również będzie brał polski udział polski astronauta, zabrałem się szybko do pracy, ponieważ został mi niecały tydzień na przygotowanie wniosku. Udało się go złożyć w terminie i też udało się go dostać. W zasadzie informację zwrotną o tym, że zostaliśmy zaproszeni do wzięcia udziału w przedsięwzięciu otrzymaliśmy praktycznie po ogłoszeniu wyników.

Charakter tego eksperymentu, czyli właśnie to, że można go odnieść do przyszłości misji kosmicznych, tak naprawdę do tego, o czym czasem się mówi, czyli wręcz zasiedlania innych planet, bo zdajemy sobie sprawę, że choćby podróż na Marsa i z powrotem zajmuje tak dużo czasu, że leki muszą być tam bezpieczne, to wydaje się, że ułatwiło państwu zadanie, bo to jest zdecydowanie eksperyment, który wybiega w przyszłość astronautyki.

Zdecydowanie tak. Tutaj generalnie myślimy o tych długoterminowych misjach. Niestety, po drodze na Marsa nie ma apteki, żeby można było uzupełnić zapasy. Tak więc to, co zostanie zabrane z Ziemi, chcielibyśmy, żeby służyło astronautom jak najdłużej, ponieważ są oni wystawieni na szereg bardzo takich negatywnych dla zdrowia czynników, czy to braku grawitacji, czy właśnie podwyższonego promieniowania kosmicznego. Są też w zamkniętym środowisku, gdzie ta pula bakterii cały czas się miesza, jest wymiana bakterii pomiędzy poszczególnymi osobami. Jest to też środowisko, które może powodować pewien stres i nie wiem, stany depresyjne, stany lękowe. Tak więc zabezpieczenie astronautów przez dostęp do odpowiednich leków wydaje się być kluczowe dla powodzenia misji.

A jakie powodzenie tej misji może mieć przełożenie na sytuację naszą tu na Ziemi? Na badania dotyczące zastosowań, które możemy zaobserwować tutaj u nas, w tych aptekach, które tu są...

Często bywało tak w historii, że technologie rozwijane na potrzeby lotów kosmicznych najpierw trafiały właśnie w docelowe miejsce, czyli na orbitę, a później do nas na Ziemię. Tutaj sytuacja jest odwrotna, ponieważ polimerowe biodegradowalne systemy dostarczania leków są szeroko badane przez wielu badaczy na całym świecie, nie tylko u nas. Są też już powoli wprowadzane do użytku komercyjnego. Realizując nasz eksperyment, chcielibyśmy poszerzyć zakres wiedzy w tym zakresie i dołożyć taką małą cegiełkę również do tego rozwoju polimerowych systemów dostarczania na potrzeby każdego z nas.

Proszę mi teraz powiedzieć, jak państwo będziecie śledzić wyniki tego eksperymentu. Czy to będzie tak, że on poleci, możecie zapomnieć po tym, jak zostanie już tam rozmieszczony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i dopiero pierwsze badania będą po roku, kiedy się pojawią próbki, czy też musicie na bieżąco coś sprawdzać, kontrolować, dowiadywać się?

Na bieżąco będę kontrolował temperaturę w module Columbus. Będę miał prawdopodobnie również dostęp do takiego systemu monitorowania pogody kosmicznej, tak aby móc później powiązać ilość np. rozbłysków słonecznych z wartościami, które zostaną przeczytane z detektorów promieniowania, które również dzięki tutaj uprzejmości Instytutu Fizyki Jądrowej PAN z Krakowa mogliśmy dołączyć do naszego ładunku. Poza tymi czynnościami nie mamy za bardzo dużo pracy do wykonania. Dopiero po sprowadzeniu próbek do nas do laboratorium dokonamy pewnych analiz strukturalnych, sprawdzając, czy właśnie od strony właściwości chemicznych i fizycznych zaszły w naszych próbkach jakieś zmiany.

Jak państwo jesteście umówieni na powrót tych próbek? Bo wydaje się, że na rok przed planowanym powrotem to pewnie jeszcze nie wiadomo, jaki pojazd i kto tak naprawdę osobiście je tu przywiezie. Czy będzie to załogowy pojazd, czy na przykład którejś z misji transportowych, która wraca i ląduje?

Myślę, że jeszcze nie jest to oficjalnie potwierdzone, ponieważ rok to tutaj jest sporo czasu. Natomiast jesteśmy z pewnością uwzględnieni już w harmonogramie i myślę, że będzie to pojazd, który w aktualnym momencie będzie dostępny, po prostu taki pojazd, który będzie miał miejsce i będzie możliwość. Nie mówię, że to będzie co rok dokładnie, bo może być to na przykład po dziewięciu miesiącach, może być na przykład po 12, po 14 miesiącach. Natomiast musimy czekać na to, co nam po prostu przyniesie los, ponieważ na pewne sprawy nie mamy wpływu w tym momencie.