宇宙では老化速度が低い？
小型衛星における顕微鏡アプリケーションによる人間の細胞の研究
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ます。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しょうか。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しょうか。Swiss Artificial Gravity Experiment (SAGE) はこの研究タスクに特化して取り組んでいます。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ます。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ますが、これはきわめて厳しい要件を満たす必要があります。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します。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。
人体では、加齢プロセスは細胞レベルで発生し、これを老化と呼びます。これは、細胞が分裂を停止し、炎症因子を分泌する現象です。「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 氏は言います。
ラボのテストでは、U3-38J1XLE-C-HQ が顕微鏡で使用されました。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 を撮影します。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ます。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ます。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ます。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みます。Sony 製ローリングシャッターセンサー IMX415 from は高解像度なので、個々の細胞をそれぞれ識別できます。センサー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ます。青色 LED でマイクロ流体チップ内の細胞を励起します。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ます。光学的フィルターにより、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ます。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ります。
「カメラには、露出時間や色フィルターなど、ソフトウェアに関連する多数の設定オプションがあり、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」
「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 氏は言います。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ました。「カメラには、露出時間や色フィルターなど、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ります。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します。
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ます。2x2 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します。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します。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ます。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、地球に送信します。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、テストしました。
システムや CubeSat の要件は高いものです。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ります。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ります。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ます。
今後の予定
実験は 3 年間を予定しています。調査結果に基づいて、さまざまなシナリオが考えられます。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みます。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ります。さらに、腫瘍の進行にも関与すると考えられています。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ます。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ます。
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ます。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す。「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 は言います。
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
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クライアント
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ます。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ます。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 衛星も開発中です。