Biologia nello spazio

1. Cellule e Spazio
Francesca Ferranti & Sara Piccirillo
Progetto didattico
A lezione sulla Stazione Spaziale Internazionale (LISS)
Roma, 4 febbraio 2015

2. La Biologia Spaziale
La finalità dell’esplorazione umana dello Spazio è quello di rendere possibile la
vita dell’essere vivente al di fuori della Terra e di realizzare insediamenti umani.
E’ dunque importante conoscere le modificazioni che avvengono a carico
dell’organismo e di come questo possa adattarsi a un ambiente diverso da quello
da cui proveniamo (microgravità e radiazioni cosmiche).

3.  acquisire nuove conoscenze sulla nostra capacità di vivere e lavorare nello
Spazio;
 esplorare il ruolo della gravità e delle radiazioni nei processi di formazione,
evoluzione, sviluppo e invecchiamento della vita sulla Terra;
 comprendere l’influenza della gravità e delle radiazioni nei processi biologici
fondamentali focalizzando l’attenzione su cellule e su piccoli organismi,
animali e vegetali.
La Biologia Spaziale
Si propone di:

4. La sperimentazione nello Spazio è particolarmente complicata, dispendiosa e limitata dalle
condizioni ambientali, dagli spazi a disposizione, dal numero degli operatori
(astronauti/cosmonauti), dalla strumentazione disponibile, dalle opportunità di volo…
Come avviene sulla Terra, gli esperimenti vengono effettuati sull’essere umano e sull’animale da
laboratorio, su piante e su cellule sia di origine animale che vegetale.
L’uso delle cellule o di piccoli organismi rende la sperimentazione più semplice consentendo
la ripetibilità, la comparazione con i controlli a terra e lo sviluppo di strumentazione di bordo
meno ingombrante e spesso automatica e indipendente, almeno parzialmente,
dall’intervento dell’uomo.
La Biologia Spaziale

5. Cosa studia la Biologia Spaziale?
La cellula
Mitocondri
Ribosomi
Reticolo endoplasmatico rugoso
Membrana plasmatica
Nucleo
Cromatina
Membrana nucleare
Pori nucleari
Nucleolo
Apparato Golgi
Citoplasma
Lisosomi
Citoscheletro
Reticolo endoplasmatico
liscio
Ribosomi
Centrioli

6. I tessuti si organizzano in una determinata
zona anatomica a formare ORGANI
L’insieme di cellule con funzioni simili ma
distribuite in zone anatomiche differenti
oppure l’insieme di organi con ruoli simili o
correlati formano i SISTEMI
Negli organismi pluricellulari cellule con
differenti funzioni si organizzano a costituire
aggregazioni, i TESSUTI
Cosa studia la Biologia Spaziale?

7. …assumono forma e dimensione diversa per consentire l’architettura tipica di
ogni tessuto, finalizzata a svolgere le specifiche funzioni che lo caratterizzano.
Le cellule eucariotiche presentano una organizzazione di base simile ma…

8. Che faccia ha una cellula?

9. Che faccia ha una cellula?
Microscopio elettronico
a scansione
Microscopio elettronico
a trasmissione
Microscopio ottico a fluorescenza
Membrana plasmatica
Reticolo Endoplasmatico
Granuli di Secrezione
Mitocondrio
Nucleo
Nucleolo
Apparato di Golgi
Microscopio ottico

10. La sperimentazione nei campi della Biologia e Biomedicina Spaziale è stata possibile
grazie all’utilizzo di diversi vettori e piattaforme spaziali, dai razzi sonda allo Space
Shuttle, alle stazioni orbitanti MIR e ISS.
Sperimentare nello spazio…
Razzo sonda Space Shuttle ISSMIR

11. Sperimentare a terra: la microgravità simulata
Random Positioning machine (RPM)Clinostato
La sperimentazione biologica viene effettuata anche in studi di simulazione a Terra
utilizzando il clinostato e/o la Random Positioning Machine.

12. La Biologia Spaziale: ritorni a terra
Nel corso degli ultimi due decenni, il crescente interesse per la Biologia Spaziale
ha permesso di comprendere meglio alcune patologie umane simili a quelle
riscontrate durante il volo spaziale, ma straordinariamente accelerate da questo
ambiente:
Invecchiamento
Osteoporosi
Atrofia muscolare
Patologie degenerative

13. Cosa accade a una cellula in microgravità?
Apoptosi
Espressione genica
Cambiamenti di forma
Proliferazione
Differenziamento

14. CYTOSPACE
Microgravity and cells: morphotype and
phenotype correlation
Ops Nom: Cell Shape And Expression

15. Il citoscheletro
Tubulina

16. Il citoscheletro
Rosso: Actina
Verde: Tubulina
Blu: Nuclei

17.  Il citoscheletro definisce la forma della cellula. Forze fisiche, come la
microgravità, influenzano la forma cellulare.
 Si intende investigare l’ipotesi che vi sia una correlazione tra la forma
cellulare e l’espressione genica.
 L’esperimento Cytospace propone una cultura cellulare bidimensionale
come modello per studiare la correlazione tra forma cellulare e espressione
genica.
Background scientifico e ipotesi
Contenitore di lancio BIOKIT con
controllo passivo della
temperatura
Contenitore sperimentale KIC Unità
sperimentale

18.  L’ambiente microgravitazionale fornisce l’opportunità di studiare l’impatto delle
forze fisiche su forma e destino cellulare.
 L’esperimento si propone di definire un modello in grado di descrivere gli effetti
della microgravità reale e simulata sul citoscheletro e sulla forma della cellula.
Risultati attesi e applicazioni
 Una migliore comprensione dei meccanismi coinvolti nella correlazione tra forma
cellulare e espressione genica potrebbe tradursi in applicazioni biotecnologiche e
lo sviluppo di contromisure farmacologiche. La correlazione tra forma e patologia
è ben descritta ad esempio nei tumori.

19. NAnoparticles based countermeasures for
Treatment of microgravity induced Osteoporosis
Ops Nom: Nanoparticles and Osteoporosis

20. Gli effetti a carico dell’uomo sono molteplici ma i più evidenti e rapidi sono
legati a modificazioni del sistema muscoloscheletrico, neurovestibolare e
immunitario e a redistribuzione dei fluidi corporei (puffy face e chicken legs).
Effetti della microgravità sulla fisiologia umana

21. TESSUTO OSSEO
CELLULE
MATRICE
EXTRACELLULARE
Cellule osteoprogenitrici
Osteoclasti
Osteoblasti
Osteociti
COMPONENTE
FIBROSA
SOSTANZA AMORFA
FONDAMENTALE
Collagene Proteoglicani
Glicoproteine leganti il calcio
Cristalli di sali di calcio
(idrossiapatite)
Sostanza inorganica (70%)
Sostanza organica (30%)
LEGENDA
Il tessuto osseo

22.  Il tessuto osseo è una forma specializzata di tessuto connettivo di natura organica
(collagene, glicoproteine) e inorganica (fosfato di calcio in forma di cristalli di
idrossiapatite e stronzio).
 La microgravità modifica il metabolismo del tessuto osseo portando ad alterazioni
nel processo di rimodellamento dell’osso e causando una perdita di massa ossea
simile a quella riscontrata nell’osteoporosi.
Microgravità
 L’esperimento si propone di studiare l’effetto in vitro di nanoparticelle di idrossiapatite
arricchite in stronzio sulla vitalità e sul differenziamento di osteoblasti e osteoclasti in
condizioni di microgravità reale e simulata.
Background scientifico e ipotesi

23. 4-6 months of permanent stay on ISS
Bone (30-40 Yrs) Osteoporosis
30 Yrs on the earth
Fragile bones
Bone Remodeling
Osteoclasts
Osteoblasts
Risultati attesi e applicazioni
 Riduzione degli effetti della microgravità sul tessuto osseo: ripristino
dell’equilibrio tra formazione e riassorbimento osseo.
 Miglioramento della qualità della vita degli astronauti.
 Sviluppo di una nanotecnologia per il trattamento e la cura di milioni di persone
affette da osteoporosi sulla Terra e riduzione dei costi sanitari associati.
Nanoparticelle di idrossiapatite

24. Spazio alle domande!!!