Perché continuiamo a investire miliardi per tornare sulla Luna e prepararci a raggiungere Marte? Non è soltanto una questione di esplorazione o prestigio tecnologico. Nello spazio, infatti, il corpo umano è sottoposto a condizioni impossibili da replicare sulla Terra: microgravità, radiazioni cosmiche e isolamento accelerano processi biologici che qui richiederebbero anni per manifestarsi. E così, dalle cellule coltivate su organ-on-chip agli studi sull'invecchiamento e sulla medicina di precisione, la ricerca aerospaziale sta trasformando le missioni spaziali in laboratori unici per comprendere meglio malattie, sviluppare nuove terapie e migliorare la salute di tutti noi.
Al racconto dell’umanità nello spazio a volte manca qualcosa. Spesso le missioni spaziali vengono raccontate come eventi grandiosi, emotivi, momenti nei quali i limiti dell’essere umano sono messi alla prova – e a volte superati. Una narrazione che tiene le persone col naso all’insù ma che a volte manca di rispondere a una domanda: dopotutto, a cosa serve andare nello spazio?
Parte della risposta alla domanda viene dalla missione Artemis II, che lo scorso aprile ha riportato un equipaggio di quattro astronauti nell’orbita lunare. Oltre alle foto del pianeta Terra e quelle di un barattolo di una nota crema spalmabile, la missione è stata l’occasione per raccogliere dati sul nostro satellite naturale e svolgere esperimenti. Uno di questi è stato AVATAR (A Virtual Astronaut Tissue Analog Response), che ha portato sulla navicella Horizon le cellule emopoietiche dello stesso equipaggio coltivate su organ-on-chip.
L’esperimento si è svolto in condizioni che sul nostro pianeta sarebbero difficilmente riproducibili, con lo scopo di ampliare le conoscenze su cosa accada alla vita portata al di fuori del pianeta.
«Lo spazio è una piattaforma scientifica unica». Così descrive l’ambiente extraterrestre Giovanni Marfia, maggiore del corposanitario aeronautico e professore al Dipartimento di Scienze della salute dell’Università degli Studi di Milano. Il maggiore è anche direttore del CeMATA (Centro di Medicina Aerospaziale per le Terapie Avanzate), la prima piattaforma di ricerca avanzata italiana che unisce le competenze scientifiche accademiche a quelle tecnologiche dell’aeronautica militare per lo studio della medicina aerospaziale. Il think tank è nato dalla collaborazione tra Aeronautica Militare e Università degli Studi di Milano. «Sulla Terra si punta sempre più allo sviluppo tecnologico di piattaforme che ci consentono di essere sempre più performanti nel campo della medicina di precisione. Lo spazio, in qualche modo, è una piattaforma naturale».
Quello a cui si riferisce Marfia è l’insieme degli stimoli a cui gli astronauti – e di conseguenza le loro stesse cellule – sono sottoposti. Parliamo di una quasi assenza di gravità (o microgravità), presenza di radiazioni cosmiche e in generale fattori stressogeni come l’isolamento forzato a cui l’equipaggio è costretto. Si parla quindi di space exposome, l’insieme degli stimoli spaziali esterni che si realizzano simultaneamente durante il volo nello spazio.
L’insieme di questi fattori produce risposte già conosciute dalla medicina aerospaziale. La più nota è la perdita di tono muscolare, cosiddetta sarcopenia, ma ci sono anche fenomeni di rimodellamento neuronale, assottigliamento dei dischi intervertebrali e risposte infiammatorie aumentate. «Parlando del sistema cardiovascolare, questo è uno dei comparti dell’organismo che risente maggiormente della microgravità. Sulla Terra i liquidi gravano verso il basso, ma in assenza di gravità avviene una redistribuzione verso l’alto. Ed è questo il motivo per cui i volti degli astronauti in orbita ci appaiono piuttosto gonfi». D’altro canto, l’organismo umano si è evoluto per milioni di anni sulla Terra, e qui incontra per la prima volta condizioni mai sperimentate in tutta la sua storia evolutiva andando incontro a un generale riassetto fisiologico.
Al di là di fenomeni più o meno curiosi, Marfia spiega che quel che si osserva a livello cellulare è soprattutto un “invecchiamento accelerato”. «L’invecchiamento cellulare è alla base di moltissime patologie, alcune tra le più impattanti sulla società. Tra queste ci sono le malattie neurodegenerative, quelle cardiovascolari ma anche l’insorgenza di mutazioni genetiche alla base dei tumori». Nello spazio i fenomeni molecolari responsabili della senescenza cellulare, come lo stress ossidativo, avvengono molto più rapidamente, offrendo l’occasione per studiare da vicino eventi che sulla Terra avverrebbero in anni, se non decenni.
In qualche modo quindi, quel che nasce nello spazio è a servizio della vita sulla Terra. È per questo che Marfia parla della ricerca aerospaziale come una ricerca «dual use»: da un lato imprime forza allo sviluppo di nuove conoscenze nella “medicina terrestre”, dall’altro ci permette di capire come si comporta il nostro organismo quando si trova in orbita.
Quest’ultimo punto è essenziale per garantire la salute dell’equipaggio durante le missioni spaziali, soprattutto in vista di missioni più lunghe come la presenza stabile sulla Luna o la tanto sognata conquista di Marte. «Il volo è fatto da due componenti: la macchina, che l’ingegneria ha reso sempre più performante, e il fattore umano su cui invece non si può agire dal punto di vista della progettazione» spiega Marfia, sottolineando come la possibilità di azione stia nella prevenzione. In tal senso la ricerca spaziale sta sviluppando l’utilizzo di presidi nutraceutici, integratori alimentari che mitigano l’effetto di depauperamento dei tessuti.
Marfia ricorda inoltre il ruolo della medicina spaziale come propulsore della conoscenza biomedica e delle tecnologie affini. «Il volo ad alte prestazioni è da sempre un grande acceleratore di tecnologia. Basti pensare ad alcuni metodi diagnostici, come la TAC, oppure alle conoscenze raggiunte in campo epigenetico». Su quest’ultimo punto, Marfia fa riferimento al celebre esperimento NASA Twin study, che vide protagonisti i gemelli monozigoti Scott e Mark Kelly. Tra il 2015 e il 2016 Scott trascorse quasi un anno sulla Stazione Spaziale Internazionale, mentre Mark rimase sulla Terra come controllo biologico. Al rientro dall’ISS, il confronto genetico tra i due permise di osservare come lo space exposome influenzò vari processi biologici tra cui l’espressione genica. Molte alterazioni si rivelarono reversibili, ma lo studio mostrò che lo spazio lascia tracce misurabili fino al livello molecolare.
Gli stessi organ-on-chip sono un supporto di sviluppo abbastanza recente. Utilizzati per la prima volta nel 2018 a bordo dell’ISS (anche in quel caso montavano cellule immunitarie), portano la sofisticatezza delle classiche colture cellulari a un livello superiore. «Si cerca di simulare la complessità dei compartimenti corporei, dove una cellula non è mai sola», spiega Marfia, che aggiunge come lo scopo di questi supporti – dalle dimensioni contenute – sia quello di mimare le strutture reali, come la vascolarizzazione. Marfia testimonia l’esperimento condotto nel 2023 nel contesto della missione VIRTUTE-1, che ha portato in volo suborbitale sul deserto del New Mexico dei brain-on-chip. «In quel caso l’esperimento si focalizzava sulla plasticità neuronale. I campioni di cellule coltivate in 3D sono stati sottoposti ad alcuni minuti di volo sub orbitale alloggiati nelle tasche dell’equipaggio. Una volta a terra, abbiamo raccolto i dati su biomarcatori confrontandoli con i campioni prelevati direttamente dai piloti». Un approccio analogo è stato quello utilizzato per AVATAR, dove gli organ-on-chip montavano le cellule emopoietiche dell’equipaggio stesso. «Lo scopo era confrontare ciò che avveniva nel complesso dell'organismo e quel che succedeva negli organ-on-chip».
Più di recente, le ricerca in medicina spaziale punta a contribuire nel generare nuove conoscenze al servizio della medicina di precisione. In questo ambito lo scopo è quello di sviluppare strategie terapeutiche mirate, profilate sulle caratteristiche molecolari e genetiche del paziente più che sulla malattia. Anche grazie all’utilizzo di algoritmi e reti neurali, i dati raccolti su una popolazione sana e pressoché standardizzata - come i piloti di aeronautica - permettono di fare inferenze su gruppi più disomogenei. In questo modo, gli esperimenti eseguiti in condizioni eccezionali e su una popolazione ridotta permettono di produrre una conoscenza più ampia, che vada a beneficio di tutta la popolazione.
