Krabí krev pro astronauty

Astronauti na ISS budou už brzy testovat nový přístroj, který využívá jednoduchých enzymů z krabů trnitých (horseshoe crab) pro diagnózu lidských onemocnění.

Představte si, že se nacházíte na palubě lodi, která míří k Marsu. Jste zhruba v polovině cesty, když vás začne bolet při polykání v krku a cítíte, že máte horečku. Nechcete onemocnět, ani nakazit své kolegy. Máte si vzít antibiotika nebo ne? A pokud ano, tak jaká? S novou biologickou laboratoří na mikročipu (lab-on-chip), kterou vyvíjí NASA ve spolupráci s externími vědci, můžete znát odpověď do pěti minut.

Pozn.: laboratoř na mikročipu byla vyvinuta asi před deseti roky. S mikročipem, tak jak ho známe z počítačů, má ovšem společnou jen velikost, která činí několik centimetrů čtverečních. Biologická laboratoř na čipu převádí laboratorní procesy na čip, který je tvořen množstvím kanálů a zásobníků o průměru několika desítek mikrometrů. Naplnění kanálů gelem a zásobníků pufrem a vzorky umožňuje provedení elektroforézy v miniaturním měřítku. Jednotlivé kapaliny jsou vedeny elektrokinetickými nebo tlakovými silami do separačního kanálu, který je umístěn uprostřed čipu. Jednotlivé separované komponenty procházejí detekčním bodem, kde jsou detekovány pomocí LIF (laserem indukovaná fluorescenční detekce), který monitoruje fluorescenci. Optická fluorescence je následně převedena do elektrického signálu. Více se o této technologii můžete dočíst např. Zde

Minilaboratoř se označuje zkratkou LOCAD-PTS (Lab-On-a-Chip Application Development–Portable Test System). Poslední verze má podobu lehce přenosného přístroje a na palubě ISS by se měla začít testovat v prosinci 2006.

Na Zemi je zatím nejvěrohodnější metodou, jak určit nemoc, kultivace vzorku tělních tekutin (výtěr z krku, vzorek krve nebo moči) v Petriho misce. Kultivace jednoznačně ukáže, zda je infekce virového původu (tedy nebude na antibiotika reagovat) nebo bakteriálního původu (bude reagovat). Kultivace rovněž určí druh infekce a proto i nejefektivnější způsob léčby.

Kultivace vzorků v Petriho misce je však na misi k Marsu nepraktická, hlavně proto, že zabere dva až tři dny a za tu dobu už člověk může velmi onemocnět. Diagnóza pomocí LOCAD-PTS je oproti tomu velmi rychlá – výsledky jsou hotové během pěti až patnácti minut. Přístroj je také velice přesný – je schopný detekovat i jednotlivé bakterie.

Funkce přístroje je podmíněna čtyřmi enzymy získanými z červených krvinek jednoho z nejstarších živočichů žijících na Zemi – kraba trnitého. Krab trnitý, což je živočišný druh, který na Zemi přežívá už asi 300 miliónů let, má velice jednoduchý, ale citlivý imunitní systém. Na jeho spuštění stačí jedna jediná bakterie.

Výjimečná citlivost enzymů z kraba a jejich rychlá odezva předurčuje tyto enzymy k širokému využití v lékařském výzkumu, kde se pomocí nich testuje především efektivita léčiv a přístrojů. (Z krabů se vezme trochu krve a samotná zvířata jsou pak vrácena do přírody, takže jim výzkum neublíží. Zatím nebyla za enzymy z krabů objevena žádná vhodná syntetická náhrada.)

Jsou to tyto enzymy z kraba trnitého, které umožňují minilaboratoři LOCAD-PTS, aby byla tak malá, citlivá a rychlá. Nejdříve se malé množství enzymů vpraví do kanálků na mikročipu a vysuší se. Pokud do kanálků následně připustíme tekutý vzorek, který chceme zkoumat, enzymy se znovu rehydrují. Obsahuje-li vzorek bakterie, pak jejich toxiny spustí enzymy a ty změní barvu tekutiny. Čím více zárodků bakterií vzorek obsahoval, tím výraznější bude změna barvy.

Experiment, který se rozběhne v prosinci, má za úkol srovnat LOCAD-PTS a v praxi osvědčenou metodu kultivace v Petriho miskách. Po dobu šesti týdnů budou astronauté pravidelně lepit na nekryté plochy lepkavou náplast a kolem ní umístí vatový tampón.

Každá bakterie, která se zachytí na lepkavé náplasti, bude vpravena do mikrolaboratoře LOCAD, a každá bakterie zachycená na tampónu bude kultivována. O několik dní později se kolonie bakterií spočítají klasickým způsobem.

Tato procedura využívá faktu, že lidé nejsou jedinými „astronauty“ ve vesmíru – interiér ISS je, stejně jako zdi, podlahy a kuchyňské linky zde na Zemi, bohatý na bakterie.

Od minilaboratoře LOCAD-PTS se samozřejmě očekává, že bude rychlá – ale jak je to s její přesností? Zatím je velkou neznámou, jak dobře si LOCAD-PTS povede s rozpoznáváním jednotlivých typů bakterií a jak přesně budou změny barvy odpovídat počtu bakteriálních kolonií. Rovněž se teprve uvidí, jestli obsluha přístroje bude jednoduchá a praktická při manipulaci ve stavu beztíže.

Pokud vše půjde podle plánu, pak už v příští generaci LOCAD-PTS bude možné odebrat vzorek z krku astronauta, který se necítí zdráv, vpravit jej do přístroje a skutečně během pár minut obdržet diagnózu typu: „Vezměte si dva Amoxicilliny a přijďte se mi ukázat ráno.“

Původní článek v angličtině: NASA