Credito:ESA/NASA
La magnetosfera terrestre ci protegge dai raggi cosmici più dannosi che bombardano il nostro pianeta ma al di là di questo scudo naturale, gli astronauti sono sottoposti a radiazioni cento volte superiori a quelle del livello del mare.
I rischi delle radiazioni sono sotto i riflettori degli sforzi di ricerca dell'ESA. La prima "scuola estiva sulle radiazioni" si è svolta l'anno scorso per formare gli studenti e stimolare nuove idee per la ricerca sugli effetti delle radiazioni spaziali sugli esseri umani.
I giovani ricercatori hanno ricevuto un'introduzione alla fisica e alla biologia delle radiazioni e hanno dovuto pensare a esperimenti biologici da eseguire in numerosi acceleratori di particelle partner dell'ESA in tutta Europa. Le migliori proposte hanno vinto l'opportunità di accendere l'acceleratore e sparare particelle atomiche al loro esperimento.
Irradiazione di cellule staminali
Il primo premio della summer school Radiazioni 2019 è andato a Emiliano Bolesani, un ricercatore con sede in Germania, che è desideroso di identificare la risposta fisiopatologica delle cellule del cuore quando esposte alle radiazioni cosmiche. Per fare questo, Emiliano ha proposto di utilizzare cellule staminali per la crescita di strutture di tessuto cardiaco che verranno poi poste all'estremità ricevente dell'acceleratore di particelle del centro GSI Helmholtz per la ricerca sugli ioni pesanti a Darmstadt, Germania.
La novità di questo approccio è la crescita di microtessuti cardiaci per imitare la composizione cellulare del cuore umano.
Rappresentazione artistica (non in scala) che idealizza come il vento solare modella le magnetosfere di Venere (in alto), Terra (al centro) e Marte (in basso). A differenza di Venere e Marte, La Terra ha un campo magnetico interno che devia le particelle cariche del vento solare mentre si allontanano dal Sole, ritagliando una "bolla" - la magnetosfera - intorno al pianeta. A Marte e Venere, che non generano un campo magnetico interno, il principale ostacolo al vento solare è l'alta atmosfera, o ionosfera. Proprio come sulla Terra, la radiazione ultravioletta solare separa gli elettroni dagli atomi e dalle molecole in questa regione, creando una regione di gas elettricamente carico – ionizzato –:la ionosfera. A Marte e Venere questo strato ionizzato interagisce direttamente con il vento solare e il suo campo magnetico per creare una magnetosfera indotta, che agisce per rallentare e deviare le particelle del vento solare intorno al pianeta. Credito:ESA
Emiliano vuole scoprire quale tipo di cellule è più suscettibile ai danni da radiazioni:cardiomiociti, cellule endoteliali, cellule muscolari lisce o fibroblasti e identificare come si influenzano a vicenda. I dati aiuteranno a creare un modello analitico per prevedere come le cellule interagiranno tra loro di fronte alle radiazioni.
"Spero che il sistema possa essere utilizzato anche in futuro per lo screening di molecole che potrebbero impedire alle cellule di subire danni da radiazioni, "dice Emiliano, dalla Scuola di Medicina di Hannover.
"È emozionante utilizzare le strutture esclusive offerte, ma ancor di più che questa ricerca potrebbe avere implicazioni dirette nel limitare gli effetti indesiderati sul sistema cardiovascolare dopo la radioterapia. Questa strategia potrebbe essere estesa ad altri organi in futuro e potrebbe aiutare a salvaguardare la salute degli astronauti durante l'esplorazione dello spazio profondo".
L'acceleratore ad anello SIS-18 può sparare ioni a bersagli tra cui cellule biologiche, ricreare la radiazione cosmica. L'analisi del modo in cui gli ioni interagiscono aiuterà i progettisti di missioni a sviluppare nuovi modi per ridurre al minimo i rischi delle radiazioni cosmiche. Gli ioni vengono accelerati con magneti al 90% della velocità della luce, o 270.000 km/s. Questa immagine mostra un elemento di diagnosi del raggio, che consente agli scienziati di analizzare la forma del fascio di ioni mentre lo attraversa. Credito:Gabi Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Un nuovo acceleratore internazionale, lo strumento per la ricerca sugli antiprotoni e gli ioni (FAIR), ora in costruzione vicino a Darmstadt, Germania, presso l'attuale GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research (GSI), fornirà fasci di particelle come quelli che esistono nello spazio e li metterà a disposizione degli scienziati per studi che verranno utilizzati per rendere i veicoli spaziali più robusti e aiutare gli umani a sopravvivere ai rigori del volo spaziale. Per esempio, i ricercatori saranno in grado di studiare come le cellule e il DNA umano vengono alterati o danneggiati dall'esposizione alle radiazioni cosmiche e come i microchip resistono alle condizioni estreme nello spazio. Elemento centrale di FAIR sarà un nuovo anello acceleratore con una circonferenza di 1100 m, in grado di accelerare i protoni a velocità prossime alla luce. Gli attuali acceleratori GSI verranno riutilizzati per fungere da pre-acceleratori per la nuova struttura FAIR. Questa immagine mostra l'attrezzatura ad alta tecnologia che genera le particelle, che vengono poi iniettati nei sistemi acceleratori GSI e FAIR. Credito:GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH/Jan Michael Hosan 2018
Le radiazioni cosmiche potrebbero aumentare i rischi di cancro durante le missioni di lunga durata. I danni al corpo umano si estendono al cervello, cuore e il sistema nervoso centrale e pone le basi per le malattie degenerative. Negli astronauti è stata segnalata una percentuale più elevata di cataratta ad esordio precoce. Il campo magnetico e l'atmosfera della Terra ci proteggono dal bombardamento costante dei raggi cosmici galattici, particelle energetiche che viaggiano a una velocità prossima alla luce e penetrano nel corpo umano. Una seconda fonte di radiazioni spaziali proviene da eventi imprevedibili di particelle solari che forniscono alte dosi di radiazioni in un breve periodo di tempo, portare alla "malattia da radiazioni" a meno che non vengano prese misure protettive. Credito:ESA
Avanti... cellule astronauta
Emiliano ha lavorato con un team per proporre un'idea più dettagliata per la raccolta di cellule dagli astronauti prima e dopo un volo spaziale. I tessuti e gli organi cresciuti dalle cellule degli astronauti potrebbero essere posti sotto il raggio di un acceleratore di particelle per vedere la loro reazione alla radiazione spaziale simulata.
Questo studio potrebbe far luce sugli indizi cellulari e molecolari alla base della risposta individuale alle radiazioni spaziali.
"Ognuno di noi ha una diversa suscettibilità alle radiazioni, " spiega Emiliano, "questo è un problema per la radioterapia in quanto può influenzare l'efficacia dei trattamenti sulla Terra, oltre ad avere implicazioni per gli astronauti esposti alle radiazioni spaziali.
"L'altra domanda alla base di questo potenziale studio successivo è se le cellule si adattano durante il volo spaziale e "ricordano" dopo essere tornate sulla Terra:i cambiamenti epigenetici e fisiologici durano più a lungo? In altre parole, il volo spaziale è "catturato" come un'impronta nel nostro DNA?"
