Công nghệ Không gian NASA và Bệnh tiểu đường

Công nghệ vũ trụ của NASA và bệnh tiểu đường có điểm gì chung? Thực ra là khá nhiều.

Mối liên hệ giữa NASA và công nghệ bệnh tiểu đường là một chủ đề nổi bật tại cuộc họp thường niên gần đây của Hiệp hội Công nghệ Bệnh tiểu đường được tổ chức vào ngày 14-16 tháng 11 tại Bethesda, MD. Tại cuộc họp # 2019DTM đó, một bác sĩ của NASA đã tóm tắt lại một số điểm trùng lặp về công nghệ đáng chú ý hơn trong những năm qua và nói về các dự án hiện tại.

“Bạn có thể tự hỏi NASA đang làm gì ở đây, không gian và bệnh tiểu đường kết hợp với nhau như thế nào,” Tiến sĩ Victor Schneider, nhân viên y tế nghiên cứu của Chương trình Nghiên cứu Y sinh và Biện pháp Đối phó của NASA ở Washington DC cho biết “NASA là một tổ chức công nghệ, và chúng tôi đã có quan tâm đến bệnh tiểu đường và công nghệ trong một thời gian dài, bởi vì đã có những ứng dụng cụ thể được áp dụng cho bệnh tiểu đường và sức khỏe cá nhân, và điều đó quan trọng khi chúng tôi chuẩn bị cho những sứ mệnh này. ”

NASA đang tích cực khám phá các công nghệ liên quan đến sức khỏe khi dự kiến ​​các sứ mệnh do con người dẫn đầu lên mặt trăng vào năm 2024 và lên sao Hỏa vào năm 2035, như một phần của chỉ thị chính sách không gian mới của họ kêu gọi con người mở rộng hệ mặt trời. Nghiên cứu của họ nhằm mục đích trang bị tốt hơn cho các phi hành gia và tàu vũ trụ cho các sứ mệnh trong tương lai.

Lịch sử của NASA và bệnh tiểu đường

Thật không may, những người mắc bệnh tiểu đường phụ thuộc insulin vẫn không thể trở thành phi hành gia, mặc dù họ chắc chắn có thể làm việc trong các vai trò khác của NASA, chẳng hạn như điều khiển chuyến bay.

Nhưng trong vài thập kỷ qua, chúng ta đã thấy những ứng dụng thú vị của công nghệ NASA được áp dụng cho thế giới bệnh tiểu đường - từ vi trọng lực không gian ảnh hưởng đến việc tạo ra insulin, đến máy theo dõi lượng đường liên tục được sử dụng để theo dõi sức khỏe và sinh trắc học của các phi hành gia, đến việc đóng gói đảo nhỏ và máy bơm insulin cấy ghép đã được chuyển thể từ thiết kế tàu vũ trụ.

Tin tức lịch sử thú vị: Thực sự là cách đây 33 năm vào tuần trước (vào ngày 10 tháng 11 năm 1986), một trong những công nghệ điều trị bệnh tiểu đường do NASA hỗ trợ - một máy bơm insulin cấy ghép được phát triển bởi MiniMed - đã được đưa vào bệnh nhân đầu tiên trên người.

Vào đầu những năm 2000, NASA đã công khai tham gia vào nghiên cứu mở rộng khả năng kháng hormone có liên quan đến bệnh tiểu đường đến các protein mục tiêu để thiết kế thuốc điều trị bệnh tiểu đường.

Vào năm 2006, một thông báo báo chí đã quảng cáo: “NASA và các trường đại học cùng tham gia để chống lại bệnh tiểu đường”. Công trình tại Đại học George Washington và Đại học Cornell tập trung vào phân tích các hình ảnh quang vi điện tử (hình ảnh từ kính hiển vi điện tử) của tế bào beta từ chuột và phản ứng của tế bào với glucose.

Và vào năm 2012, công trình này thực sự rất khoa học viễn tưởng, với các dự án như điện thoại di động có thể phát hiện bệnh tiểu đường từ hơi thở của bạn.

“Bơm Insulin Thời đại Không gian”

Bạn có biết rằng công nghệ bơm insulin có thể cấy ghép ban đầu đến từ nghiên cứu và phát triển của NASA và các hệ thống vũ trụ quân sự? Đúng vậy, cái gọi là Hệ thống Thuốc cấy có thể Lập trình là một hệ thống kiểm soát chất lỏng siêu nhỏ, được thu nhỏ ban đầu được sử dụng trong các trải nghiệm tìm kiếm sự sống xung quanh hai trong số các sứ mệnh của tàu vũ trụ Mars Viking vào những năm 70. Các phương tiện truyền thông đã rất phấn khích với điều này, các tính năng đang chạy như "Máy bơm insulin trong thời đại không gian có thể trở thành phương tiện giúp đỡ bệnh nhân tiểu đường" được đăng trên Chicago Tribune vào ngày 20 tháng 11 năm 1986.

Khi họ đang khám phá cách đi xa hơn vào không gian và vượt qua những thách thức trong việc theo dõi sức khỏe của các phi hành gia, các nhà nghiên cứu của NASA đã chuyển sang loại công nghệ này để theo dõi các dấu hiệu quan trọng - và điều đó cuối cùng đã tràn vào sự phát triển công nghệ dân sự của máy bơm insulin cấy ghép này. Sau đó, nhờ công việc của Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard trong lĩnh vực này, các chuyên gia y tế đã có thể tạo ra các thiết bị cấy ghép có thể theo dõi mức độ glucose và gửi tín hiệu để cung cấp insulin khi một phi hành gia có thể cần đến nó.

Để làm rõ, máy bơm insulin có thể cấy ghép không giống như máy bơm insulin truyền thống ngày nay được cắm vào da thông qua một cây kim nhỏ là một phần của bộ truyền dịch. Đúng hơn, đây là một thiết bị chạy bằng pin nhỏ trông giống như một quả bóng khúc côn cầu bằng kim loại nhỏ, được cấy trong một thủ thuật phẫu thuật vào một túi mô dưới da, nơi nó cung cấp insulin cơ bản qua ống thông. Nói chung, nó mang một nguồn cung cấp insulin cô đặc trong ba tháng và có thể được nạp lại mà không cần bác sĩ lấy ra khỏi cơ thể. Pin có thể tồn tại vài năm trước khi cần một máy bơm cấy ghép mới. Bệnh nhân mang một bộ điều khiển không dây tương tự như một thiết bị bơm hình ống Medtronic truyền thống, được sử dụng để lập trình liều bolus cho thực phẩm và hiệu chỉnh.

Nghe khá tuyệt phải không?

Tất nhiên, lịch sử giờ đây đã kể một câu chuyện về cách mà máy bơm insulin cấy ghép không phải là tất cả những gì mà NASA và các chuyên gia về bệnh tiểu đường dự báo trong năm ngoái.

Máy bơm insulin cấy ghép MiniMed đầu tiên được phát triển vào năm 1986, nhưng phải đến gần một thập kỷ sau, thiết bị này mới nhận được sự chấp thuận của cơ quan quản lý ở Châu Âu. Khi MiniMed cải tiến công nghệ của mình ở cả Hoa Kỳ và trên toàn cầu, nhiều bệnh nhân hơn đã bắt đầu sử dụng các thiết bị này. MiniMed cuối cùng đã phát hành các mô hình mới vào năm 2000 có bộ nhớ được cải thiện và tuổi thọ pin dài hơn.

Mọi thứ đã thay đổi khi Medtronic mua MiniMed vào năm 2001 và chỉ có những cải tiến nhỏ nhất được thực hiện trong những năm sau đó. Năm 2007, Medtronic thông báo rằng họ sẽ ngừng nghiên cứu và phát triển lâm sàng hoàn toàn cho khái niệm bơm insulin cấy ghép. Điều đó buộc người dùng phải tìm các phương án điều trị khác hoặc đi đến một nơi nào đó mà họ có thể lấy lại thiết bị hoặc thay thế nếu cần. Nguồn cung cấp ngày càng trở nên hạn chế khi nhiều năm trôi qua, vì Medtronic chỉ cung cấp một số lượng nhỏ các thiết bị cấy ghép này trên toàn thế giới, thay vào đó tập trung vào máy bơm insulin bên ngoài và công nghệ vòng kín.

Chúng tôi hiện được cho biết Medtronic đang đàm phán để chuyển IP đó cho công ty khởi nghiệp PhysioLogic Devices ở San Diego. Giám đốc điều hành của công ty đó Greg Peterson - một người tự bơm insulin cấy ghép từ đầu những năm 90! - đã tiếp quản vào đầu năm 2019 và cho biết họ đang trên một "chặng đường nhiều năm để phát triển máy bơm insulin cấy ghép hiện đại của chúng tôi, ở thế hệ thứ hai, sẽ liên kết thông qua thuật toán tùy chỉnh của chúng tôi với một máy theo dõi đường huyết liên tục." Với sự tài trợ gần đây của JDRF và cuộc họp với Ủy ban Nghiên cứu Châu Âu về việc tiếp tục hoạt động R&D này, Peterson rất lạc quan.

Tất nhiên, đó không phải là công nghệ có nguồn gốc từ không gian duy nhất vẫn được thấy ngày nay trong vũ trụ bệnh tiểu đường…

Cải tiến đóng gói tế bào từ chế độ không trọng lực

Một dự án hấp dẫn do NASA tạo ra liên quan đến việc đóng gói tế bào đảo nhỏ, khiến một cựu phi hành gia và nhà nghiên cứu bệnh tiểu đường thành lập công ty của riêng mình dựa trên ba thập kỷ làm việc trong lĩnh vực đó. Tiến sĩ Taylor Wang tại Đại học Vanderbilt ở Nashville, TN, bắt đầu công việc của mình trên một miếng dán tuyến tụy nhân tạo sinh học được gọi là Encapsulife dựa trên những quan sát vào tháng 4 năm 1985 của ông trong không gian.

Đúng vậy, anh ta thực sự đang nghiên cứu trong điều kiện không trọng lực trên tàu con thoi Challenger xấu số. Wang đang đầu quân cho Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực của Viện Công nghệ California khi anh được NASA chọn làm chuyên gia về tải trọng và là một trong bảy phi hành gia trong sứ mệnh STS-51-B kéo dài một tuần tập trung vào nghiên cứu vi trọng lực. Sứ mệnh này đã biến anh trở thành người gốc Hoa đầu tiên đi vào vũ trụ.

Theo các nhà nghiên cứu như JDRF, những gì Wang nhìn thấy trong không gian trong lĩnh vực “sự tăng trưởng và hiệu suất của viên nang polyme” là độc đáo và mang tính hình thức. Ông đã nghiên cứu cách các hình dạng quả cầu quay hoạt động như thế nào trong điều kiện không trọng lực và phát hiện ra rằng các giọt nước sẽ di chuyển vào trung tâm của các quả cầu hơn là di chuyển về phía các cạnh. Dựa trên quan sát này, vào những năm 1990, ông đã tạo ra một hệ thống bao bọc cách ly miễn dịch để bảo vệ các tế bào sống và cho phép chúng duy trì chức năng tế bào mà không cần bất kỳ loại thuốc ức chế miễn dịch nào có nhiều tác dụng phụ tiêu cực.

Miếng dán Encapsulife vá được hình dung như một “chiếc bánh kếp” công nghệ cao được tạo thành từ các viên nang polyme nhiều lớp sẽ tạo thành các hình dạng khác nhau để phù hợp với vật chủ cấy ghép. Với kích thước bằng một đô la bạc, nó sẽ được cấy dưới da, chứa hàng chục nghìn tế bào đảo nhỏ sống được bao bọc (lấy từ lợn hoặc tế bào gốc trưởng thành của con người). Nó sẽ bảo vệ các đảo nhỏ khỏi bất kỳ cuộc tấn công miễn dịch tự động nào, chào đón glucose tiêu hóa từ gan và kích thích các đảo nhỏ sản xuất insulin và tự động tiết ra insulin vào hệ thống của người bệnh tiểu đường - giống như tuyến tụy hoạt động bình thường.

Những người trong Encapsulife nói rằng “viên nang không gian” thực sự là sự tương tự tốt nhất cho cách hoạt động của miếng dán này: một sinh vật sống bên trong viên nang đang trôi nổi trong môi trường thù địch hoặc nước ngoài.

Wang đã thực hiện vòng nghiên cứu thành công đầu tiên trên động vật gặm nhấm vào những năm 90, và một thập kỷ sau vào năm 2007, ông phát hiện ra rằng những con chó mắc bệnh tiểu đường có thể được bổ sung insulin với lượng đường trong máu lúc đói bình thường trong tối đa 7 tháng. Gần đây nhất vào năm 2013, Wang đã làm việc với Tiến sĩ James Markmann tại Bệnh viện Đa khoa Massachusetts để sử dụng miếng dán tế bào sống để chống lại bệnh tiểu đường ở khỉ nhỏ mà không cần bất kỳ loại thuốc ức chế miễn dịch nào.

“Nếu không có tàu con thoi của NASA, Spacelab 3 và sự hỗ trợ nghiên cứu vi trọng lực ban đầu, thì không có tiến bộ y học sinh học nào của chúng tôi, với lời hứa cung cấp những lợi ích y tế to lớn cho nhân loại, sẽ thành hiện thực”, Tiến sĩ Wang nói với chúng tôi trước đây .

Chúng tôi không thấy nhiều điểm mới từ Encapsulife kể từ khi nó được cấp bằng sáng chế của Hoa Kỳ vào năm 2014, nhưng chúng tôi được thông báo rằng công việc phát triển vẫn tiếp tục và đầu năm nay, một chủ ngân hàng đã nghỉ hưu - Larry Lux - đã tiếp quản vị trí chủ tịch của công ty khởi nghiệp. Chúng tôi mong muốn được xem những gì sẽ xảy ra tiếp theo.

Tăng insulin trong không gian vũ trụ?

Một dự án hấp dẫn khác do NASA thực hiện là phát triển các tinh thể insulin trong không gian.

Quay trở lại cuối những năm 90, có những câu chuyện về các tinh thể insulin được nghiên cứu trên tàu con thoi và được phát triển theo những cách chưa từng thấy trên hành tinh Trái đất trước đây. Kết quả từ một thí nghiệm tăng trưởng tinh thể insulin năm 1994 trong không gian hứa hẹn một "hiểu biết mới về bệnh tiểu đường", có khả năng mở đường để giảm việc tiêm insulin bằng cách sử dụng những gì đã được phát triển trong không gian vũ trụ.

Một nhà nghiên cứu ở New York cho biết vào thời điểm đó: “Các tinh thể insulin phát triển trong không gian đã cung cấp cho chúng tôi thông tin mới, chưa từng thấy trước đây. “Kết quả là, giờ đây chúng ta có một bức tranh chi tiết hơn về insulin.”

Thông tin mới thu thập được sẽ được sử dụng trong việc phát triển "phương pháp điều trị insulin mới để kiểm soát bệnh tiểu đường" tại một trung tâm nghiên cứu ở Birmingham, AL, đã hợp tác với Trung tâm Tinh thể học Macromolecular, một Trung tâm Không gian Thương mại của NASA. Đây là một trong 10 Trung tâm Không gian Thương mại của NASA do Văn phòng Phát triển Sản phẩm Không gian quản lý trong Văn phòng Chương trình Nghiên cứu Trọng lực Vi mô tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Marshall của NASA.

Than ôi, bất chấp những tiêu đề đầy hứa hẹn đó, một loại insulin mới có nguồn gốc từ các tinh thể phát triển trong không gian đó đã không bao giờ thành hiện thực. Tuy nhiên, NASA vẫn khẳng định rằng nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về cách hoạt động của insulin và tác động của nó đối với sức khỏe, điều này một phần có thể giúp họ chuẩn bị cho các sứ mệnh mở rộng của con người vào không gian.

Như NASA đã nói: "Các cơ hội nghiên cứu độc đáo về môi trường không gian được tạo ra để khuyến khích các ngành công nghiệp tư nhân khai thác lợi ích của nghiên cứu trên không gian để phát triển các sản phẩm hoặc dịch vụ mới."

Tất cả đều rất Star Trek (hoặc Buzz Lightyear nếu bạn muốn), nhưng cũng rất có cơ sở. Lấy ví dụ, nghiên cứu hiện tại của NASA Twin năm 2019 này đã tiết lộ những phát hiện mới về bệnh tiểu đường và bệnh thận.

Ai có thể nghĩ? Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới NASA từ những Người bệnh Tiểu đường vì những đóng góp không ngừng của họ.

To Infinity, and Beyond!