Weltraumexperimente könnten dazu beitragen, die Krebsfrüherkennung durch Bluttests zu verbessern

Stellen Sie sich einen Sensor vor, der so empfindlich ist, dass er Krebs im Frühstadium in einem einzigen Tropfen Blut erkennen kann. So wäre eine Diagnose und Behandlung möglich, bevor die ersten Symptome auftreten – möglicherweise sogar bevor sich ein Tumor bildet.

Stellen Sie sich als Nächstes ein Gerät vor, das in der Lage ist, selbst kleinste Plastikschadstoffe im Meerwasser zu erkennen und es Wissenschaftlern ermöglicht, die Umweltauswirkungen gefährlicher mikroskopisch kleiner Giftmüllpartikel wie Nanoplastik, einer Untergruppe von Mikroplastik mit einer Größe zwischen 1 und 1.000 Nanometern, zu mildern.

Der Haken? Blutproben und Fläschchen mit kontaminiertem Wasser werden im Weltraum untersucht, wo die Abwesenheit der Schwerkraft zu einem unerwarteten Ereignis führt: der Bildung ungewöhnlich großer Blasen, in denen sich Substanzen wie Krebs-Biomarker effizienter konzentrieren und somit erkannt werden können.

Dies ist die Zukunftsvision von Tengfei Luo, einem Forscher an der University of Notre Dame, der den Transport von Masse und Energie auf molekularer Ebene untersucht. Sein Konzept ist einfach, hat aber tiefgreifende Anwendungsmöglichkeiten. Indem er die einzigartigen Eigenschaften von Wärme, Flüssigkeit und Licht und deren Wechselwirkung mit Blasen nutzt, möchte Luo eine Sensortechnologie entwickeln, die auf der Erde nützlich ist, in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums jedoch deutlich besser funktioniert. Diese Sensoren messen biologische oder chemische Inhaltsstoffe, indem sie Signale erzeugen, die proportional zur Konzentration einer Substanz sind.

Luos Technologie verwendet Blasen, um kleinste Substanzen in Flüssigkeitsproben zu konzentrieren und zu extrahieren. Sie verspricht damit eine um mehrere Größenordnungen bessere Empfindlichkeit und Genauigkeit bei der Erkennung als bisher möglich. Der Schlüssel zu dieser Technologie liegt darin, die Blasen von den Zwängen der Schwerkraft zu befreien, sodass sie als Konzentrator gezielter mikroskopischer Substanzen über eine größere räumliche Ausdehnung und längere Zeit wirken können, wodurch die Substanzen leichter erkannt und analysiert werden können.

Luo sagt, dass diese Biosensormethode letztlich die Effizienz von Krebsdiagnoseinstrumenten verbessern könnte, die auf der Extraktion hochkonzentrierter Proben aus Flüssigkeiten basieren.

„Die derzeit verfügbare Technologie zur Früherkennung von asymptomatischem Krebs, bevor ein Tumor bei der Bildgebung sichtbar wird, ist auf einige wenige Krebsarten beschränkt“, sagte Luo. „Wenn die Krebsvorsorge mit unserer Blasentechnologie im Weltraum demokratisiert und kostengünstig gemacht wird, können viel mehr Krebsarten untersucht werden, und jeder kann davon profitieren. Das ist etwas, das wir möglicherweise in die jährlichen Untersuchungen integrieren können. Das klingt weit hergeholt, ist aber machbar.“

Das erste einer Reihe von Laborexperimenten auf der Internationalen Raumstation (ISS) zielte darauf ab, zu untersuchen, wie sich Blasen auf Oberflächen unterschiedlicher Rauheit bilden und wachsen, wenn Wasser im Weltraum kocht, verglichen mit dem Prozess auf der Erde. Das erste Experiment untersuchte das Blasenverhalten auf einer Oberfläche, und eine zweite Iteration, die auf Northrop Grummans 17. CRS-Mission durchgeführt wurde, untersuchte vier verschiedene Oberflächen.

Eine Hochgeschwindigkeitskamera im Fluggerät zeichnete den Blasenwachstumsprozess auf, und dann analysierte Luos Team die Videos zusammen mit Computersimulationen. Das Experiment konzentrierte sich auf zwei grundlegende Faktoren, die die Blasenbildung beeinflussen: die Oberflächenbeschaffenheit und die Bewegung der umgebenden Flüssigkeit. Laut Luo sind die Ergebnisse vielversprechend und zeigen, dass die Blasen im Weltraum größer und schneller wuchsen als auf der Erde.

Das Verständnis der Mechanismen hinter dem Blasenwachstum im Weltraum wird Luo dabei helfen, seine Technologie weiterzuentwickeln, um extrem niedrige Konzentrationen von Substanzen aus Flüssigkeiten zu extrahieren. Dies ist seiner Meinung nach der nächste Schritt zur Erkennung von Krebs in Blutproben oder winzigen Spuren von Schadstoffen in Wasser. Über die Anwendung auf der Erde hinaus könnte die Technologie die Wirtschaftlichkeit in niedrigen Erdumlaufbahnen stärken und Astronauten möglicherweise bei der Erkundung des Weltraums begleiten, um an Bord befindliche Wasserquellen auf Verunreinigungen zu untersuchen oder den Gesundheitszustand der Besatzungsmitglieder zu überwachen.

Die Physik der Blasen im Weltraum entschlüsseln

Der aus China stammende Luo kam nach Abschluss eines Postdocs am Massachusetts Institute of Technology zu Notre Dame und gründete 2012 das MONSTER (Molecular/Nano-Scale Transport and Energy Research) Lab, um den Energie- und Massentransport auf molekularer Ebene zu untersuchen.

Für eine Studie aus dem Jahr 2020, die in Fortschrittliche WerkstoffschnittstellenLuo und sein Forschungsteam erhitzten mit einem Laser eine Lösung, die Nanopartikel enthielt, die mit DNA-Biomarkern beschichtet waren. Es gelang ihnen, die Nanopartikel zu den vom Laser erzeugten Blasen zu locken und sie auf dem Substrat abzusetzen, wodurch das entstand, was Luo eine „hochdichte konzentrierte Insel“ nennt.

Dank eines Phänomens namens Marangoni-Strömung werden Nanopartikel an die Oberfläche von Blasen transportiert. Je größer die Blase ist und je länger sie in einer Flüssigkeit verbleibt, ohne sich von der Oberfläche zu lösen, desto konzentrierter werden die von ihr angezogenen Substanzen. Die Biomarker wandern entlang der Blase zur festen Oberfläche, wo sie sich zusammenballen und sammeln und zur Untersuchung bereit sind. An diesem Punkt untersucht Luo die Blasen mithilfe der Mikroskopie und stellt fest, was sich auf der Oberfläche abgelagert hat.

Um „größere Blasen zu züchten, die länger auf der Oberfläche bleiben“ und seine Biosensoren empfindlicher zu machen, nutzte Luo die einzigartige Mikrogravitationsumgebung der Raumstation und nahm die Hilfe von Space Tango in Anspruch.

„Die Mikrogravitation bietet eine ideale Umgebung, um die Grundlagen der Physik zu erforschen, indem sie eine der Grundkräfte unseres Universums außer Kraft setzt“, erklärte Twyman Clements, Präsident und Mitbegründer von Space Tango. „Auf der Erde werden Blasen von konkurrierenden Kräften wie Oberflächenspannung und Auftrieb beeinflusst, aber in der niedrigen Erdumlaufbahn sind diese Kräfte außer Kraft gesetzt.“

Space Tango arbeitete mit Luos Team zusammen, um maßgeschneiderte Hardware zu entwickeln, die den Erfolg des Raumfahrtprojekts sicherstellen soll.

„Für diese Studie hat das Team ein automatisiertes Experiment entwickelt, von Flüssigkeitsrückhaltesystemen bis hin zu Hochgeschwindigkeits-Bildgebungswerkzeugen, die unter Mikrogravitationsbedingungen funktionieren und die untersuchten Flüssigkeiten sicher auf der Raumstation erhitzen“, sagte Clements. „Während wir unsere Technologien weiter verbessern, unterstreicht diese Anstrengung unser Engagement, die Grenzen der Strömungsdynamikforschung für Anwendungen zu erweitern, die der Menschheit auf der Erde und darüber hinaus zugute kommen.“

Das Experiment wurde in einem neuartigen CubeLab durchgeführt, einer automatisierten Plattform in der Größe eines Schuhkartons, die von Space Tango entwickelt wurde. Die Hardware umfasst vier spezielle Flüssigkeitskammern und hochauflösende Bildgebungssysteme, die speziell für die Beobachtung und Analyse der Blasenbildung in der Mikrogravitation entwickelt wurden. Das Experiment umfasste die kontrollierte Einführung verschiedener Flüssigkeiten in die Kammern, wodurch die Forscher die Blasenbildung, das Wachstum und die Verschmelzung unter Mikrogravitationsbedingungen untersuchen konnten.

„Wir haben festgestellt, dass sich Blasen im Weltraum viel schneller bilden als auf der Erde. In einem Experiment beispielsweise bildeten sich Blasen im Weltraum nach 4 Minuten und 35 Sekunden, auf der Erde dauerte es jedoch doppelt so lange, da die Bewegung der Flüssigkeit den Bereich abkühlt (thermische Konvektion), sagte Luo.

Im Weltraum, wo weder Auftrieb noch konvektive Strömung vorhanden sind, ändert sich die Dynamik des Blasenwachstums drastisch. Auf der Erde spielt der Auftrieb – die Tendenz von Objekten, in einer Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft aufzusteigen oder abzusinken – eine bedeutende Rolle bei der Bildung und dem Wachstum von Blasen. Darüber hinaus hilft konvektive Strömung, die durch die Bewegung heißer Flüssigkeiten im Heizbereich entsteht, bei der Temperaturregulierung und verlangsamt das Blasenwachstum.

In der Mikrogravitation gibt es kaum Auftrieb. Das bedeutet, dass Blasen nicht von der Oberfläche weggezogen werden und ungestört größer werden können. Außerdem gibt es ohne Konvektionsströmung nichts, was den Heizbereich abkühlen könnte. Infolgedessen konzentriert sich die Wärmeenergie auf einen kleineren Bereich, was zu einem viel schnelleren und größeren Blasenwachstum führt als auf der Erde, sagt Luo.

Die Ergebnisse seiner Weltraumexperimente konnten diese Theorien erfolgreich veranschaulichen. Die Blasen lösten sich nicht von der Oberfläche, sondern platzten am Ende, als sie zu groß wurden. „Wir verstehen immer noch nicht, warum“, sagt Luo.

Träume in greifbare Technologie verwandeln

Nach der Analyse und Quantifizierung des Blasenvolumens stellten Luo und sein Team fest, dass Weltraumblasen um Größenordnungen größer sein können als terrestrische Blasen. Sie veröffentlicht ihre Ergebnisse zu Beginn dieses Jahres in Natur Mikrogravitation.

Auf der Erde verwendete Luo seine Technik, um Nanoplastik – darunter solche aus Einweg-Kaffeebechern, Wasserflaschen und Fischernetzen – in einem Fläschchen mit Meerwasser zu finden, das er vor der Küste der Vereinigten Staaten gesammelt hatte. Er beschreibt dies in einem weiteren kürzlich erschienenen Artikel in Wissenschaftliche Fortschritte.

„Wir finden einige Arten von Partikeln in 300 Metern Tiefe im Golf von Mexiko in sehr, sehr geringen Konzentrationen, aber das gibt uns einen Einblick, wie Nanoplastik in unserer Meeresumwelt aussieht“, sagt Luo.

Luo und sein Team werden ihre Forschungen in einem nächsten Experiment fortsetzen, dessen Start für August geplant ist. Dieses Mal wird das Team eine Partikeldisposition durchführen, um zu bestätigen, dass die größeren Blasen tatsächlich die Dichte der gesammelten konzentrierten Nanopartikel erhöhen.

Auch das Space Tango CubeLab wird einige Änderungen erfahren. Luo arbeitet mit Space Tango an der Implementierung eines sicheren, kostengünstigen Lasers zum Erhitzen der Flüssigkeit; die Nanopartikel absorbieren das Laserlicht und wandeln es in Wärme um. Das Erhitzen der Nanopartikelsuspension mit einem Laser ermöglicht eine bessere Kontrolle des Marangoni-Flusses, um die Konzentration und Sammlung der Biomarker zu verbessern.

„Wenn das Konzentrationsverhältnis proportional zur Blasengröße ist, sollten wir die Empfindlichkeit unserer Biosensoren um weitere drei Größenordnungen steigern können“, sagt Luo. „Das würde uns – theoretisch – ermöglichen, Krebs im Frühstadium zu erkennen.“

Luo beginnt darüber nachzudenken, wie er diesen Traum Wirklichkeit werden lassen kann. Er schätzt, dass der Versand von rund 10.000 Blutproben zur Raumstation mehrere hundert Dollar kostet. Natürlich deckt das nicht die Kosten für den Flug eines Raumschiffs. Er hofft, dass Fahrzeuge wie der Starliner von Boeing und zukünftige kommerzielle Weltraumziele dazu beitragen können, die Kosten für Krankheitsscreenings im Weltraum zu senken und den Zugang weiter zu demokratisieren.

Dennoch ist es noch eine große Hürde, diesen Prozess so auszuweiten, dass Weltraum-Screening für jedermann zugänglich ist. In der Zwischenzeit verbessern diese Experimente unser Verständnis der Physik von Flüssigkeiten um Oberflächenblasen in komplexen Umgebungen. Die Validierung dieser Technologie an den Extremen von Partikelkonzentration, Blasengröße und Blasenwachstumsrate könnte allen Arten von terrestrischem Screening zugutekommen. Dies bedeutet, die wissenschaftlichen Grenzen von Krebs-Biomarkern oder der Erkennung von Umweltschadstoffen auszuloten.

Und Luo sagt, dass nicht nur die Menschen auf der Erde davon profitieren könnten. Die Überwachung des Gesundheitszustands der Astronauten ist bei längeren Weltraummissionen von entscheidender Bedeutung, da eine frühzeitige Erkennung von Gesundheitsveränderungen ihr Wohlbefinden sicherstellen kann. Die Verbesserung der Biosensortechnologie im Weltraum kann zu einer genaueren und zuverlässigeren Gesundheitsüberwachung führen und so zu einer sichereren Weltraumforschung beitragen.

Dual-Use-Anwendungen wie Luos Biosensorik hätten ein transformatives Potenzial, das sowohl der Weltraumforschung als auch der Technologie auf der Erde zugute käme, sagt Jonathan Volk, Geschäftsentwicklungsdirektor bei Voyager Space, einem kommerziellen Raumfahrtunternehmen, das sich auf die Förderung von Weltraummissionen konzentriert, Mond- und Marserkundungsprogramme durchführt und Starlab entwickelt, eine kommerzielle Raumstation.

„Eine verbesserte Zugänglichkeit zum Weltraum ist von entscheidender Bedeutung, um weitere Projekte wie das von Tengfei zu fördern“, sagte Volk und unterstrich die Rolle des ISS National Lab bei der praktischen Umsetzung visionärer Konzepte.

„Um im Weltraum Wissenschaft zu betreiben, sei es in der Physik oder Biologie, ist innovatives Denken unerlässlich, und eine Idee kann schnell wie ein Wunschtraum klingen“, sagt Volk. „Wenn wir aber erst einmal die Möglichkeiten im Weltraum begreifen, kann das Unmögliche möglich werden.“