Космические эксперименты могут продвинуть раннее выявление рака с помощью анализа крови
Сенсор, способный обнаружить ранний рак по одной капле крови, до появления симптомов и даже опухоли, — это возможное будущее технологии, использующей пузырьки в условиях микрогравитации. Исследователи стремятся создать устройства для сверхчувствительного выявления биомаркеров рака или нанопластика в воде, которые работают в космосе значительно эффективнее.
Принцип технологии
Технология, разрабатываемая Тэнфэем Ло из Университета Нотр-Дам, использует пузырьки для концентрирования мельчайших веществ в жидких образцах (крови, воде). В космосе, в отсутствие гравитации, пузыри формируются необычно большими и существуют дольше, что позволяет им эффективнее притягивать и накапливать целевые частицы, например, биомаркеры рака. Это повышает чувствительность и точность детекции на несколько порядков.
Эксперименты на МКС
Серия экспериментов в лаборатории МКС изучала формирование и рост пузырьков при кипении воды на поверхностях разной шероховатости. Результаты, опубликованные в Nature Microgravity, показали:
- Пузыри в космосе формируются и растут быстрее и достигают большего размера, чем на Земле.
- Например, в одном эксперименте пузыри образовались через 4 минуты 35 секунд в космосе, тогда как на Земле это заняло вдвое больше времени из-за конвективного охлаждения.
- В микрогравитации отсутствуют силы плавучести и конвекции, которые на Земле отрывают пузыри от поверхности и замедляют их рост. Тепло концентрируется, что ускоряет рост.
Физика процесса
В основе метода лежит явление потока Марангони: наночастицы (например, покрытые ДНК-биомаркерами) транспортируются к поверхности пузыря. Чем больше пузырь и дольше он удерживается на поверхности, тем выше концентрация притянутых веществ. Биомаркеры собираются у основания пузыря, образуя "островок" высокой плотности для последующего анализа.
Эксперименты проводятся в автоматизированной платформе CubeLab размером с обувную коробку, разработанной компанией Space Tango. Она содержит жидкостные камеры и системы высокоскоростной съемки.
Достижения и перспективы
- На Земле технология уже позволила обнаружить нанопластик в пробах океанской воды из Мексиканского залива в крайне низких концентрациях (исследование в Science Advances).
- Следующий эксперимент, запланированный на август, проверит, действительно ли более крупные космические пузыри увеличивают плотность концентрируемых наночастиц.
- В новой модификации CubeLab для нагрева жидкости будет использоваться безопасный лазер, что позволит лучше контролировать поток Марангони.
- Если соотношение концентрации пропорционально размеру пузыря, чувствительность биосенсоров теоретически можно увеличить еще на три порядка величины, что откроет путь к скринингу раннего рака.
Практические вызовы и значение
- Стоимость: Отправка ~10 000 образцов крови на МКС оценивается в несколько сотен долларов (без учета стоимости запуска). Развитие коммерческих космических полетов (например, Boeing Starliner) и станций (например, Starlab) может снизить затраты.
- Применения: Технология полезна не только на Земле, но и для мониторинга здоровья астронавтов и контроля чистоты воды в длительных космических миссиях.
- Фундаментальная наука: Эксперименты улучшают понимание физики жидкостей и пузырьков в экстремальных условиях, определяя научные пределы детекции.