ในขณะที่ยานโอไรออนพานักบินอวกาศเดินทางไปยังดวงจันทร์ในภารกิจอาร์ทิมิส 2 นาซาได้พาอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ชิ้นหนึ่งเดินทางไปกับนักบินอวกาศด้วย นั่นก็คือ AVATAR ชิปของไหลขนาดจิ๋ว (microfluidic chip) สำหรับให้เซลล์จากอวัยวะของมนุษย์สามารถทำงานภายในชิปได้

การเปลี่ยนแปลงของสภาพร่างกายมนุษย์ภายในอวกาศ นับว่าเป็นหนึ่งในโจทย์ที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสนใจและศึกษามาอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่ยุคแรกของการสำรวจอวกาศ ทว่าตลอดช่วงเวลาหลายทศวรรษที่ผ่านมา ข้อมูลทางการแพทย์และชีววิทยาอวกาศที่เรามี ล้วนมาจากการศึกษาภายในพื้นที่วงโคจรต่ำของโลก เช่น บนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ซึ่งเป็นบริเวณที่มนุษย์ยังคงได้รับการปกป้องจากรังสีคอสมิกโดยชั้นบรรยากาศและสนามแม่เหล็กโลก

ภาพของ Microfluidic Chip AVATAR ที่ถูกส่งขึ้นไปพร้อมกับนักบินอวกาศทั้งสี่คน ภาพจาก NASA

ภารกิจอาร์ทิมิส 2 จึงไม่ใช่เพียงการพามนุษย์กลับไปเยือนดวงจันทร์ แต่เป็นภารกิจแรกในรอบห้าทศวรรษนับจากโครงการอะพอลโลที่มนุษย์จะเดินทางออกไปพ้นจากเกราะกำบังของโลก สู่ห้วงอวกาศลึกที่เต็มไปด้วยรังสีอนุภาคพลังงานสูง และในโอกาสนี้นักวิทยาศาสตร์ของนาซาจึงได้เตรียมการทดลองหนึ่งไปด้วย นั่นคือ AVATAR (A Virtual Astronaut Tissue Analog Response)

หากเราต้องการทราบว่ารังสีในอวกาศจะส่งผลต่อเซลล์ของมนุษย์อย่างไร การนำมนุษย์ไปรับรังสีโดยตรงย่อมไม่ใช่ทางเลือกที่เหมาะสม โครงการ AVATAR จึงออกแบบอุปกรณ์ที่จะทำหน้าที่เป็นตัวแทนของนักบินอวกาศ โดยใช้เทคโนโลยีห้องปฏิบัติการบนชิป (lab-on-a-chip) เพื่อนำเซลล์ของนักบินอวกาศทั้งสี่คนมาเพาะเลี้ยงภายในชิปของไหลขนาดจิ๋ว (microfluidic chip) ที่สามารถควบคุมสารอาหาร การไหลของสารอาหาร ความเครียดเฉือนต่อพื้นที่หน้าตัด หรือแม้แต่พื้นที่ในการเลี้ยงเซลล์ให้สอดคล้องกับความต้องการของเซลล์แต่ละชนิด และที่สำคัญ ทั้งหมดสามารถเกิดขึ้นบนชิปขนาดเล็กเท่ากับกระจกสไลด์ของกล้องจุลทรรศน์ได้ ทำให้เกิดเป็นแนวคิดของเทคโนโลยีการเพาะเลี้ยงอวัยวะบนชิป (organ-on-a-chip) เป็นการปรับปรุงให้ microfluidic chip ไม่ได้เป็นแค่จานเพาะเลี้ยงที่มีของเหลวไหลไปมาได้ แต่เป็นอุปกรณ์ที่สามารถจำลองสภาพแวดล้อมทางกายภาพและโครงสร้างการทำงานให้เหมือนกับอวัยวะจริง ๆ ที่อยู่ภายในร่างกายมนุษย์

ภายในชิปของไหลขนาดจิ๋วจะประกอบไปด้วยเครือข่ายท่อขนาดไมโครเมตรที่สลับซับซ้อน ระบบนี้จะทำหน้าที่เสมือนเส้นเลือดในร่างกาย มีการต่อท่อปั๊มของเหลวเพื่อส่งสารอาหารและออกซิเจนเข้าไปหล่อเลี้ยงเซลล์อย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกันก็ทำหน้าที่ชะล้างและลำเลียงของเสียออกจากระบบ การไหลเวียนของของเหลวในช่องขนาดจิ๋วนี้ยังช่วยสร้างแรงกระทำทางกล (mechanical stress) ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่กระตุ้นให้เซลล์รับรู้สภาพแวดล้อมและทำหน้าที่เสมือนว่ามันยังคงอยู่ในร่างกายมนุษย์จริง ๆ

AVATAR เทียบได้กับ Organ-on-a-Chip หรืออวัยวะจำลองของนักบินอวกาศ โดยอาศัยการไหลของสารน้ำภายในชิปเพื่อเลี้ยงเซลล์ภายในนั้นให้ทำงานได้ ภาพจาก NASA

สำหรับการทดลองในภารกิจอาร์ทิมิส 2 นี้ AVATAR จะไม่ได้บรรจุเซลล์ทั่วไปเหมือนกับการทดลองในสถานีอวกาศนานาชาติ แต่เป็นการเพาะเลี้ยงเซลล์ไขกระดูก (bone marrow) ของนักบินอวกาศทั้งสี่คน สาเหตุที่เลือกศึกษาไขกระดูก เป็นเพราะไขกระดูกทำหน้าที่หลักในการผลิตเม็ดเลือดแดง เกล็ดเลือด รวมถึงเม็ดเลือดขาว ซึ่งเป็นหัวใจของระบบภูมิคุ้มกัน และไขกระดูกยังเป็นหนึ่งในอวัยวะที่เปราะบางที่สุดเมื่อเผชิญกับรังสี

การทดลองนี้ใช้เซลล์ไขกระดูกจากร่างกายของนักบินอวกาศประจำภารกิจอาร์ทิมิส 2 ทั้งสี่โดยตรงเพื่อวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงระหว่างเซลล์ที่อยู่ในภายในร่างกายมนุษย์จริง ๆ เทียบกับเซลล์ที่อยู่ในระบบชิป ดังนั้น ชิปเหล่านี้จึงเปรียบเสมือนกับร่างอวตารของนักบินอวกาศทั้งสี่ตามชื่อการทดลอง AVATAR นั้นเอง

เมื่อภารกิจอาร์ทิมิส 2 สิ้นสุดและกลับลงสู่โลก นักวิทยาศาสตร์จะนำชิปมาหาลำดับพันธุกรรมของอาร์เอ็นเอระดับเซลล์เดี่ยว (single-cell RNA sequencing) เพื่อวิเคราะห์การทำงานของยีนต่าง ๆ ว่าส่งผลต่อความเครียด ความแก่ระดับเซลล์ หรือเกิดการกลายพันธุ์ไปหรือไม่

กล่องบรรจุ AVATAR ที่ถูกนำไปติดตั้งบนยาน Orion

ผลลัพธ์จาก AVATAR จะส่งผลต่อการเปลี่ยนผ่านเข้าสู่ยุคการแพทย์อวกาศแบบจำเพาะบุคคล (personalized space medicine) ในอนาคต เราจะไม่ใช้แนวทางการป้องกันอันตรายจากอวกาศแบบเหมารวมอีกต่อไป แต่สามารถออกแบบตัวยา สารต้านอนุมูลอิสระ หรือชุดป้องกันรังสีที่ตอบสนองต่อความเปราะบางทางพันธุกรรมของนักบินอวกาศแต่ละคนได้อย่างแม่นยำ

ยิ่งไปกว่านั้น องค์ความรู้นี้ยังส่งผลดีกลับมาสู่ผู้คนบนโลก โดยเฉพาะการทำความเข้าใจความเสียหายของไขกระดูกจากการฉายรังสีรักษามะเร็ง และการใช้ชิปจำลองอวัยวะเพื่อทดสอบยารักษาโรคใหม่ ๆ โดยอาจลดความจำเป็นในการใช้สัตว์ทดลองลงได้อย่างมหาศาล

การสำรวจห้วงอวกาศลึกไม่ได้ท้าทายเพียงขีดจำกัดทางวิศวกรรมการบินอวกาศเท่านั้น แต่ยังรวมถึงขีดจำกัดทางชีววิทยาของเผ่าพันธุ์มนุษย์ การทดลอง AVATAR จึงเป็นก้าวสำคัญที่จะรับประกันว่า ทุกก้าวต่อไปของมนุษยชาติในระบบสุริยะ จะเป็นก้าวที่ปลอดภัยและยั่งยืนอย่างแท้จริง

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล
พิสูจน์อักษร ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : NASA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

AVATAR Lab-on-Chip ที่เดินทางไปกับ Artemis II