Apteczka astronauty. Polacy testują ochronę i podawanie leków w kosmosie

To dziedzina medycyny wyłoniona z medycyny lotniczej, zajmująca się wpływem podróży kosmicznych na organizm, psychikę, zachowanie astronautów i ich zdolność do pracy. Co ciekawe, za jej twórcę uważa się niemieckiego zbrodniarza wojennego Hubertusa Strugholda, który w czasie II wojny światowej prowadził na więźniach obozu koncentracyjnego w Dachau okrutne eksperymenty celem zbadania wpływu lotów na dużych wysokościach na organizm człowieka oraz wytrzymałości ludzi na zamrożenie i próżnię, wykorzystując do tego celu więźniów, z których wielu zmarło w męczarniach podczas tych eksperymentów.

Oficjalnie wyparł się wszystkiego i nic nie udało mu się udowodnić, a po procesach norymberskich został razem z setkami innych nazistowskich naukowców sprowadzony do USA w ramach Operacji Paperclip. Tam mógł zaś wykorzystać swoją wiedzę i zbrodnicze doświadczenie podczas prac nad programem kosmicznym Stanów Zjednoczonych - mało kto zdaje sobie sprawę, że to on opracował skafandry kosmiczne dla astronautów misji Apollo, bo USA długo ukrywały tę wiedzę przed opinią publiczną. No bo jak "ojciec medycyny kosmicznej" zbrodniarzem wojennym?

Nie da się jednak ukryć, że bez medycyny kosmicznej nie można nawet myśleć o lotach w kosmos, tymczasem nasza wiedza o tym, jak ludzki organizm reaguje na leki w tych warunkach wciąż jest bardzo ograniczona. Wiadomo, że kiedy człowiek doświadcza mikrograwitacji, płyny ustrojowe przemieszczają się do górnych partii ciała, a układ sercowo-naczyniowy odpowiada na to zwiększoną produkcją czerwonych krwinek, co ogranicza wytwarzanie płynów i zwiększa częstość oddawania moczu. Mikrograwitacja wywołuje również tzw. syndrom adaptacji do przestrzeni - rodzaj mdłości przypominających chorobę lokomocyjną, który może silnie zaburzać funkcjonowanie układu pokarmowego.

A ponieważ przepływ krwi i tempo trawienia wpływają na sposób przyswajania leków, dawki stosowane na Ziemi nie zawsze są odpowiednie w warunkach kosmicznych. I chociaż do tej pory w przestrzeni kosmicznej nie doszło do poważnych incydentów medycznych, to należy pamiętać, że większość astronautów przebywa na orbicie przez krótki czas i stosuje jedynie leki dostępne bez recepty, co znacznie ogranicza ryzyko przypadkowego przedawkowania. Podczas dalszych lub dłuższych misji sytuacja z pewnością ulegnie zmianie i wtedy precyzyjne dawkowanie "poważnych" leków będzie kwestią życia lub śmierci.

To jednak tylko część tego problemu, bo wielką niewiadomą pozostaje też zachowanie i działania samych medykamentów. Jak wynika z ostatnich badań, leki wykorzystywane obecnie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej mogą nie wystarczyć podczas wieloletnich misji, np. na Marsa, głównie ze względu na czas przydatności do spożycia. A przecież te zabrane ze sobą z Ziemi to obecnie jedyna możliwość (choć naukowcy przyglądają się też możliwości ich syntetyzowania na miejscu) i mówi raczej o całej aptece niż małej "domowej" apteczce, nawet jeśli astronauci to zdrowi i wytrenowani ludzie.

Tymczasem kiedy zespół Duke University School of Medicine przeanalizował trwałość leków, które mogą być potrzebne w przestrzeni kosmicznej, odkrył, że ponad połowa z nich, w tym środki przeciwbólowe, antybiotyki, leki na alergię czy nasenne, straci ważność, zanim załoga zakończy dajmy na to trzyletnią misję i wróci na Ziemię. Zgodnie z badaniem opublikowanym 23 lipca 2024 roku w czasopiśmie npj Microgravity, aż 54 z 91 analizowanych medykamentów miało okres przydatności do 36 miesięcy.

Według najbardziej optymistycznych założeń około 60 proc. leków przeterminuje się jeszcze przed końcem misji marsjańskiej, a w mniej korzystnym scenariuszu aż 98 proc. z nich. A że na Czerwonej Planecie nie można po prostu wyskoczyć do apteki, astronauci mogą być zmuszeni do stosowania leków, które nie tylko będą nieskuteczne, ale wręcz mogą im zaszkodzić.

To niekoniecznie oznacza, że leki nie będą działać, ale tak samo jak nie powinno się przyjmować przeterminowanych leków leżących w domu, agencje eksploracji kosmosu będą musiały się liczyć z tym, że przeterminowane leki będą mniej skuteczne

---

To właśnie z tego powodu coraz częściej mówi się o technologiach zabezpieczenia leków przed destrukcyjnym środowiskiem kosmicznym, a swój pomysł w temacie ma również Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych Polskiej Akademii Nauk (CMPW PAN), które w ramach polskiej misji IGNIS przeprowadzi na ISS badanie zatytułowane "Stability of Drugs".

Eksperyment ma zbadać, czy możliwe jest przedłużenie przydatności wykorzystania leków podczas długotrwałego przechowywania w warunkach panujących na niskiej orbicie okołoziemskiej, poprzez wprowadzenie ich do polimerowego nośnika. Brzmi jak iście kosmiczna technologia? Zdecydowanie! Dlatego postanowiłam dopytać o nią opiekującego się badaniem Jakuba Włodarczyka z Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych Polskiej Akademii Nauk.

Geekweek: Dlaczego temat trwałości leków w przestrzeni kosmicznej jest tak istotny dla przyszłości eksploracji kosmosu?

- Podczas lotów kosmicznych na ludzkie ciało działa szereg czynników, które negatywnie oddziałują na zdrowie. Należą do nich m.in. brak grawitacji, podwyższony poziom promieniowania a także zamknięte środowisko, w którym dochodzi do wymiany drobnoustrojów pomiędzy załogą oraz poczucie izolacji i stres. Wszystko to prowadzi do zmian w organizmie i może wywołać szereg negatywnych konsekwencji w postaci zmian w centralnym układzie nerwowym, mięśniowo-szkieletowym, pokarmowym czy też systemie immunologicznym. Możliwe są także objawy natury psychicznej przejawiające się zmianami w zachowaniu, depresją, problemami ze snem lub innymi poważniejszymi zaburzeniami.

- Z tego względu odpowiednia opieka farmakologiczna jest niezbędna dla zapewnienia bezpieczeństwa astronautów, zwłaszcza podczas długoterminowych misji, które są planowane np. w celu eksploracji Księżyca lub Marsa. Zapewnienie odpowiedniego poziomu zdrowia członkom załóg pozwoli na sukces w realizacji celów misji. Prowadzone są obecnie różne badania w dziedzinie medycyny kosmicznej m. in. w zakresie syntezy leków. Nasze podejście jest jednak inne.

No właśnie, tu dochodzimy do innowacyjnego sposobu przygotowania leków do podróży kosmicznych testowanego przez Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych Polskiej Akademii Nauk. Na czym on polega?

- Korzystając z zaawansowanych systemów dostarczania leków opartych na nośnikach polimerowych, które są szeroko badane dla zastosowań na Ziemi, a także pojawiają się już na rynku - chcielibyśmy zaadaptować to rozwiązanie na potrzeby lotów kosmicznych. Taki system nie tylko pozwala na przedłużone uwalnianie leku do organizmu z określoną szybkością przez założony czas, lecz także potencjalnie może wydłużyć termin przydatności substancji aktywnej spowalniając jej rozkład w warunkach kosmicznych.

Czym konkretnie są te "polimerowe nośniki" wykorzystywane w eksperymencie i w jaki sposób mają one wpływać na stabilność leków? I czy ta technologia zmienia sposób działania leku, np. jego wchłanianie, uwalnianie substancji aktywnej lub interakcje z organizmem?

- Polimery są to substancje chemiczne o strukturze przypominającej łańcuch zbudowany z ogniw. W naszym eksperymencie nie są one opakowaniem dla leku, lecz stanowią część postaci farmaceutycznej, pełniąc rolę nośnika i niejako wypełniacza. Polimery, które wykorzystujemy, mają zdolność do biodegradacji w kontakcie z wodą - nie jest to jednak rozpuszczanie, lecz powolny rozpad wspomnianych łańcuchów na poszczególne "ogniwa" - substancje, które organizm może metabolizować lub po prostu usuwać, przez co nie ulegają akumulacji. Podczas tego procesu możliwe jest stopniowe dozowanie leku wraz z rozkładem polimeru.

Dobór polimeru jest kluczowy ze względu na fakt, że szybkość jego rozkładu, zależna od hydrofilowości oraz gęstość jego struktury wynikająca z zawartości fazy krystalicznej (uporządkowanej), determinuje szybkość uwalniania substancji aktywnej.

---

Dobór polimeru jest kluczowy ze względu na fakt, że szybkość jego rozkładu, zależna od hydrofilowości oraz gęstość jego struktury wynikająca z zawartości fazy krystalicznej (uporządkowanej), determinuje szybkość uwalniania substancji aktywnej.

- Można zatem na etapie formowania polimerowego systemu dostarczania leków niejako "zaprogramować" wielkość uwalnianych dawek w założonym czasie. Polimery składają się z lekkich atomów, takich jak węgiel, tlen czy przede wszystkim wodór. Innym naukowcom udało się ustalić, że tego typu materiały dobrze sprawdzają się w blokowaniu promieniowania kosmicznego, które w głównej mierze składa się z protonów o różnej energii. W naszym eksperymencie założyliśmy, że mieszając lek z polimerem nie na poziomie mikro- czy też nanostrukturalnym, lecz na poziomie molekularnym, być może uda nam się jeszcze efektywniej zabezpieczyć substancję aktywną przed rozkładem.

Czy to właśnie to założenie będziecie Państwo sprawdzać w eksperymencie prowadzonym na ISS w ramach misji IGNIS?

- Tak, w eksperymencie "Stability of Drugs" chcemy zbadać trwałość biodegradowalnych, polimerowych systemów dostarczania leków, podczas długoterminowego przechowywania w warunkach panujących na ISS. Ponadto określimy wpływ zawartości struktur krystalicznych w polimerze na efekt ekranowania przed promieniowaniem kosmicznym. W tym celu przygotowaliśmy trzy typy próbek: czyste odczynnikowo leki w postaci tabletek, folie o grubości około 1 mm wytworzone z polimerów, które mają tę cechę, że po wprowadzeniu do ciała ulegają wchłonięciu oraz główne obiekty badawcze, także w formie folii polimerowych, do których wprowadziliśmy leki (oba składniki są ze sobą zmieszane na poziomie cząsteczkowym).

- Próbki w formie pakietów dotarły na ISS 22 kwietnia 2025 i zostały umieszczone w module laboratoryjnym Columbus. Będą tam przechowywane w dwóch różnych temperaturach: otoczenia (+23 stopnie C) oraz obniżonej (chłodnia +2 stopnie C) przez okres 3 lat. Co roku zaplanowaliśmy sprowadzenie części próbek na Ziemię - będą one przetransportowane do naszego laboratorium w CMPW PAN w Zabrzu, gdzie przeanalizujemy, jakie zmiany zaszły w strukturze chemicznej oraz właściwościach fizycznych leków i polimerów biodegradowalnych.

- Każdy pakiet próbek zawiera 6 leków, 3 "czyste" polimery oraz 18 polimerowych systemów dostarczania leków, zapakowanych próżniowo w wielowarstwowe opakowanie z termozgrzewalnych folii opakowaniowych. Próżnia jest tu ważna z tego względu aby odciąć dostęp powietrza do polimerów, które ze względu na obecność wilgoci mogłyby przedwcześnie rozpocząć biodegradację. Eksperyment jest bardzo prosty i w zasadzie nie wymaga udziału załogi, co jest jego dużą zaletą, gdyż ryzyko wypadku związane z jego realizacją jest minimalne.

A jakie leki zostały wybrane do tego eksperymentu i dlaczego właśnie te?

- Wybierając leki do eksperymentu, kierowałem się kilkoma kryteriami. Chciałem przede wszystkim zbadać substancje aktywne różniące się strukturą chemiczną oraz działaniem biologicznym. Jednocześnie zwracałem uwagę na to, aby dany lek był już wcześniej przechowywany na ISS - kryterium to wiązało się z prostszymi procedurami wprowadzenia substancji na pokład ISS, a dodatkowo, chciałbym w przyszłości odnieść uzyskane wyniki do innych prac badawczych, gdzie sprawdzano stabilność komercyjnie dostępnych form podawania leków. Ostatecznie wybranych zostało 6 typów substancji aktywnych należących do grupy: niesteroidowych leków przeciwzapalnych i przeciwbólowych, kortykosteroidów, antybiotyków, przeciwutleniaczy (lek stosowany przy radioterapii), leków przeciwlękowych i antydepresantów.

Czyli mówimy - a przynajmniej częściowo - o lekach dość powszechnie stosowanych, które znaleźć można w domowych apteczkach. Czy ten eksperyment można więc uznać za krok w stronę opracowania takiej "kosmicznej apteczki przyszłości"? Jak mogłaby ona wyglądać?

- Można powiedzieć, że tak, eksperyment "Stability of Drugs" można uznać za taki krok. Niemniej jednak chciałbym zwrócić uwagę na dwie kwestie. Korzystanie z polimerowych systemów dostarczania leków jest najbardziej optymalne, gdy zachodzi konieczność długotrwałego lub stałego przyjmowania leków. Przykład: gdy rozboli nas głowa, można skutecznie wykorzystać "zwykłą" tabletkę, jednak gdy dręczy nas np. przewlekły ból, można zastosować lek na nośniku polimerowym, który będzie dostarczany dłużej. Nie będzie to jednak podanie doustne lecz np. podskórne w formie małego implantu lub zawiesiny w biodegradowalnym żelu.

W zależności od "siły" leku oraz rodzaju nośnika polimerowego, możliwe jest skuteczne dostarczanie substancji aktywnej do organizmu w czasie rzędu od kilkunastu godzin nawet do kilku tygodni.

---

- Druga kwestia to łatwość formowania polimerów - możliwe jest uzyskanie nie tylko różnorodnych form geometrycznych systemów dostarczania leków jak np. nanocząstki, nano- i mikrosfery, struktury włókniste (opatrunkowe) czy też całe implanty. Daje to szerokie pole nie tylko dla różnych zastosowań medycznych i farmaceutycznych, ale również potencjalnie umożliwia zastosowanie medycyny spersonalizowanej. Biorąc pod uwagę szybki rozwój technik wytwarzania jak np. druk 3D oraz rozwój sztucznej inteligencji, być może w przyszłości powstaną urządzenia, które będą wytwarzać "na miejscu" polimerowe systemy dostarczania leków, specjalnie dla danego pacjenta, co w przypadku misji kosmicznych byłoby bardzo pomocne. Byłaby to prawdziwa "kosmiczna apteczka przyszłości".

To na koniec jeszcze jedno pytanie, technologia ta brzmi jak coś, co może znaleźć zastosowanie także poza eksploracją kosmosu, np. odmieniając podawanie leków w trudno dostępnych miejscach świata. Czy taki scenariusz jest możliwy i brany pod uwagę?

- Polimerowe systemy dostarczania leków są szeroko badane na ziemi pod kątem zastosowań w terapiach, gdzie korzystne jest długoterminowe podawanie substancji leczniczej. Przykład stanowią to m.in. terapie hormonalne, onkologiczne, leczenie przewlekłego bólu czy też zaburzeń na tle psychicznym. Jak wcześniej wspomniałem, na rynku zaczynają pojawiać się tego typu rozwiązania, jest więc to dziedzina farmacji i medycyny warta uwagi. Zabezpieczając w odpowiedni sposób polimerowe nośniki przed wilgocią, można by je także wykorzystywać w tam, gdzie mamy do czynienia z niedoborem lekarzy.

- Sytuacje takie mogą mieć miejsce w krajach bardzo biednych, objętych wojną lub stanem klęski żywiołowej. Innym potencjalnym zastosowaniem są miejsca odosobnione, gdzie trudno o stałe dostawy leków - można tu na przykład wymienić stacje polarne. Trzeba jednak zauważyć, że na Ziemi jesteśmy chronieni przed promieniowaniem kosmicznym, co jest zasługą pola magnetycznego naszej planety. Polimery zatem nie będą tu działać jako "tarcza" chroniąca substancję aktywną, jednak w dalszym ciągu można wykorzystać ich olbrzymi potencjał do przedłużonego, kontrolowanego dostarczania leków, co ze względu na mniejszą częstotliwość podawania kolejnych dawek redukuje ryzyko pominięcia jednej z nich. Utrzymywanie stężenia terapeutycznego leku w organizmie nie tylko zwiększa skuteczność leczenia, lecz także wpływa korzystnie na komfort pacjentów.