Sin dalle sue origini, l’essere umano ha scrutato il cielo chiedendosi che cosa avrebbe trovato lassù. Quando finalmente abbiamo lasciato il nostro pianeta, è stato subito chiaro che lo spazio era molto più che una nuova frontiera da esplorare. La domanda che sempre più aziende si stanno ponendo oggi è se possa diventare anche un ambiente da sfruttare per migliorare quei processi che sulla Terra possono risultare inefficienti o difficili da controllare. La microgravità, infatti, modifica il modo in cui materiali e sistemi biologici si comportano, aprendo nuove prospettive per l’industria biotech e farmaceutica.
Cristalli più uniformi, materiali biologici più complessi e nuovi modelli cellulari sono alcuni degli ambiti in cui l’ambiente spaziale potrebbe offrire nuove possibilità. Diverse aziende, tra cui Varda Space Industries e Merck, stanno sperimentando le potenzialità della produzione e della ricerca in orbita, con l’obiettivo di superare alcuni dei vincoli imposti dalla gravità terrestre allo sviluppo dei farmaci. Ma lo spazio potrebbe offrire un vantaggio anche nello studio di modelli cellulari e materiali biologici complessi, permettendo di osservare fenomeni difficili da riprodurre sulla Terra.
Lo racconta Michael Greshko, editor di Science, in un articolo pubblicato lo scorso agosto sulla rivista.
Microgravità e cristallizzazione dei farmaci
Le astronaute e gli astronauti che galleggiano nello spazio sembrano trovarsi in assenza di gravità. In realtà, alla quota della Stazione Spaziale Internazionale, la gravità è ancora circa il 90% di quella terrestre: le astronaute e gli astronauti fluttuano perché, insieme alla stazione, sono in caduta libera continua verso la Terra. È questa condizione a essere definita microgravità. Dal punto di vista pratico, però, l'effetto è simile a quello che immaginiamo quando pensiamo all'assenza di peso: gli oggetti non cadono verso il pavimento e possono rimanere sospesi.
Questa condizione può diventare uno strumento al servizio della cristallizzazione dei farmaci, ovvero il processo attraverso cui le molecole, inizialmente disperse in una soluzione o in un materiale fuso, si riuniscono secondo un ordine regolare formando un solido cristallino.
Ottenere cristalli con caratteristiche precise permette di controllare alcune proprietà, come stabilità, solubilità e velocità di dissoluzione, ma non è sempre semplice. Sulla Terra, la gravità influenza questo processo attraverso due fenomeni, la convezione dei liquidi e la sedimentazione: le differenze di temperatura possono mettere in movimento il fluido (i fluidi più caldi salgono verso l’alto, quelli più freddi scendono verso il basso), mentre particelle e cristalli tendono a depositarsi. Questi fenomeni possono rendere meno uniforme la crescita e, in alcuni sistemi, favorire difetti o distribuzioni non omogenee delle particelle. Nel caso delle proteine terapeutiche, molecole grandi e strutturalmente complesse, ottenere cristalli uniformi è generalmente più difficile.
In microgravità questi effetti sono fortemente ridotti e il trasporto delle molecole avviene principalmente per diffusione, cioè attraverso il movimento spontaneo dalle zone a maggiore concentrazione verso quelle a minore concentrazione. La crescita può quindi avvenire in condizioni più stabili e con minori perturbazioni meccaniche.
Merck e Varda: due modi di usare lo spazio
Un esempio è quello di Merck, che ha studiato sulla Stazione Spaziale Internazionale la cristallizzazione di pembrolizumab (Keytruda), un anticorpo monoclonale. Gli esperimenti, realizzati in collaborazione con l'ISS National Laboratory, hanno sfruttato la riduzione della sedimentazione e delle correnti convettive tipica della microgravità. Il risultato è stata una sospensione di cristalli con una distribuzione delle dimensioni più omogenea rispetto agli esperimenti condotti a Terra: circa 39, contro due popolazioni di circa 13 e 102 micrometri nei campioni terrestri. Le sospensioni ottenute in orbita erano inoltre meno viscose e sedimentavano in modo più uniforme.
Un'altra azienda interessata alle potenzialità di questa tecnologia è Varda Space Industries, che punta a trasformare direttamente l'orbita in un ambiente di produzione farmaceutica. La società sta sviluppando capsule autonome progettate per funzionare come piccole fabbriche farmaceutiche spaziali. Nel 2023, durante la missione W-1, una di queste capsule ha portato in orbita il ritonavir, un farmaco antivirale, e lo ha ricristallizzato in microgravità.
Organoidi in orbita
Gli organoidi – strutture tridimensionali ottenute a partire da cellule staminali o da altri tipi cellulari – possono ricreare una parte dell'architettura e delle funzioni del tessuto di origine in maniera più fedele rispetto alle colture cellulari bidimensionali.
Sulla Terra, però, la gravità fa sedimentare continuamente cellule e aggregati cellulari, e per mantenerli in sospensione durante la crescita tridimensionale, le ricercatrici e i ricercatori devono ricorrere a bioreattori e sistemi di agitazione. Questi sistemi introducono forze di taglio e altre sollecitazioni meccaniche, che possono interferire con l'aggregazione delle cellule e con la formazione delle strutture tridimensionali.
In microgravità, invece, la sedimentazione è fortemente ridotta e diminuisce anche la necessità di mantenere le cellule in sospensione attraverso l'agitazione. Le cellule possono così aggregarsi spontaneamente, in condizioni meccaniche diverse da quelle terrestri, favorendo in alcuni casi la formazione di strutture più uniformi e complesse.
Il vantaggio non riguarda soltanto la possibilità di produrre organoidi, ma anche di poterli studiare direttamente in orbita, esponendoli alla microgravità e agli altri fattori tipici dell'ambiente spaziale. Le condizioni di microgravità modificano il citoscheletro, la meccanotrasduzione e l'espressione genica e possono rendere più rapidamente osservabili alcuni processi che sulla Terra richiedono tempi molto più lunghi. Per questo gli organoidi possono diventare modelli per studiare lo sviluppo e l'invecchiamento dei tessuti, ma anche gli effetti della microgravità e delle radiazioni sull'organismo.
Produrre nello spazio conviene economicamente?
Un esempio interessante arriva dall’azienda LambdaVision, che sta sviluppando una retina artificiale costituita da numerosi strati sottilissimi di una proteina chiamata batteriorodopsina. L'obiettivo è costruire un impianto capace di stimolare le cellule ancora sane della retina e contribuire così a recuperare parte della vista nei pazienti con degenerazione maculare.
Mentre sulla Terra i fenomeni di sedimentazione e convezione prodotti dalla gravità rendono la produzione del film meno controllabile, in microgravità l'assenza di sedimentazione e convezione permette alle proteine di assemblarsi in film più uniformi e con meno materiale scartato.
Secondo LambdaVision, attualmente solo circa il 40% dei film prodotti a Terra rispetta le specifiche, mentre gli altri risultano troppo spessi o troppo sottili. Il processo spaziale aumenterebbe significativamente la percentuale di prodotto conforme, compensando i costi extra del trasporto nello spazio (circa 600.000 dollari).
In altre parole, la produzione spaziale ha senso soprattutto per prodotti complessi e di alto valore, per i quali una maggiore resa o una caratteristica difficilmente ottenibile sulla Terra possono compensare i costi aggiuntivi dell'accesso all'orbita.
Il futuro del biotech in orbita
La Stazione Spaziale Internazionale si avvicina alla fine della sua vita operativa e stanno nascendo nuove stazioni spaziali commerciali, come Haven-1 di Vast, dove aziende e ricercatori potranno acquistare servizi e svolgere esperimenti in microgravità. L'obiettivo è trasformare progressivamente l'accesso all'orbita in un servizio commerciale, rendendo più semplice e frequente per le aziende portare in orbita esperimenti e processi produttivi.
Tuttavia, il settore è ancora giovane e incerto: dipende molto dai finanziamenti della NASA e dalla capacità delle aziende di dimostrare che i vantaggi ottenuti in orbita sono sufficienti a compensare i costi della produzione e della ricerca nello spazio. Il passaggio dalla ricerca sulla ISS a infrastrutture commerciali potrebbe però rendere la microgravità più accessibile e aumentare la frequenza degli esperimenti.
Cover Foto di NASA su Unsplash.