Mikrogravitacija nije egzotičan pojam rezerviran samo za astronaute; ona je radni alat nove generacije bioinženjera i proizvođača lijekova. Kada se materijal ili tekućina nalaze u stanju gotovo bestežinskog pada, utišavaju se uobičajeni gravitacijski učinci poput konvekcije, sedimentacije i strižnih naprezanja uzrokovanih razlikama u gustoći. Upravo u takvom okruženju, na Međunarodnoj svemirskoj postaji (ISS), istraživački tim Sveučilišta Connecticut (UConn) i biotehnološki startup Eascra Biotech demonstrirali su da se Janus bazni nanomaterijali (JBN) mogu proizvesti u znatno ujednačenijem obliku nego na Zemlji, što izravno poboljšava njihovu terapijsku funkcionalnost u liječenju osteoartritisa i teško probojnih solidnih tumora.

Zašto je osteoartritis gorući problem i zašto trebamo novi pristup

Osteoartritis je najrašireniji oblik artritisa i jedan od vodećih uzroka kronične boli i smanjene pokretljivosti odraslih. Pogađa desetke milijuna ljudi i često vodi prema složenim, skupim kirurškim zahvatima, uključujući ugradnju umjetnog zgloba. Rizični čimbenici uključuju dob, prekomjernu tjelesnu težinu, ranije ozljede zglobova i biomehanička opterećenja. Standardne terapije pretežno su simptomatske: smanjuju bol i upalu, ali ne obnavljaju istrošenu hrskavicu niti zaustavljaju progresiju bolesti. Zbog toga raste interes za regenerativne i precizno ciljane terapije koje bi mogle intervenirati u molekularnim putovima razgradnje hrskavice i potaknuti obnovu izvanstaničnog matriksa bez invazivne kirurgije.

Što su JBN-ovi i kako se samoorganiziraju u funkcionalne nano-strukture

Janus base nanomaterials (JBN) posebna su klasa sintetskih molekula nadahnutih parovima baza DNA. Svaka molekula ima dvije “lice-strane” s pažljivo raspoređenim donorima i akceptorima vodikovih veza. U vodenom mediju te se jedinice najprije samoorganiziraju u prstenaste rosete, a zatim se slažu “kao tanjuri” u šuplje nanocijevi ili u fino kontrolirane nano-matrice. Takva geometrija omogućuje tri ključne osobine za medicinsku primjenu: (1) potpunu enkapsulaciju terapijskog tereta (npr. siRNA, mRNA, male molekule, proteinski lijekovi) radi stabilnosti i kontroliranog oslobađanja; (2) precizno ciljano prodiranje kroz guste biološke barijere (hrskavica, bubrezi, ekstracelularna matrica solidnih tumora); (3) nizak imunološki otisak, budući da kemijski motivi oponašaju nukleinske baze i ne aktiviraju snažan neželjeni imunološki odgovor.

Na Zemlji se ove nano-strukture tipično dobivaju blagom, vodenom samoorganizacijom pri sobnoj temperaturi, bez ekstremnih tlakova ili temperatura. No upravo zato što “gradi” sama priroda, svaki mikroskopski vrtlog ili gradijent uzrokovan gravitacijom može narušiti ujednačenost rasta. Konvekcijske struje, sedimentacija i površinski termokapilarni tokovi (Marangonijevi tokovi) stvaraju “topla žarišta” i razrjeđenja u otopini, što dovodi do agregata, mikropraznina i nesavršenih pora. Posljedica su defekti koji kompromitiraju mehaničku stabilnost, ponovljivost i sposobnost pouzdanog nošenja lijeka.

Mikrogravitacija kao “čista soba” za samoorganizaciju

U orbiti nisko iznad Zemlje, gdje ISS kruži oko planeta približno 16 puta na dan na visini od oko 400 kilometara, učinci gravitacije gotovo se poništavaju. U takvim uvjetima utišavaju se konvekcijske struje i taloženje čestica, a difuzija postaje dominantan mehanizam prijenosa tvari. Za materijale koji nastaju samoorganizacijom to znači “mirno” kemijsko okruženje: molekule imaju vremena formirati termodinamički povoljne i homogenije rasporede, bez lokalnih vrtloga i gradijenata koji bi ih “povukli” u krivu fazu ili krivi redoslijed slaganja.

Kada se ista kemijska receptura i iste koncentracije prebace iz zemaljskog reaktora u mikrogravitacijsku kasetu, razlika se vidi pod elektronskim mikroskopom i u mjerenjima: ravnomjerniji promjeri cijevi, pravilnija slojevitost matrica, manje defekata i ujednačenije poroznosti. A kako je upravo geometrija ključna za oslobađanje i retenciju terapijskog tereta, poboljšanje strukture automatski se prevodi u bolju terapijsku funkciju.

Što je tim UConn–Eascra postigao u nizu svemirskih kampanja

U sklopu više svemirskih letova 2024. i 2025. godine, istraživači su optimirali protokole za samoorganizaciju JBN-ova u mikrogravitaciji. Rezultati su pokazali značajan skok u ujednačenosti i pravilnosti građe, s internim metrikama strukture i poroznosti koje pokazuju i do oko 40% bolje uređenje u odnosu na najbolje serije izrađene na Zemlji. Pritom je kemijska formula ostala ista; ključna promjena bila je eliminacija gravitacijski vođenih tokova tijekom kritičnih faza nukleacije i sazrijevanja.

Zbog tih pomaka, Eascra razvija automatizirani, zatvoreni sustav za sintezu i sazrijevanje JBN-ova u orbiti. Cilj je proces koji od doziranja i kontroliranog “miješanja difuzijom”, preko vremenskog profila sazrijevanja, do stvrdnjavanja matrice, radi bez ljudske intervencije, a pritom bilježi sve procesne parametre za analitiku kvalitete. Dugoročna vizija uključuje prijelaz s ISS-a na buduće komercijalne platforme u niskoj Zemljinoj orbiti (LEO), uz veće serije i češče rotacije uzoraka prema Zemlji radi testiranja i validacije.

Kako se JBN-ovi uklapaju u terapiju osteoartritisa

Hrskavica je avaskularno, gusto tkivo. To je razlog zbog kojega mnoge injekcijske terapije ne uspijevaju dopremiti lijek do dubljih slojeva u kojima žive hondrociti. Janus bazne nanočestice dizajnirane su tako da se “provlače” kroz mrežu kolagena i proteoglikana, noseći unutar svoje šuplje jezgre terapijske molekule. U realistično zamišljenom scenariju liječenja, u zglob bi se injekcijom isporučile JBN-čestice koje enkapsuliraju siRNA/mRNA; one bi istodobno gasile upalne putove i kataboličke enzime te poticale ekspresiju gena odgovornih za sintezu izvanstaničnog matriksa.

Za lezije koje zahtijevaju mehaničku potporu, Janus base nano-matrix djeluje kao biorazgradivi skafold: mikro-okvir u koji se hondrociti mogu “usidriti” i u kojem se mogu održavati pravilni biokemijski signali za obnovu tkiva. Prednost je što se takva matrica može formulirati tako da polagano otpušta terapijski “teret” i time održava terapijsko djelovanje kroz dulji period, smanjujući broj ponovnih injekcija.

Precizno prodiranje u čvrste tumore: primjena u onkologiji

Čvrsti tumori — primjerice karcinom gušterače ili trostruko negativni karcinom dojke — imaju gustu stromu, povišeni intersticijski tlak i neujednačenu vaskularizaciju, što čini isporuku lijeka iznimno teškom. JBN-ovi nude dvostruku prednost: (1) mogu se funkcionalizirati ligandima koji ciljaju specifične receptore na tumorskim stanicama ili elementima strome, što povećava selektivnost; (2) njihova šuplja arhitektura omogućuje potpunu enkapsulaciju citostatika, ciljnih inhibitora ili nukleinskih kiselina, smanjujući izloženost zdravih tkiva i nuspojave. Budući da JBN-ovi kemijski oponašaju DNA motive, ne izazivaju snažan neželjeni imunološki odgovor i mogu zadržati lijek u tumoru dulje nego klasični nosači.

Što mikrogravitacija mijenja na razini fizike fluida

U zemaljskim uvjetima proizvodne otopine stalno “muče” konvekcija (zbog razlika u temperaturi i gustoći), sedimentacija (taloženje čestica prema gravitaciji) i Marangonijevi tokovi (tokovi uz granicu sučelja nastali zbog gradijenata površinske napetosti). Ti procesi stvaraju neujednačene mikrosvjetove u kojima nano-rosete i nanocijevi rastu različitim tempom i na krivim mjestima. U mikrogravitaciji, ovi učinci se dramatično stišavaju; difuzija postaje glavni mehanizam transporta i sve molekule “vide” slične uvjete. To vodi ravnomjernijem nukleiranju, sporijem ali pravilnijem rastu i, u konačnici, stabilnijoj nano-arhitekturi s manje defekata.

Od demonstracije do industrijske proizvodnje

Prve svemirske serije JBN-ova bile su osmišljene kao dokaz izvedivosti i izravna usporedba sa serijama izrađenima na Zemlji. No kako su se mjerljive razlike u strukturi i funkciji ponavljale, fokus se prebacio na skaliranje. Eascra razvija automatizirane kasete i kontrolere koji mogu serijski provoditi sintezu i sazrijevanje u orbiti uz minimalan angažman posade. Takva robotizacija smanjuje trošak po seriji i otvara vrata većim količinama, što je preduvjet za pretkliničke i, dugoročno, kliničke programe.

Paralelno se uspostavljaju logistički lanci: učestaliji opskrbni letovi do ISS-a, brži povrat uzoraka na Zemlju i migracija prema komercijalnim platformama u niskoj Zemljinoj orbiti (LEO). Kako industrija u LEO-u sazrijeva, troškovi leta padaju, a iterativni ciklus “formuliraj–proizvedi–testiraj–ponovi” postaje izvediv i za agilne biotehnološke timove.

Sigurnosni i regulatorni horizont

Put do pacijenta vodi kroz pretklinička i klinička ispitivanja te usklađivanje s good manufacturing practice (GMP) standardima. JBN-ovi imaju važnu prednost: osnovna kemija odvija se u blagim, vodenim uvjetima, bez organskih otapala i visokih temperatura. To olakšava dokazivanje čistoće i smanjuje rizike kontaminacije. Automatizirani, zatvoreni reaktori za jednokratnu uporabu dodatno pojednostavljuju kontrolu sterilnosti i sljedivost parametara procesa — što je ključno za regulatorno odobrenje.

Šire tržište i potencijal: izvan zglobova, prema drugim gustim tkivima

Ako se prednosti ujednačenosti i funkcionalnosti potvrde u daljnjim validacijama, platforma bi mogla otvoriti vrata terapijama za indikacije u kojima je dostava lijeka dosad bila usko grlo: bolesti bubrega (zbog gustih bazalnih membrana), fibrotične bolesti pluća i jetre te tumori s osobito bogatim ekstracelularnim matriksom. Još jedan operativni dobitak: JBN-ovi mogu održavati bioaktivnost tereta pri sobnoj temperaturi, što smanjuje ovisnost o “hladnom lancu” i potencijalno širi dostupnost precizne terapije izvan najvećih kliničkih centara.

Kontekst vremena: gdje je projekt danas

Zaključno s današnjim datumom, 03. listopada 2025., iza tima su višestruke svemirske kampanje i stalno iteriranje protokola. Proljetne misije teretnih letova prema ISS-u 2025. uključile su i dodatne eksperimente usmjerene na daljnje povećanje uniformnosti te potpuno automatizirano upravljanje reakcijama. U tijeku je analiza stabilnosti svemirski proizvedenih serija — koliko dugo zadržavaju mehanička svojstva i terapijsku djelotvornost tijekom skladištenja — kao i usporedbe s najnovijim serijama proizvedenim na Zemlji. Tim paralelno testira parametre koji bi se mogli prevesti u hibridne procese: započeti samoorganizaciju u svemiru, a završiti “sazrijevanje” uz kontrolirane uvjete na Zemlji, kako bi se smanjili troškovi i vrijeme ciklusa.

Zašto je baš LEO pravi adresar za ovakvu proizvodnju

LEO nije “svemir daleko”; to je infrastruktura na oko 400 km od Zemlje do koje se stiže u satima, a uzorci se mogu vratiti u laboratorij u roku dana. Takav ritam omogućuje brze iteracije, a rast komercijalnih platformi širi kapacitete i pritišće troškove. Za procese koji traže tihe uvjete bez gravitacijskih smetnji — poput samoorganizacije JBN-ova — LEO je industrijska niša koja ima neposrednu korist na Zemlji: bolje serije, ujednačenija svojstva, predvidljivije oslobađanje lijeka i, potencijalno, bolji ishodi liječenja.

Pogled unaprijed: od osteoartritisa do personalizirane onkologije

JBN platforma inherentno je modularna. Isti “kanali” i “matrice” mogu prenositi različite terapijske pakete prilagođene genomici tumora ili molekularnom profilu degenerativne bolesti pojedinog pacijenta. U kombinaciji s dijagnostikom koja iz krvi ili sinovijalne tekućine u realnom vremenu prati upalne putove, otvara se mogućnost faznog, preciznog doziranja umjesto jednokratnih “udarnih” terapija. Upravo tu zaglađenost procesa u mikrogravitaciji — manje defekata i veća ponovljivost — postaje prevoditelj znanosti u stabilan medicinski proizvod.

Za čitatelje i istraživače iz Hrvatske i regije poruka je praktična: svemirska proizvodnja više nije fikcija. Kroz partnerstva i industrijske kolaboracije moguće je osmisliti procese koji iskorištavaju mikrogravitaciju za uniforme materijale koje je teško reproducibilno proizvesti na Zemlji, a zatim ih primijeniti u terapijama s velikim nezadovoljenim potrebama. Smjernice, pozivi i tehnički vodiči redovito se objavljuju na stranicama ISS National Laba, u radovima laboratorija nanomedicine UConn-a i na stranicama Eascra Biotech, što može poslužiti kao polazište za vlastite projektne ideje i međunarodne konzorcije.