En un nuevo informe publicado ahora en npj Microgravity, Zachary Estlack y un equipo de investigación en ingeniería mecánica y ciencias espaciales de la Universidad de Utah y la Universidad de California, Berkeley, desarrollaron un analizador orgánico de microfluidos para detectar señales de vida más allá de la Tierra y monitorear clínicamente Salud de los astronautas. El equipo realizó extensas pruebas ambientales en diversas atmósferas gravitatorias para confirmar la funcionalidad del analizador y su nivel de preparación tecnológica.
Los científicos planetarios simularon entornos de condiciones lunares, marcianas, cero e hipergravedad que se encuentran típicamente durante un vuelo parabólico para confirmar la funcionalidad del analizador de microfluidos. Los resultados del estudio allanan el camino para integrar instrumentos de microfluidos en una variedad de oportunidades de misiones espaciales.
Microfluídica en el espacio
La microfluídica presenta una importante innovación técnica para la investigación biomédica in vitro. El concepto también es adecuado en astrobiología para análisis de vuelos espaciales de firmas biológicas mediante la regulación de volúmenes de fluidos a escala nano/micro a través de investigaciones bioquímicas altamente sensibles, manteniendo una huella física menor. Como resultado, los instrumentos en miniatura son especialmente atractivos para analizar las huellas biológicas de la vida extraterrestre.
Los científicos planetarios ya han recolectado y estudiado muestras de hielo en profundidad de las lunas Encélado y Europa de Saturno y Júpiter con dispositivos de microfluidos. Dichos instrumentos analíticos también son útiles para monitorear la salud de la tripulación de vuelo. Aunque los sistemas de bioanálisis de microfluidos todavía están en desarrollo, los bioingenieros tienen como objetivo mejorar su sensibilidad gravitacional y eficiencia energética para la exploración espacial in situ reconfigurable y compacta.
Configuración del dispositivo
Estlack y sus colegas desarrollaron un sistema analizador orgánico de microfluidos (MOA) con una matriz de microondas programable integrada (PMA) junto con microcanales de vidrio y un sistema de detección de fluorescencia inducida por láser (LIF). Durante el desarrollo del analizador orgánico, se centraron en un sistema de instrumentos de formato de vuelo de nivel de preparación tecnológica para evaluar la madurez del dispositivo para la comercialización, según corresponda para vuelos espaciales, para identificar los analitos de interés.
Este trabajo arroja luz sobre los resultados de los dos primeros vuelos de una serie de cinco vuelos en microgravedad, para evaluar el rendimiento de la microfluídica en microgravedad. Los arreglos de válvulas microfluídicas ayudaron en la preparación y regulación de muestras dentro del instrumento, para etiquetar, incubar y entregar muestras automáticamente a un chip de electroforesis capilar integrado y detectar la fluorescencia inducida por láser dentro de la misma configuración. En total, el instrumento integraba un analizador orgánico de microfluidos, un conjunto de analizadores de microválvulas que contenía un chip integrado para la detección de fluorescencia inducida por láser y un conjunto de sensores.
Probando el dispositivo bajo vuelos parabólicos simulados
El equipo de investigación estudió los parámetros funcionales generales durante el vuelo para garantizar que todos los entornos de prueba fueran monitoreados y regulados. A medida que la simulación del avión ascendía, la presión descendía y provocaba un descenso general de la temperatura, lo que influía en el instrumento de microfluidos. Sin embargo, los cambios en los parámetros operativos tuvieron un impacto mínimo en el rendimiento general del instrumento.
Estlack y el equipo realizaron análisis de caudal durante los períodos lunar, marciano y de hipergravedad del vuelo. Notaron cambios en el flujo de retorno inicial y la tasa de flujo máximo con el aumento de la gravedad. Los resultados de las simulaciones mostraron que el entorno gravitatorio tuvo una influencia mínima en el rendimiento del instrumento.
Calificación del desempeño de los instrumentos
Basándose en la capacidad de control de volumen preciso en una variedad de condiciones gravitatorias, el equipo realizó diluciones automatizadas para determinar el rendimiento de los instrumentos para futuras pruebas de conjuntos de biomarcadores. Completaron tres etapas de la secuencia de dilución y las registraron durante el vuelo.
Durante las dos primeras etapas, transfirieron un tampón y un fluoróforo a un pozo de almacenamiento en las proporciones deseadas. Durante la etapa final, cargaron un microvolumen del fluoróforo diluido en los canales de detección incorporados y lo transfirieron más allá del detector de fluorescencia mediante vacío. Los experimentos realizados bajo microgravedad o gravedad marciana correspondieron a una secuencia de dilución específica y mostraron poca variación.
Mejora del nivel de preparación tecnológica en los instrumentos
Los científicos espaciales y los bioingenieros integraron los resultados de los dos primeros vuelos para mejorar la preparación tecnológica del analizador orgánico de microfluidos. Su desempeño exitoso bajo microgravedad justificó su inclusión en misiones de vuelos espaciales. Por ejemplo, con la disminución de la gravedad, el rendimiento de bombeo del instrumento se mantuvo constante, aunque el aumento de la gravedad perjudicó al instrumento en la región de la matriz de microválvulas; no obstante, el analizador orgánico no se vio afectado en condiciones variables.
Los resultados del estudio destacaron la idoneidad del instrumento para aplicaciones que detectan y determinan analitos químicos y bioquímicos extraterrestres. La insensibilidad del instrumento a un campo gravitatorio en condiciones simuladas en el laboratorio justificó su idoneidad para el despliegue espacial.
Panorama
De esta manera, Zachary Estlack y sus colegas estudiaron el nivel de preparación tecnológica de un instrumento de microfluidos para misiones espaciales para explorar firmas bioquímicas extraterrestres y monitorear la salud de los astronautas en el futuro. Las lecciones aprendidas de este primer vuelo afectarán los futuros análisis planificados bajo microgravedad e hipergravedad, que incluyen investigaciones de electroforesis capilar y monitoreo de la salud de la tripulación de astronautas a través de ensayos clínicos simulados para revelar biomarcadores de interés específico.
Los resultados de estos estudios y los vuelos futuros planificados revelarán la diversa capacidad de los instrumentos durante y después de completar las misiones espaciales planificadas.
Con información de PNAS
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