Uma revisão sobre os efeitos da alteração da gravidade em sistemas biológicos com enfoque na saúde

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA CELULAR E GENÉTICA

RAQUEL CAROLINE SANTOS DINIZ

Uma revisão sobre os efeitos da alteração da gravidade em sistemas

biológicos com enfoque na saúde

NATAL Junho/2019

Uma revisão sobre os efeitos da alteração da gravidade em sistemas

biológicos com enfoque na saúde

Por:

RAQUEL CAROLINE SANTOS DINIZ

Monografia

Apresentada

à

Coordenação do Curso de

Biomedicina da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte,

como

Requisito

Parcial

à

obtenção do Título de Bacharel

em Biomedicina.

NATAL Junho/2019

Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Diniz, Raquel Caroline Santos.

Uma revisão sobre os efeitos da alteração da gravidade em sistemas biológicos com enfoque na saúde / Raquel Caroline Santos Diniz. - 2019.

53 f.: il.

Monografia (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Biociências, Curso de Biomedicina. Natal, RN, 2019.

Orientadora: Profa. Dra. Katia Castanho Scortecci.

1. Microgravidade - Monografia. 2. Saúde - Astronauta - Monografia. 3. Biotecnologia - Monografia. 4. Clinostato - Simulador de microgravidade - Monografia. 5. Estação espacial - Monografia. I. Scortecci, Katia Castanho. II. Título.

RN/UF/BCZM CDU 550.312

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE BIOCIÊNCIAS

CURSO DE BIOMEDICINA

A Monografia

UMA REVISÃO SOBRE OS EFEITOS DA ALTERAÇÃO DA

GRAVIDADE EM SISTEMAS BIOLÓGICOS COM ENFOQUE NA SAÚDE

Elaborada por RAQUEL CAROLINE SANTOS DINIZ

E aprovada por todos os membros da Banca examinadora foi aceita pelo Curso de Biomedicina e homologada pelos membros da banca, como requisito parcial à obtenção do título de

BACHAREL EM BIOMEDICINA Natal, 04 de Junho de 2019

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________ Katia Castanho Scortecci

(Departamento De Biologia Celular E Genética - DBG) _________________________________________

Raquel Cordeiro Theodoro

(Departamento De Biologia Celular E Genética - DBG)

_________________________________________ Luciana Fentanes Moura De Melo

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar eu quero agradecer a Deus, pois sem Ele eu não teria conseguido chegar aqui. Ele sempre me sustentou e me deu forças para superar cada provação diante da mina caminhada. Também quero agradecer a minha família, meu maior presente, aqueles que sempre estiveram ao meu lado, acreditando em mim e me apoiando.

Obrigada minhas amigas: Ray, Fernanda, Nay, Malu, Lidiane, Karine, por me aturarem diariamente, vocês coloriram os meus dias na faculdade, se tornaram verdadeiras irmãs. Obrigada Marina, Júlia e Vanessa pelo o apoio, orações e momentos de distração, estamos juntas desde pirralhas e agora não seria diferente. Agradeço bastante a Murilo, pois sempre esteve ao meu lado em todos os momentos.

Quero agradecer a minha orientadora Katia, por acreditar em mim e nunca desistir, me orientando até aqui, essa vitória é nossa! Agradeço também a todos do laboratório LTPAM, com um agradecimento em especial a Verônica, Luciana, Ana Raquel, Maria Lúcia, Gessica e Camila. Obrigada também aos também ICs Jaime e Ana Helena, eles foram de fundamental ajuda nos últimos tempos. E por fim, mas não menos importante: obrigada a todos os professores pelos quais eu passei durante o curso, sem eles eu não teria chegado aqui, obrigada também a toda coordenação do curso de Biomedicina.

Resumo

A gravidade é uma força presente em todo o planeta, atuando durante a evolução de todos os seres vivos conhecidos hoje em dia. Com o desenvolvimento científico podemos chegar a um novo patamar, o Espaço, deparando-nos com um ambiente completamente diferente da atmosfera terrestre, que apresenta variáveis consideradas como agentes estressores para a vida adaptada à Terra; uma dessas é a microgravidade. O presente estudo teve como objetivo fazer uma revisão sobre a microgravidade e sua influência sobre a saúde, abordando primeiramente os desafios que os astronautas enfrentam devido aos problemas de saúde desenvolvidos sob a ação dessa força, assim como as pesquisas realizadas na tentativa de resolver tais problemas, relatos de como essas pesquisas acabam refletindo de maneira positiva no avanço terapêutico na Terra. Além disso, são apresentados resultados de experimentos que não haviam sido possibilitados sob a influência da gravidade da Terra, como é o caso da formação de cristais para algumas proteínas, e do estudo de alguns vírus, uma vez que foi capaz de serem replicados em cultivo celular convencional. Tais estudos também possibilitam compreender melhor os processos biológicos da vida terrestre, agregando conhecimento e desenvolvimento em áreas como a genômica, proteômica, constituindo estudos que permitem um avanço nas pesquisas espaciais e terrestres, paralelamente. Foram abordados também os meios que promoveram esses estudos, desde Estações Espaciais, locais que fornecem o ambiente espacial para tais estudos serem desenvolvidos à biodispositivos, como os Clinostatos 2D e 3D desenvolvidos para permitir a simulação da microgravidade na Terra, uma alternativa mais acessível física e financeiramente.

Palavras chaves: Microgravidade, Saúde, Biotecnologia, Clinostato, Estação espacial.

Gravity is a force present on earth acting during the evolution of animal and plant species. The scientific development allowed man reach Space, and consequently it was faced a completely different environment from the earth's atmosphere, with different factors that were considered as a stress condition as life on earth was developed on gravity force. This study aimed to review the microgravity and its influence on health, addressing to the challenges that astronauts face due to the health problems developed under the influence of this force. As well as the research done trying, to solve these problems and the therapeutic advances due to this force called microgravity. In addition, it was shown scientific data about crystal formation for some proteins as well as virus replication in microgravity conditions that on earth was not possible in conventional cell culture. Furthermore, these studies also enable to understand some biological processes, consequently adding knowledge and development in areas such as genomics and proteomics. Moreover, it was also developed equipment to simulate the microgravity condition such as the 2D and 3D Clinostat, which were considered other option besides the International Space Station for microgravity environmental.

Keywords: Microgravity, Health, Biotechnology, Clinostat, Space station.

LISTA DE FIGURAS

Figura 01. Fórmula da Força... 17

Figura 02. Representação da equação da Força...17

Figura 03. Interação gravitacional entre dos objetos...18

Figura 04. Constante gravitacional universal...18

Figura 05. Estação espacial International Space Station (ISS) em orbita...24

Figura 06. Crescimento de Cristal de Proteína uniforme como o uso do Hand-Held High...29

Figura 07. Voo parabólico esquematizado matematicamente...31

Figura 08. – Esquema da Lewis 2.2-Second Drop Tower da NASA...32

Figura 09 (A) Constante gravitacional universal. (B) Constante gravitacional universal com vo = 0 e yo = 0. ...33

Figura 10. Constante gravitacional universal. ...33

Figura 11. Constante gravitacional universal. ...33

Figura 12. Constante gravitacional universal. ...33

Figura 13. Forças vetoriais na gravidade, microgravidade real e microgravidade simulada no Clinostato 2D...35

Figura 14. Clinostato 2-D com sementes centralizadas em seu meio à 35 rpm...36

Figura 15 (A) Clinostato 3D. (B) Coordenadas do clinostato ... .38

Figura 16. Irmão gêmeos Scott e Mark Kelly...41

Figura 17. Câmara de cultura aberta usada para experiências no imã...42

Tabela 01. Proteínas diferencialmente expressas na retina de camundongo em resposta ao controle de microgravidade...27 Tabela 02. Parâmetros necessários para a cristalização de proteínas...30 Tabela 03. Exemplo de células cultivadas com sucesso em ambiente de

microgravidade para engenharia de tecidos...43 Tabela 04. - Exemplos de tecidos capazes de serem gerados devido o cultivo de células em microgravidade...44

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AE Estação Espacial

ADSCS Células troncos derivadas do tecido adiposo cDNA Cópia do Ácido desoxirribonucleico

CSA Canadian Space Agency DNA Ácido desoxirribonucleico ECG Eletrocardiograma

EEG Eletroencefalograma EMG Eletromiograma EOG Eletrooculograma

ESA Agencia Espacial Europeia HDPCG High density protein crystal

HEV Vírus hepatotrópicos da hepatite E hFOB 1 Osteoblastos fetais humanos ISS Internacial Space Station

JAXA Japan Aerospace Exploration Agency LSAH Lifetime surveillane of astronaut health

NCBI Nacional center for biotechnology information MAR Resistência múltipla a antibióticos

MDR Resistência a múltiplas drogas MEC Matriz extracelular

NASA National Aeronautics and Space Administration PAO Pseudomonas aeruginosa

PCR Reação em cadeira da polimerase PIO Pressão intra-ocular

PIC Pressão intracraniana PSG Polissonográfico

REM Movimento Rápido do Olho RMG Microgravidade real

RPM Random Positioning Machine RNA Ácido ribonucleico

SMG Microgravidade simulada Th2 Linfócito T helper 2 STS Spacial Transport System

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ... viii

LISTA DE TABELAS ...ix

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... x

1. INTRODUÇÃO...13 2. OBJETIVOS...15 2.1. OBETIVO GERAL...15 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS...15 3. METODOLOGIA...16 4. CONCEITO DE MICROGRAVIDADE...17 4.1. MICROGRAVIDADE REAL (RMG)...19 4.1.1. ESTAÇÃO ESPACIAL...19

4.1.2. OUTROS MEIOS DE ALCANÇAR A MICROGRAVIDADE REAL...30

4.2. MICROGRAVIDADE SIMULADA (SMG)...35

4.2.1. CLINOSTATO...35

5. MICROGRAVIDADE RELACIONADA A SAÚDE...38

5.1. MICROGRAVIDADE E O DESENVOLVIMENTO DE TERAPIAS...42 5.2. MICROGRAVIDADE E MICRORGANISMOS...45 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS...47 7. REFERÊNCIAS...49

1. Introdução

O ser humano sempre apresentou um grande interesse por conhecimento, buscando compreender e explicar os fenômenos que o rodeiam. Essa curiosidade foi a base para o desenvolvimento da ciência (WANG et al., 2017), e, claro, não se limitou apenas à Terra e às coisas que nos cercam.

O interesse pelo o espaço é algo antigo e que continua crescendo na humanidade, com muitas expectativas, suposições e teorias que pouco a pouco foram alimentadas, esclarecidas e renovadas graças aos avanços tecnológicos, que permitiram que em 1961, o conhecido astronauta Yuri Alexeyevich Gagarin conseguisse concretizar o sonho de muitos ao realizar a primeira viagem espacial (NASA, 2019). Em 20 de julho de 1969, a tripulação da Apollo 11 completou com sucesso seu objetivo de realizar um pouso lunar tripulado com Neil Armstrong, Edwin E. Aldrin Jr., Michael Collins e retornar à Terra (NASA, 2019). Atualmente, não só a Lua, mas Marte são considerados alvos futuros para explorações espaciais. As Agências Espaciais (AE) existentes atualmente, como a National Aeronautics and Space Administration (NASA) continuam almejando a exploração do espaço, de modo que planejam não só o retorno à Lua e a ida a Marte, como também almejam estabelecer habitat em tais lugares. Esse é o caso da Agência Espacial Europeia (ESA), que anunciou o objetivo de enviar seres humanos de volta à superfície lunar, realizando então atividades de escopo na preparação da “Aldeia da Lua”, um habitat em um dos polos lunares (a chamada "Aldeia da Lua") para facilitar a pesquisa no espaço e demonstrações de tecnologia (WEBER et al., 2019).

Dessa forma, uma vez que os níveis de gravidade na Lua e em Marte são de 16% e 38%, respectivamente, da gravidade da Terra, tornou-se de interesse humano a pesquisa dos efeitos da microgravidade na morfofisiologia humana. Então, uma vez estabelecido um habitat na superfície lunar, as durações das missões são estimadas em cerca de 42 dias, excedendo o recorde de tempo na superfície da era Apollo, cujo tempo era de 75 horas com a Apollo 17 (WEBER et al., 2019).

Todavia, as pesquisas espaciais não se resumem apenas às pesquisas humanas e a sua adaptação e preservação da saúde no ambiente espacial. Na

verdade, os mais complexos experimentos biomédicos já foram realizados, envolvendo diversas áreas, como a Biologia Celular e Molecular, Biologia Vegetal, Biologia Animal e pesquisas microbianas (SUFFREDINI, 2015).

Em suma, a gravidade na verdade influência em muitos fenômenos observáveis dentro da Física e da Ciências da Vida. Tudo na Terra, desde sua estrutura ao desenvolvimento e evolução dos organismos terrestres, deu-se sobre a ação dessa força. A Força gravitacional na Terra é de 1g, quando ela está abaixo disso (cerca de gravidade < 10−6g), a chamamos de microgravidade, porém, quando ela se apresenta acima de 1g, denominamos de Hipergravidade.

A microgravidade, que será o foco dessa revisão, induz uma vasta gama de mudanças em organismos que variam de bactérias para os seres humanos, incluindo alterações morfológicas de células, devido à alteração em seu citoesqueleto, como foi apresentado no estudo de MOES et al. (2010). O estudo desenvolvido por SANTOS et al. (2017) relatou também alterações globais na expressão gênica em organismos como o Chromobacterium violaceum, com 212 proteínas identificadas durante o início da fase exponencial, apenas 155 foram identificadas na condição de microgravidade, dentre essas 54 foram expressas de maneira diferentes, sendo que 18 foram upreguladas, 19 downreguladas e 17 exclusivamente identificadas apenas na condição de microgravidade, resultando, assim, em alterações nos mecanismos responsáveis para obter energia e uma diminuição na proliferação celular.

2.Objetivos

2.1. Objetivo Geral

Realizar uma revisão bibliográfica a partir das produções científicas referentes à Microgravidade correlacionada à saúde.

2.2. Objetivos Específicos  Conceituar Microgravidade;

 Explicar os benefícios que os ensaios de microgravidade proporcionam para o desenvolvimento de pesquisas com objetivo de melhorar a saúde na Terra;

 Explanar sobre as Estações Espaciais;

 Explanar sobre os simuladores de microgravidade, especificamente sobre o Clinostato 2-D.

3. Metodologia

O presente trabalho consiste em uma pesquisa de revisão bibliográfica sobre o tema Microgravidade e Saúde. A pesquisa foi realizada nas bases de dados científicas NCBI, Scientific Electronic Library Online (Scielo), Science Direct e da NASA. Foram utilizadas palavras chaves em inglês e português, como: Microgravidade, Saúde, Clinostato, Simulação de microgravidade, Cristalização protéica, Espaço, Proteômica, Bactérias, Estação Espacial, Microgravity, Clinostat, Health, Space, Protein crystallization e proteomics.

4. Conceito de microgravidade

A gravidade ou microgravidade é uma influência externa, que provoca a aceleração de um corpo em um referencial de inercia (Figura 1). A direção resultante da força é a direção da aceleração que ela produz em um determinado corpo (Figura 2). Ela é o produto da massa em inercia do corpo pela a aceleração (Figura 1 e 2) (ALONSO e FINN, 1999).

FIGURA 1- Fórmula da Força, onde F= força, m= massa e a=aceleração.

FIGURA 2 - Representação da equação da Força. Onde a Força é o resultado do produto da massa pela a aceleração, sendo a Força e a aceleração grandezas vetoriais, possuindo uma mesma direção e um mesmo sentido. Fonte: Toda Matéria - conteúdos escolares (2019).

Na física, consideram-se quatro forças fundamentais atuando no interior dos átomos, forças que determinam desde as interações entre as partículas individuais ao comportamento, em larga escala, de toda a matéria no universo. Seriam essas a força eletromagnética, a força nuclear fraca, a força nuclear forte e a força da gravidade (ALONSO E FINN, 1999).

Assim, a gravidade é uma força que sempre esteve presente nos fenômenos biológicos ocorridos na Terra, possuindo com isso um papel de importância direta nos aspectos morfofisiológicos dos seres vivos expostos a ela, desde os seres humanos aos microrganismos, animais e plantas (SANTOS et al., 2017). A lei que rege o comportamento da interação gravitacional foi proposta por Newton (Figura 3). Segundo esta lei, dois objetos de massa diferentes (m1 e m2), estando em uma certa distância (d), faz com que surja entre eles uma força de

atração que atua entre todas as partículas no universo, sendo de natureza sempre atrativa, nunca repulsiva. Essa força, que agrega a matéria, é responsável pelo peso dos corpos, por manter a Lua em sua órbita em volta da Terra, pelo confinamento dos planetas em suas órbitas ao redor do Sol, e por agregar as galáxias, dentre muitos outros fenômenos da natureza. A expressão que a representa é a seguinte:

FIGURA 3- Interação gravitacional entre dos objetos. F= força, m1 = massa do objeto 1, m2= massa do objeto 2, d= distância e G=gravidade.

Ao analisarmos a fórmula, percebemos que a força gravitacional é diretamente proporcional às massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância. A constante G (Figura 4) é conhecida como constante da gravitação universal e seu valor é:

FIGURA 4 – Constante gravitacional universal.

Utilizando a constante da Gravitação Universal como G = 6,67.10-1 _Nm2_/k -2_{, e os raios R e as massas M da Terra, Lua ou de Marte, podemos chegar às} acelerações da gravidade dos astros abaixo:

Terra: se M = 5,98.1024 _{kg e R = 6,35.10}6 _{m, a gravidade é g = 9,89m/s}2; _{Lua: se}

M = 7,35.1024 _{kg e R = 1,74.10}6 _{m, a gravidade é g = 1,62m/s}2;

Marte: se M = 6,42.1024 _{kg e R = 3,40.10}6 _{m, a gravidade é g = 3,71m/s}2;

Quando seres vivos ou até objetos estão num ambiente de baixa gravidade ou microgravidade, não possuem assim um peso aparente, de maneira que aparenta haver uma ausência do peso, dizendo estar em gravidade zero, termo tecnicamente incorreto, pois a gravidade continua a cerca de 90% da existente na superfície terrestre, mesmo a uma distância de 300 quilómetros da Terra. De

extremamente reduzida (1x10-6 _{g) (NASA, 2019).}

4.1 Microgravidade Real (RMG)

Anteriormente explicamos o conceito de microgravidade e, ao compreender melhor essa força, é possível concluir que ela exerce influência sobre o que é exposto a si. Dessa maneira, os pesquisadores dispõem-se a estudar as consequências sofridas por objetos e organismos sobre a ação da força em questão. A microgravidade real pode ser alcançada em ambiente espacial, fornecidos por viagens espaciais, estações espaciais, voos, dentre outros.

4.1.1. Estação Espacial

O conceito de estação espacial é o de uma estrutura artificial localizada fora da atmosfera terrestre, projetada com o objetivo de servir como moradia, sendo capaz de promover a presença de seres humanos contínua por longos períodos, que podem ser de semanas a anos (PRADO E SOUZA, 2014). Existem dois tipos de estações espaciais: o primeiro tipo diz respeito às construídas com um único módulo para serem lançadas em um único lançamento, sendo assim utilizadas e depois abandonadas, como foi o caso da Skylab e a Salyut. A estação espacial Skylab foi a primeira estação americana a ser lançada, no ano de 1973, e permaneceu em órbita da Terra até 1979, quando reentrou na atmosfera terrestre e foi destruída nesse processo de reentrada. Esta estação foi visitada três vezes entre 1973 e 1974. Ela incluía um laboratório para estudar efeitos de microgravidade e para a observação do Sol (PRADO E SOUZA, 2014).

O segundo tipo de estação espacial é aquela construída em etapas e montadas parte por parte, em módulos, o que facilita o lançamento da estação e a sua operação, além de diminuir o custo. Para este exemplo temos a estação espacial Mir, lançada da base de Baikonur pela antiga União das Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS), em 19 de fevereiro de 1986, às 21:28:23 horas do tempo universal (UTC), e permaneceu 5.511 dias em órbita, sendo que desse total, 4.594 dias foram tripulados, com um total de 28 tripulações de longa

duração. Ela permaneceu ativa durante 15 anos, sendo desativada em 2001. O outro exemplo em funcionamento é a estação International Space Station (ISS) (PRADO E SOUZA, 2014) (Figura 5). Atualmente é a única estação espacial ativa, por isso daremos destaque a ela neste estudo.

A ISS, que é a maior estrutura espacial já construída, foi criada através do uso dos ônibus espaciais. Em 12 de abril de 1981, houve o início do Programa Ônibus Espacial, com o primeiro voo, utilizando o ônibus Columbia na Plataforma de lançamento 39 na Kennedy Space Center da NASA, na Flórida. Diante disso, tornou-se uma necessidade a presença de cientistas e engenheiros atuantes em diversos campos relacionados à ciência espacial para compor as equipes de astronautas nas missões. Dentre eles, astrofísicos, engenheiros químicos, engenheiros da computação, engenheiros aeronáuticos, cientistas de materiais, fisiologistas e médicos, todos com o objetivo de executar grandes explorações espaciais (PARAZYNSKI et al., 2006). Como a primeira espaçonave reutilizável da humanidade, o ônibus espacial, oficialmente chamado de Spacial Transport System (STS), empurrou os limites da descoberta cada vez mais longe, exigindo não apenas tecnologias avançadas. O ônibus espacial possui um comprimento total de 18 metros, com compartimento de carga útil (experimentos científicos, equipamentos, tripulantes humanos ou animais, etc.), e um braço robótico que pode transportar vários satélites na órbita baixa (órbita com menos de 2000 km de distância acima da superfície terrestre) em um voo, atendendo-os e até mesmo trazendo-os de volta para uso futuro. Estes ônibus foram projetados para alcançar órbitas que variam de cerca de 115 a 400 milhas de altura, enquanto carregam laboratórios inteiros em órbita para experimentos únicos (NASA, 2019). O Enterprise foi o primeiro ônibus espacial, embora nunca tenha sido lançado no espaço. Ele foi usado para testar fases críticas de pouso e outros aspectos das preparações de lançadeira.

Entre o primeiro lançamento em 1981, com o ônibus Columbia, e o último pouso, que ocorreu em 21 de julho de 2011 com o Atlantis, a frota da NASA realizou 135 missões, incluindo a ajuda na construção da ISS. A frota de ônibus espaciais da NASA começou a estabelecer recordes com seu primeiro lançamento em 12 de abril de 1981 e continuou a estabelecer altas notas de conquistas e resistência ao longo de 30 anos de missões (NASA, 2019). A espaçonave levou as pessoas à órbita repetidamente, lançaram, recuperaram e

SPAS, cuja realização foi feita em conjunto da ESA com a NASA, o qual foi implantado no espaço usando o braço robótico da Shuttle para um voo livre de 9 dias e, em seguida, recuperado para terra.

Além disso, uma riqueza de dados fora coletada na distribuição global de ozônio em nossa atmosfera, bem como a química complexa envolvida na sua destruição induzida pelos fluorocarbonetos. O fato é que este programa foi um grande responsável na condução de pesquisas de ponta, incluindo estudos relacionados a saúde humana, como foi o caso do estudo relatado por DIKT et al. (2001), em que cinco astronautas, uma mulher e quatro homens, todos entre 37 e 46 anos, participaram desses estudos. Quatro deles participaram dos 16 dias na missão STS-90, a qual foi dedicada às neurociências (Neurolab: 17 de abril a 3 de maio de 1998), e um deles participou da missão STS-95 de 10 dias (29 de outubro a 7 de novembro de 1998). Três desses participantes foram submetidos a um registro clínico polissonográfico (PSG) para avaliação de distúrbios do sono. Esses registros clínicos foram repetidos em dois desses três indivíduos.

Antes da missão, os astronautas foram treinados na aplicação de sensores, operação do equipamento e reconhecimento da qualidade do eletroencefalograma (EEG), eletrooculograma (EOG), eletrocardiograma (ECG), e eletromiograma (EMG) e realizaram várias sessões de treinamento sobre o desempenho neurocomportamental. Durante as missões, eles conduziram e participaram de uma variedade de experimentos. Os dados e análises demonstraram as múltiplas mudanças que ocorrem durante o voo espacial. Algumas dessas mudanças foram quantificadas por uma simples avaliação actigrafia (avaliação da insônia) contínua não invasiva de ciclos de repouso-atividade e avaliação de qualidade do sono com questionários simples.

Avaliações neurocomportamentais, fisiológicas, endocrinológicas e polissonográficas revelaram mudanças no desempenho neurocomportamental, dos ritmos endócrinos e da fisiologia da temperatura, bem como alterações na etapa de Movimento Rápido do Olho (REM) do sono. Foi relatado o aumento da excreção de hormônios como o cortisol na urina, assim como um sono REM mais duradouro pós-voo em comparação ao pré-voo. Também foi observado um aumento na temperatura corporal durante a etapa de vigília e uma rápida queda

durante o sono. Esse conjunto de mudanças afeta na regulação do sono, porém as causas dessas mudanças podem ser variadas (DJIK et al., 2001). O estudo apresentou como um dos prováveis motivos o ciclo claro-escuro, que foi quantificado, e observando então que o mesmo se tornou mais curto e menos intenso, o que demonstrou-se um fator contribuinte para o desalinhamento do ritmo circadiano.

Além desse fator, através de análises detalhadas dos ciclos de reatividade, foi observada uma redução do que pode ocorrer devido ao atraso no início dos episódios de sono. Houve também a observação de outras mudanças, como o aumento proeminente do sono REM ao retornar à Terra, permanecendo sem explicação, e da mesma forma, continua a ser elucidado se os decréscimos observados no desempenho neurocomportamental estão relacionados à perda de sono, ao desalinhamento do ritmo circadiano ou a outros fatores associados com o voo espacial.

No entanto, esses dados demonstram que mudanças nessas variáveis ocorrem e implicam que uma adaptação bem-sucedida a um ambiente diferente

do ambiente de costume, no caso a Terra, continua desafiador (DIJK et al., 2001). O ambiente espacial possui condições extremas, como o ultra-vácuo, ou

seja, condição de baixa pressão, aproximadamente 10-7 _{Pa. O calor extremo e} ciclismo para o frio, pois do lado de fora da estação, do lado da terra iluminada pelo sol, a temperatura pode chegar acima de 100 °C, porém, cerca de quarenta e cinco minutos depois, durante um passe noturno através da sombra escura da Terra, as temperaturas podem mergulhar para –100 °C. Essa mudança drástica das temperaturas extremas afeta os tripulantes, mesmo esses permanecendo sob a proteção da blindagem da estação espacial ou espaçonave e utilizando trajes especiais. Ainda somamos a isso a alta energia de radiação, propagando tanto a radiação primária, como fontes de raios cósmicos galácticos (partículas energéticas de fora do nosso sistema solar), partículas presas no campo magnético da Terra (os cinturões de Van Allen) e energia solar. Existem também os eventos de partículas energéticas (erupções solares), os prótons de alta energia e íons pesados que emanam do Sol e de outras partes do cosmos. Como também erradia a energia secundária, ainda maior, em que partículas (prótons, nêutrons e íons) são produzidas quando a radiação incidente atinge o casco da espaçonave ou estação espacial (THIRSK et al., 2009).

podemos afirmar isso a partir de estudos que relatam que longe da proteção da blindagem magnética da Terra, a natureza do exposições à radiação que os astronautas encontram é alta, causando danos biológicos determinísticos, efeitos baseados no limiar de dose relacionado a dano celular significativo ou morte, ou estocástica, de forma que o aumento da exposição é diretamente proporcional ao com risco de ocorrer dano biológico, embora não seja necessária uma dose limite para ocorre o impacto biológico. Para os astronautas, o dano pode estar associado a carcinogênese, relatando que a dose equivalente de radiação recebida pelos astronautas tripulantes da ISS por 6 meses é de aproximadamente 100 mSv, doses de 100 mSv de fontes de radiação terrestre foram associados a um risco elevado de câncer em populações humanas. O programa Lifetime Surveillance of Astronaut Health (LSAH) da NASA documenta os casos de tumores em astronautas, entre outros parâmetros de saúde (CHANCELLOR et al., 2018).

Por esses motivos as estações foram projetadas para serem um laboratório que permite aos cientistas manipularem todas essas condições da melhor maneira possível, inclusive a gravidade, permitindo um maior tempo de habitação dos tripulantes, assim tendo uma continua realização de pesquisas em diversas áreas ligada ao espaço, como o desenvolvimento econômico do espaço, tecnologia inovadora, observações da Terra e respostas a desastres, educação global e a saúde humana, o foco dessa revisão. Assim, com esta tecnologia existente a estação ISS mante desde o ano 2000, uma operação tripulada, onde milhares de pesquisadores em terra em mais de 100 países realizaram mais de 2.500 experimentos em microgravidade, e esse número continua a crescer (SUFFREDINI, 2015).

A ISS fornece assim um ponto de vista único, que pode fornecer melhores condições e resoluções de iluminação variáveis, localizando-se em baixa órbita terrestre a 51 graus de inclinação e em uma órbita de 90 minutos, com uma altitude de aproximadamente 240 milhas (400 quilômetros) e uma trajetória orbital de mais de 90% da População da Terra. Com isso, a ISS fornece um ambiente único que permite fenômenos observáveis dentro da área Física e da área das Ciências da Vida (SUFFREDINI, 2015).

FIGURA 5- Estação espacial International Space Station (ISS) em orbita. Observamos os seus painéis solares, responsáveis por capitar a luz solar e converte-la em elétrica. Atualmente possui 3 laboratórios: o Destiny, o Kibo e o Columbus. Fonte:Nasa.gov .

Os dados fornecidos pelo livro INTERNATIONAL SPACE STATION UTILIZATION GUIDE (2015) relatam que cerca de 83 países e áreas estiveram envolvidos em atividades de pesquisa bem como de ensino de ciências da ISS, possuindo parceria com diversas agencias, sendo estas: Canadian Space Agency (CSA), European Space Agency (ESA), Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Roscosmos, Russian Federal Space Agency e a National Aeronautics and Space Administration (NASA). Isso permite o acesso global de estudantes, professores e o público em geral ao espaço, por meio da aquisição de imagem por parte do estudante, servindo para apoiar a aprendizagem baseada em pesquisas e fazendo com que o aluno se desenvolva como pesquisador, desenvolvendo, portanto, experimentos derivados de hipóteses e obtendo evidências de apoio, analisando dados e identificando soluções ou explicações.

Durante este período de operações da ISS, esses projetos e seus materiais educacionais continuam a ser disponibilizados para mais estudantes em mais países. Por meio da cooperação internacional ampliada, a próxima geração de cientistas, engenheiros e exploradores de nossa comunidade global

espacial.

Importância da estação espacial em pesquisas

As estações espaciais, tais como a ISS, possuem para a área biomédica capacidades para fornecer um laboratório que possibilita desenvolver pesquisas científicas na área de ciências biológicas ou da vida sem a restrição da gravidade.

O ambiente de um voo espacial pode ser complexo, com múltiplas variáveis que incluem zero de gravidade ou microgravidade, aceleração, vibração, radiação, eletromagnetismo e estresses ambientais que são adicionais ao ambiente do veículo espacial e, portanto, não podem ser simulados em sua totalidade, por isso desenvolve-se pesquisas em ambientes espaciais reais, que procuram desvendar o papel da gravidade em processos biológicos e na diversidade da expressão gênica, investigando assim as respostas biológicas a múltiplas condições de estressores (NASA, 2019). O ambiente e as suas variáveis possuem influência sobre o genótipo e fenótipo dos diferentes organismos, sejam estas células, microrganismos, animais ou plantas. Com base nesse conhecimento, a estação espacial permite com que o papel de cada variável – inclusive a microgravidade – seja bem definido sobre a regulação dos diferentes processos biológicos (BOUCHERON-DUBUISSON et al., 2016; HACKNEY et al., 2014; SHI et al, 2012).

No ambiente espacial, por exemplo, os prótons de alta energia e alta carga e os núcleos de alta energia que compreendem os raios cósmicos possuem grande ação sobre os organismos. Um dos locais mais vulneráveis para danos por radiação cósmica é a molécula de DNA, promovendo alterações moleculares no DNA e no RNA, como mutações deletérias, de inserção ou troca de bases, resultando assim na alteração na expressão proteica, além disso, a combinação de microgravidade e radiação cósmica podem impactar negativamente muitos processos biológicos, através das mutações, em que estudos demostram que, no caso de humanos, acabam por resultar em células tumorais (WALSH et al., 2019).

Para esse tipo de análise, alguns estudos utilizaram procedimentos de biologia molecular a bordo da ISS usando um termociclador miniaturizado e o

organismo modelo Caenorhabditis elegans (C. elegans) para verificarem modificações no padrão de expressão. Assim, primeiro foi realizada a extração de RNA, e em seguida, foi realizada a transcrição reversa de RNA para gerar a fita de DNA cópia (cDNA) e por fim, a amplificação semi-quantitativa de cDNA para analisar mudanças na expressão gênica no espaço (MONTAGUE et al., 2018; PARRA et. al., 2017). Esses procedimentos moleculares representam uma expansão da capacidade de biologia molecular na ISS e, dessa forma, permitem análises mais complexas de mutações induzidas pela as variáveis pertencentes ao ambiente espacial durante missões espaciais a bordo da ISS.

Uma outra pesquisa trabalhou com duas linhagens do modelo de C. elegans, o tipo selvagem e uma linhagem contendo uma deleção no gene set-25 (n5021) (MONTAGUE et al., 2018). As amostras contendo esse nematoide foram preparadas na Terra, colocadas com tampão de líse e congeladas. Após preparadas, metade das amostras foram enviada para a ISS, enquanto a outra metade permaneceu na Terra. As análises comparativas das amostras da terra com as amostras enviadas para a estação permitiram então a identificação da lesão na molécula de DNA no set-25 da linhagem contendo a deleção (MONTAGUE et al., 2018).

Seguindo a linha das pesquisas para verificar o efeito de lesões no DNA, foram os estudos realizados por MAO et al. (2018). Estes pesquisadores mostram como resultado alterações no perfil de expressão proteica na retina de ratos (Tabela 1). Diversas alterações induzidas por voos espaciais nos perfis de expressão proteica sugerem mudanças na estrutura e função do olho no ambiente da ISS, pois muitas vias principais são alteradas. Estas vias seriam associadas com os processos de morte celular, a reparação celular, a inflamação, metabolismo de carboidratos, função mitocondrial e o metabolismo de ácidos graxos e fosforilação, um conjunto que resulta no apoptose celular, levando ao dano na retina, e consequentemente no comprometimento da visão (MAO et al. 2018). Se tais alterações ocorrerem também aos olhos dos astronautas, a visão pode vir a ser igualmente comprometida. Mais estudos são necessários para elucidar os possíveis mecanismos pelos quais as alterações nos perfis de expressão proteica são mediadas e suas consequências estruturais e funcionais. Essas pesquisas estão servindo para encontrar soluções para

2018; PAULA et al, 2019).

Apesar destes avanços, muitos pontos ainda permanecem não totalmente conhecidas em ambiente terrestre ou microgravidade, por exemplo: a expressão genética em alguns sistemas, dentre outras coisas. Porém o uso de um ambiente de microgravidade tem fornecido insights exclusivos em tais regulações (SAMBANDAM et al., 2016). Os resultados então obtidos por meio das pesquisas realizadas nesse ambiente de microgravidade fornecido pela a ISS têm implicações para compreender tais áreas, beneficiando bastante a vida no planeta terra com os resultados obtidos. Um dos exemplos dessa pesquisa foi o experimento ‘'GENARA A”, realizado entre 9 e 22 de julho de 2010. Este foi projetado para monitorar mudanças globais utilizando a abordagem de proteômica. Para isto, foram avaliadas proteínas associadas a membranas das células da planta Arabidopsis thaliana submetidas a microgravidade a bordo da ISS. Foi utilizada a metodologia de microssomas, formando pequenas vesículas que foram avaliados por meio do espectrômetro de massas (LC-MS-MS) (MAZARS et al., 2014). Nessa análise, estes pesquisadores se concentraram na

análise de variação na expressão proteica detectada na membrana plasmática de A. thaliana. Foi então observado que, em geral, a análise comparativa do proteôma das frações microssômicas das plântulas de Arabidopsis cultivadas em condições de microgravidade ou em condições de 1 g (na Terra) mostraram que o efeito da microgravidade foi fortemente relacionado a uma alteração do metabolismo do hormônio auxina, possivelmente por meio de processos de transporte através da membrana. Além disso, estes pesquisadores observaram que as várias proteínas detectadas sob condição de microgravidade estavam associadas com a resposta ao estresse. Com isso, a microgravidade provavelmente seja percebida pelas células vegetais como um estresse, e parte das mudanças observada no proteôma da membrana pode corresponder a uma resposta adaptativa da célula vegetal a condição de estresse e microgravidade (MAZARS et al., 2014).

Uma outra área em que a microgravidade tem sido importante é a de pesquisas feitas com macromoléculas como proteínas, com o intuito de desenvolver a Biotecnologia e a área Farmacêutica. Muitos cristais têm sido formados em microgravidade e depois eles são submetidos às condições de raios-X e difração de nêutrons com o intuito de se obter a estrutura proteica. Uma abordagem complexa na realidade, pois muitas vezes o processo de cristalização das proteínas pode vir a ser dificultado pelas forças de sedimentação e convecção que existe na Terra. Assim, muitas vezes não é possível a obtenção de um cristal de boa qualidade e com isso a utilização da ISS tem sido muito útil para esta abordagem (Figura 6) (WILSONA E DELUCASB et al., 2014).

FIGURA 6- Crescimento de Cristal de Proteína uniforme como o uso do Hand-Held High (HDPCG), cujo as condições de cristalização produziram cristais de alta qualidade em comparação com os produzidos na Terra. Fonte: INTERNATIONAL SPACE STATION UTILIZATION GUIDE

A tradicional abordagem de formação dos cristais proteicos envolve a preparação de uma ampla gama de condições químicas, muitas vezes exigindo vários miligramas de proteína purificada. Os parâmetros selecionados geralmente incluem a concentração de proteína, o pH (geralmente uma faixa de pH de 3,0 a 9,0), o tipo de tampão, tipo de agente de precipitação e concentração e a temperatura. Essa abordagem, combinada com protocolos de expressão em vetores de expressão para a obtenção e purificação de proteínas com um alto rendimento, tem permitido melhorar todo este processo, além deste ter sido automatizado com sistemas robóticos de distribuição de soluções que aceleraram o processo de cristalização e consequentemente vem proporcionando a determinação da estrutura de milhares de novas proteínas. Conclui-se então que as baixas taxas de sucesso de cristalização são uma consequência do desafio de encontrar combinações corretas nesse grande número de parâmetros relevantes (Tabela 2) (WILSONA E DELUCASB et al., 2014).

Ao analisarmos mais a fundo tais parâmetros encontramos a influência também da Polidispersividade das proteínas no processo de cristalização ligada à distribuição da massa molecular do polímero, um parâmetro importante juntamente com a solubilidade proteica, que é a porcentagem de proteína que se mantém em solução ou dispersão coloidal sob condições específicas e que não sedimenta com forças centrífugas moderadas. Um outro critério importante é a pureza da proteína. Esta pureza está associada com possíveis contaminações

por DNA ou proteínas, assim como há oxidação das cisteínas, tem-se modificações pós‐traducionais, tem-se um estado de oligomerização, tem-se isoformas.

O fato é que ainda existem milhares de proteínas eucarióticas e procarióticas importantes, assim como proteínas virais, as quais ainda não foi possível de se obter cristais com qualidade para a determinação da estrutura proteica por meio da difração de raio X.

Parâmetros importantes para a cristalização proteica

Polidispersividade de proteínas

Pureza / homogeneidade de proteínas Agente precipitante

Tampão / Ph Temperatura

Solubilidade proteica Concentração

Flexibilidade da própria proteína Estabilidade proteica

TABELA 2- parâmetros necessários para a cristalização de proteínas. Fonte: (WILSONA E DELUCASB et al., 2014).

Com isso, o ambiente controlado de microgravidade fornecido pelas estações espaciais têm permitido obter cristais de melhor qualidade e consequentemente obter a estrutura proteica (MCPHERSON, 2015).

4.1.2. Outros meios de alcançar microgravidade real

As estações são de fato a forma mais moderna de se trabalhar com a Microgravidade Real (MGR), porém não há dúvidas que envolvem muitos critérios que dificultam a realização de pesquisas, como exemplo, o alto custo envolvido e as consequências na saúde decorrente a longas exposições destas condições (vibração, aceleração, raios cósmicos, acesso a estação espacial). Dessa maneira, existem outros métodos usados para proporcionar um ambiente com microgravidade real sem ser uma estação espacial.

O voo parabólico é um dos métodos bastante utilizados. Os aviões são usados para atingir condições de gravidade reduzida enquanto o avião está em queda livre por períodos de cerca de 15-20 segundos. Esse ambiente é criado quando o avião voa em um caminho parabólico (Figura 7). Um voo típico dura de

para aproveitar de cerca de quarenta períodos de microgravidade, por meio dessas parábolas. Para isso, o avião sobe rapidamente a 45 graus (esta fase é chamada pull up), traça uma parábola (pushover) e, em seguida, desce em um ângulo de 45 graus (puxar para fora). Durante o pull up e pull segments, a tripulação e experimentos passam por acelerações de cerca de 2g. Durante a parábola, as acelerações caem tão baixo quanto 1,5 x 10-2 _{g por cerca de 15-20} segundos (BALISCEI et al., 2017).

FIGURA 7- Voo parabólico esquematizado matematicamente. Eixo x representa a gravidade e o eixo y representa a altitude. Com 2-2.5g sendo a gravidade no início do voo e fim de voo e 1x10-2 _{a microgravidade} atingida no ápice da parábola. Fonte: BALISCEI et al., 2017.

Outra forma de se trabalhar em condições de microgravidade é por meio das torres em queda livre que utilizam o princípio do elevador, onde durante a queda ocorre o efeito de “diminuição de peso” de uma maneira que o objeto submetido a esta queda livre terá o seu peso próximo a zero. Então flutuará como se estivesse no espaço, simulando assim a microgravidade (VANDENBRINK E KISS et al., 2017).

Na figura 8, pode ser observada uma torre de queda livre de 2 segundos, a qual funciona da seguinte maneira: o experimento é colocado dentro de um

escudo de arrasto suspenso no topo da área de queda por meio de um fio altamente estressado. O protetor de arrasto tem alta relação de peso para área frontal e baixo coeficiente de arrasto (figura 8). O cilindro de ar de ação dupla, que cria um vácuo para desprezar a resistência do ar, com a faca de aço duro preso ao pistão, apoiado por uma bigorna, corta o fio estressado para liberar o pacote, sem distúrbios transmitidos ao mesmo. O experimento e o escudo de arrasto caem livremente, independentemente um do outro. Os picos de desaceleração no fundo do escudo de arrasto penetram no poço de areia, então o experimento percorre a distância vertical dentro do escudo de arrasto (NASA, 1987).

FIGURA 8 – Esquema da Lewis 2.2-Second Drop Tower (Torre de queda livre) da NASA demostrando os compartimentos pertencentes a ela.

elevador é representada na Figura 9A e 9B. A. B.

FIGURA 9 – Constante gravitacional universal. A: Onde y (t) é o produto da posição vertical do objeto com o Tempo; yo é a posição inicial; vo é a velocidade inicial; “A” é a aceleração, neste caso: gravitacional aceleração (g); “T” é a hora. B: no caso da queda do pacote ter velocidade inicial igual a zero: vo = 0; e se a posição inicial for escolhida como o ponto zero: yo = 0.

Isolando o tempo, a equação é representada pela figura 10:

FIGURA 10 – Constante gravitacional universal.

Considerando: g = 9,8 m / s2 _{e y (t) = 5 m, a equação é obtida:}

FIGURA 11 – Constante gravitacional universal.

Em um ambiente de microgravidade: a = 1% de g = 9,8 x 10−2 m / s2_{, portanto:}

FIGURA 12 – Constante gravitacional universal.

Com essa abordagem que baixa o tempo o suficiente para considerar o peso aparente próximo a zero, tem sido permitidos vários estudos nas áreas de Biotecnologia, Medicina ou Física. Além de permitir experimentos didáticos como, por exemplo, a vela: quando uma vela é acesa, produz uma chama alongada por causa das correntes de convecção de ar. A massa do ar (incluído o oxigênio) e a combustão dos produtos são aquecidos, aumentando assim volumes, tornando-se menos denso e, em seguida, subindo as forças ascendentes (princípio de Arquimedes). O espaço na base da chama é ocupado por uma massa de ar mais fria e densa que alimenta a chama e é aquecido se tornando menos denso e subindo devido para as forças ascendentes e assim por diante. Como a força das correntes de convecção do ar depende da gravidade, se a força da gravidade for grande, a chama se torna maior, no caso contrário, torna-se menor e quando não há gravidade ou, no caso no ambiente de microgravidade, a chama é curta e esférica (PAULA et al., 2000; BALISCEI et al., 2016).

O Centro de Pesquisa da NASA Lewis (Cleveland, Ohio) tem duas instalações de torre de queda livre. Um deles fornece uma queda de 132 metros em um buraco no chão semelhante a um poço de mina, este em queda livre cria um ambiente de gravidade reduzida para um tempo de 5.2 segundos. A outra torre em Lewis permite uma queda livre de 2,2 segundos numa estrutura de 24 metros. No Marshall Space Flight Center – NASA (Huntsville, Alabama) há um tipo diferente de torre para criar a gravidade reduzida. Outros países também possuem torres de queda livre com instalações de tamanhos variados para atender a diferentes pesquisas. Por exemplo, na Alemanha a Universidade de Bremen possui uma torre de queda livre com 145 m, mas o maior tempo de queda livre atualmente disponível é de 10 segundos numa mina vertical com 490 metros de queda livre localizado no Japão (BALISCEI et al., 2016).

A desvantagem desses métodos, tanto o voo parabólico quanto a torre de queda livre, seria o curto tempo de microgravidade o qual é proporcionado.

Como muitas vezes, a utilização dessas estruturas de microgravidade real (RMG) não é possível ou é muito complexa, com isso tem sido desenvolvido equipamentos que possam simular a condição de microgravidade (SMG) como são os equipamentos de clinostato 2D e 3D (MANN et al., 2019).

4.2.1. Clinostato

O Clinostato é um dispositivo desenvolvido para simular a microgravidade na Terra. Existem o Clinostato 2D e o 3D. Quanto ao princípio de funcionamento, no Clinostato 2D, a rotação ocorre em torno de um eixo perpendicular ao vetor de força de gravidade, onde a ausência de peso é obtida através da média vetorial do vetor de força de gravidade e resulta abaixo de 1g quando o clinostato gira rápido o suficiente, numa velocidade entre 40 -100 rpm (Figura 13).

FIGURA 13- Forças vetoriais na gravidade, microgravidade real e microgravidade simulada no Clinostato 2D. Fonte: http://article.sapub.org/10.5923.j.biophysics.20170704.02.html.

Assim, os clinostatos vêm sendo amplamente utilizados para estudar a influência da microgravidade simulada em diferentes tipos de organismos e culturas de células, e então gerar uma comparação entre os métodos de simulação aplicados e a microgravidade real (STRAUCH et al., 2005). EBNERASULY et al. (2017) utilizaram o clinostato 2D para simular a microgravidade, assim o dispositivo ao girar as células em cultura impediu que estas percebessem a força gravitacional 1g. A velocidade de rotação do clinostato foi de 20 rpm e os tempos de rotação foram 1, 3 e 7 dias. Nesse estudo, estes pesquisadores procuraram observar o impacto que a microgravidade simulada promove no potencial de diferenciação das células troncos derivadas

do tecido adiposo (ADSCs) em fibroblastos. Foi observado que a exposições à microgravidade simulada alterou a expressão gênica da Matriz Extracelular (MEC). Uma pequena desvantagem do Clinostato 2D é que apenas células ou plantas pequenas o suficiente podem ser utilizadas, pois são capazes de caber na parte central do eixo de rotação e podendo ser giradas com o clinostato, sem qualquer parte ficar fora do eixo, correndo o risco de sofrerem a ação de outras forças vetoriais (Figura 14) (GRIMM et al., 2011).

FIGURA 14- Clinostato 2-D com sementes centralizadas em seu meio à 35 rpm (rotação por minuto)- Departamento de Biologia Molecular e Genética. LABORATÓRIO DE TRANSFORMAÇÃO DE PLANTAS E ANÁLISE MICROSCÓPIA (LTPAM).

As plantas assim conseguem perceber a gravidade, de forma que esta é responsável pela a orientação de seu crescimento, o chamado graviotropismo, onde a raiz cresce em direção ao solo e o caule cresce para cima (BENEDETTO et. al., 2018). Diferentes hipóteses foram levantadas no intuito de explicar como as plantas conseguem perceber a gravidade. Uma destas hipótese é que as plantas perceberiam a gravidade por meio da pressão das organelas em sedimentação, especialmente os estatólitos (ou amiloplastos). Estas são organelas presentes nas células vegetais na região da columela na raiz. Esta hipótese foi conhecida como sendo do estatólito-amido (ZHANG et al., 2019). Uma segunda hipótese seria a de que existe uma transmissão intercelular do sinal de gravidade por meio do movimento lateral do hormônio auxina (hormônio

experimentos têm mostrado que outros mediadores na percepção da gravidade seriam o citoesqueleto, entre eles os microtúbulos (HOU et al., 2003). O fato é que o clinostato 2-D é capaz de anular a ação da força gravitacional, já que tanto a sedimentação de estatólitos gravitrópicos (sedimentação dos aminoplastos) como a subsequente redistribuição de auxinas é modificada quando as plantas são colocadas no clinostato, por isso ele torna-se uma excelente escolha como simulador de microgravidade para as plantas. Diversos estudos demonstram que os clinostatos 2-D equipados com câmaras de crescimento intercambiáveis e velocidade de rotação sintonizável são adequados para estudar como as plantas percebem e respondem à microgravidade simulada (WANG et al., 2016).

Quanto ao Clinostato 3D (Figura 15 A) ou a chamada máquina de posicionamento aleatório (RPM), existe dois eixos de rotação em um suporte que permite o posicionamento em vários ângulos. Um programa controla os motores acelerando ou mudando a direção de rotação, permanecendo assim em rotação contínua, alterando apenas a taxa de rotação dos dois motores aleatoriamente (HAUSLAGE, 2017). Esse equipamento possui também dois quadrados perpendiculares que giram independentemente e fornecem uma rotação contínua com dois eixos, permitindo assim que as células dentro do clinostato experimentem a SMG. Na etapa subsequente, os dois eixos perpendiculares são girados em uma velocidade constante para fornecer movimento do clinostato em 3D. Usando velocidades angulares aleatórias para dois eixos, um imprevisível e simétrico caminho de vetores gravitacionais é implementado (Figura15 B). Um dos primeiros relatórios de um clinostato 3D foi fornecido pelo cientista italiano Aristide Scano em 1963. Esse pesquisador relatou que o clinostato 3D pode demonstrar uma simulação aprimorada para microgravidade real em relação ao clinostato 2D clássico. Porém, isso não pode ser generalizado uma vez que o 2D clinostato apresenta uma velocidade angular rápida que fornece uma boa simulação de microgravidade, podendo ser utilizado para a maioria dos organismos biológicos estudados (KIM et al.,2017).

A.

B

FIGURA 15- A: Clinostato 3D. Fonte: Strauch et al., 2005. B: Coordenadas do clinostato 3D. Local 1 é o quadro externo e Local 2 o quadro interno. Quadro global refere-se para as coordenadas observadas externamente. Fonte: Kim et al. (2017).

5. A microgravidade relacionada a Saúde

A microgravidade real encontrada na estação espacial ou nos voos dos ônibus espaciais pode afetar a saúde dos astronautas após um longo período de tempo, promovendo alterações morfofisiológicas, e consequentemente impactar em problemas de saúde (BELICCANTA et al., 2016). Como foi apresentado acima, tem sido observado um grande impacto na saúde dos astronautas: alterações oculares, em que além da catarata induzida por radiação espacial, os experimentos também mostraram consequências prejudiciais permanentes à

embaçamento da visão descrito nos anos 60 durante as primeiras viagens espaciais, hoje vem sendo associado à síndrome de Deficiência Visual e Pressão Intracraniana. Esta pode ser explicada por modificações no padrão de deslocamento de fluido resultante de pressões alteradas em vários compartimentos líquidos do corpo, especialmente a pressão intra-ocular (PIO), a pressão intracraniana (PIC) e a pressão sanguínea. Dessa maneira, podemos dizer que a interface neuroretiniana-líquido cefalorraquidiano (incluindo lâmina cribrosa) pode ser afetada pela microgravidade, devido à anatomia local do "cul-de-sac" da cabeça do nervo óptico e ao aumento relativo PIC transmitida ao olho pelo espaço subaracnóideo (PAULA et al., 2019).

Outro dado observado nos astronautas foi a perda da densidade óssea, de maneira que o metabolismo ósseo e do cálcio têm se demostrado uma grande preocupação nas viagens espaciais, sendo registrada por décadas durante os voos e sendo avaliada por meio de análogos baseados em terra, como o experimento de repouso na cama. Os estudos mostram que existem alterações metabólicas e perda óssea devido a microgravidade, com o aumento da excreção de cálcio na urina e nas fezes, tendo um balanço de cálcio negativo durante o voo espacial (SMITH et al., 2012). Exames como a Densitometria óssea demonstram uma verdadeira alteração na estrutura óssea. Estudos como o da década de 1990, realizados a estação espacial russa Mir registraram uma perda de 1,0% a 1,5% da densidade mineral óssea por mês de voo espacial. Já o metabolismo do cálcio foi avaliado por meio de biomarcadores. Desta forma, muitos riscos para a saúde vêm sendo associados a alterações no metabolismo ósseo e do cálcio durante o espaço voo, estendendo-se do risco a curto prazo de formação de cálculos renais a perda óssea a longo prazo durante as missões (SMITH et al., 2012).

Foram verificadas também alterações cardiovasculares como a redução do tamanho do coração em cerca de um quarto (PEREIRA E FALCÃO et al., 2012). Os voos espaciais de longa duração podem resultar em atrofia excêntrica cardíaca e comprometimento da complacência cardíaca, levando assim a uma redução proeminente no volume sistólico vertical e tolerância ortostática em astronautas ao retornar à Terra, notando-se também, após o voo espacial, uma maior redução no volume de plasma em astronautas. A mudança na extremidade

inferior capacitância venosa resultante de uma perda de forças externas do fluido no compartimento extracelular desidratado foi proposto para ser outro

mecanismo potencial associado à ortostase de reentrada (PLATTS et al., 2014). O sistema imunológico também é outro que sofre desregulação durante

um voo espacial. Os estudos vêm demonstrando uma modificação na distribuição leucócitos periféricos, função diminuída de subpopulações de leucócitos e uma modificação nos perfis de citocinas em muitos astronautas. Foram encontradas correlações positivas entre as citocinas plasmáticas com reativação da replicação viral de vírus como a herpes em tripulantes específicos. Com isso, foi postulado um deslocamento de linfócitos T helper 2 (Th2) associado ao voo. Portanto, pode-se correlacionar uma modificação no perfil imune, particularmente a função citotóxica com a reativação viral no ambiente espacial. A revisão de eventos clínicos em voo para os astronautas sugere que apesar do isolamento final dos patógenos terrestres, há aumento da incidência de doenças infecciosas, bem como aumento sintomas alérgicos e reações de hipersensibilidade na pele persistentes em alguns tripulantes durante o voo orbital (CRUCIAN et al., 2018). A partir destes dados foi realizada a missão com os dois astronautas gêmeos, em que um deles ficou por 1 ano na ISS (exposto a estas condições) e o outro na Terra (gravidade 1g) com o intuito de se compararem os efeitos da microgravidade e outras forças (Figura 16). Os dois irmãos foram comparados extensivamente, analisando amostras em laboratório, incluindo avaliações do sistema músculo-esquelético e sistema imunológico, análise genética e avaliação ocular. Com o intuito de incrementar o conhecimento relacionado aos efeitos de microgravidade no corpo humano. Estes dados estão sendo analisados e ainda não foram divulgados. Os resultados serão cruciais para o programa Journey to Mars (em 2030) delineado na Política Espacial Nacional bipartidária dos Estados Unidos e na NASA Authorization Act emitida em 2010 (PAULA et al., 2019).

FIGURA 16 – Irmão gêmeos Scott e Mark Kelly. Scott Kelly a direita, participou da missão de um ano a bordo da ISS e a esquerda o seu irmão, Mark. Fonte: Nasa.gov

Considerando todos estes efeitos consequentes da exposição a microgravidade, a pesquisa da ciência da vida espacial tem obtido bastante investimento, com o intuito de permitir aos humanos explorações espaciais a longo prazo sem tantas consequências.

Além desse interesse em proporcionar um melhor suporte para a vida dos astronautas, os ensaio de microgravidade também se voltaram a procurar responder as tantas incógnitas existentes sobre a vida e o desenvolvimento dos organismos terrestres, em que o uso de um ambiente de microgravidade vem permitindo fornecer insights exclusivos, na engenharia de tecidos, tratamento de cânceres, desenvolvimento de terapias, funcionamento do sistema imunológico, dentre outros, ajudando a compreender os mecanismos fundamentais da vida em resposta a mudanças de gravidade e usá-la como uma ferramenta para avançar aplicações biológicas no campo biomédico.

5.1. Microgravidade e o desenvolvimento de terapias

Em um estudo sobre a morfologia celular relacionada às microgravidade simulada por meio da técnica da elevação magnética de células em comparação com o RPM (Random Positioning Machine), em que uma câmara de cultura foi construída, contendo uma lamela com células cercadas por meio de cultura, com uma entrada que permitia lavagem e fixação do fluído, para realizar assim experimentos com campos de alto gradiente magnético (Figura 17). Observou-se que a linhagem de células epidermóides humanas A431 quando cultivadas em esferas cytodex-3 ou quando cultivadas em um ímã supercondutor durante 2 dias, promoveram alterações na morfologia da célula, principalmente na organização do citoesqueleto, como por exemplo na proteína F-actina. Estas modificações resultaram num arredondamento da célula, e foi observado também alterações na proteína Phospho-FAK397, ligada adesão celular, a qual teve sua adesão celular reduzida (MAARTEN et al., 2010). Tanto a rotação aleatória como a elevação magnética induziram essas alterações morfológicas similares do citoesqueleto nos filamentos de actina das células A431, tornando essas células arredondadas. Com isso, a exposição de células a condições de microgravidade real ou simulada fornece informações tanto sobre a sensibilidade como a capacidade de resposta de células a forças mecânicas (MAARTEN et al., 2010).

FIGURA 17- Câmara de cultura aberta usada para experiências no imã. Nesta foto podemos observar a câmara aonde a cultura de células é colocada. Fonte:MAARTEN et al., 2010.

Além disso, certas pesquisas também permitem uma nova visão sobre a pluripotência de células-tronco e padrões de morfogênese tecidual em condições

áreas como a engenharia de tecidos (Tabela 3), muito importante como terapia em casos de degeneração como de lesões ósseas (SVEJGAARD et al., 2015).

Células cultivadas em microgravidade

Células de câncer de mama MDA-MB231 e MCF-7 Células do câncer de tireoide foliculares RO82-W-1 Células endoteliais EA.hy926

Condrócitos humanos primários

Células pré-osteoblásticas mesenquimais humanas

TABELA 3 – Exemplo de células cultivadas com sucesso em ambiente de microgravidade para engenharia de tecidos.

Assim, diferentes pesquisas vêm observando que as células dos tecidos mudam sua morfologia e organização intracelular em condição de microgravidade, de uma forma bidimensional (2D - de um crescimento em monocamada) a uma forma com crescimento tridimensional (3D - com uma construção semelhante a tecido). Os dados sobre os mecanismos de crescimento 3D em células humanas são importantes para o avanço dos processos de engenharia de tecidos, pois uma das abordagens da mesma é o recrutamento de células do próprio paciente, que são dissociadas dos tecidos originais e cultivadas sobre arcabouços biológicos ou sintéticos, os denominados de scaffolds (arcabouços, suportes, estruturas ou matrizes tridimensionais), os quais servem como superfície de adesão e suporte para o crescimento celular, para então serem reinseridos no paciente. Para isto, é necessário então a capacidade da célula crescer nesse biomaterial 3D, formando então o novo tecido (NASCIMENTO et al., 2016).

Várias células já foram expostas a microgravidade, seja a real ou a simulada. Como é o caso dos osteoblastos fetais humanos (hFOB 1.19) expostos ao RPM. O trabalho demostrou com sucesso a capacidade do modelo RPM simulado de microgravidade para formar construções em 3D (crescimento celular em arcabouços impressos por impressoras 3D) e apoiar a osteogênese humana in vitro. Com esses resultados, estes pesquisadores concluíram que os scaffolds utilizados para as células hFOB 1.19 apresentaram com um potencial biomaterial para as aplicações de engenharia de tecido ósseo humano (SVEJGAARD et al., 2015). Esses dados mostram

como a microgravidade real e simuladas são importantes para a medicina regenerativa translacional, podendo usa-las para proporcionar a construção de tecidos de maneira facilitada (Tabela 4).

Tecidos crescentes de células especializadas em microgravidade Esferóides tumorais multicelulares de câncer de mama

Esferóides tumorais multicelulares de câncer de tireoide Vasos sanguíneos artificiais

Cartilagem regenerada Tecido ósseo

TABELA 4- Exemplos de tecidos capazes de serem gerados devido o cultivo de células em microgravidade.

Dentro da área de oncologia, os experimentos em microgravidade vêm sendo uma interessante ferramenta para explorar novos alvos para a terapia do câncer. Pois que estudos anteriores mostraram que as proteínas do citoesqueleto de diferentes tipos de células são afetadas pela microgravidade, com alteração na expressão. Tais pesquisas têm permitido ampliar o leque terapêutico, se demostrado a capacidade de inibir a proliferação e a migração das células tumorais (DENG et al., 2019). KIM (2017) observou que a proliferação de células tumorais do linfoma de Hodgkin humano (L-540 e HDLM-2) diminuiu significativamente sob condição de microgravidade (taSMG), com g

<10−3 g, enquanto que a proliferação de células normais HDF não foi alterada. Análises de Western blot com β-actina em células ML-1 (células tumorais da

tireóide) revelaram uma diminuição de expressão após 7 dias no aparelho de clinostato. Acontece que a β-actina é uma proteína do citoesqueleto que confere uma estabilidade a célula, assim a diminuição de sua expressão pode causar impacto na polaridade celular, adesão, migração e respondem a sinais extracelulares, efeitos positivos no caso de células tumorais (SVEJGAARD et al., 2015).