国際宇宙ステーションから強力な手術補助装置がやってくる？

航空宇宙技術と医療は切り離せない関係にあります。では、航空宇宙技術の医療上の成果とは何でしょうか?今後期待できる新しい航空宇宙＋医療技術は何でしょうか？

宇宙飛行士が血管培養実験を監視

1970 年、ザンビアのシスター・ユケンダは NASA に手紙を書き、こう尋ねました。「地球上には、まだ十分な食料を得られていない子供たちがたくさんいます。」 NASA はなぜ火星プロジェクトに何十億ドルも費やす気になったのでしょうか?その後、NASAの研究者たちは彼女にこう答えた。「宇宙探査は人類に自分自身を見つめる鏡を提供するだけでなく、新しい技術、新しい挑戦、進取の精神、そして厳しい現実の問題に直面した際の楽観的で自信に満ちた態度ももたらします。」

ケニアの修道女たちがNASAに手紙を送る

今日、私たちが日常生活で使用しているおむつ、濃縮ジュース、サングラス、CTスキャン、浄水器はすべて、航空宇宙技術のニーズと発展から生まれました。医療技術の発展に伴い、臨床医学、医療機器、科学工学分野の相互統合が医療イノベーションの主な方向性の 1 つになりました。航空宇宙医学は特殊な医学として、有人宇宙飛行の発展を支える重要な役割を果たしています。航空宇宙医学の発展は医療技術全体の発展も大きく促進しました。宇宙医学で宇宙飛行士の健康を守るために使用されている方法、薬剤、機器の多くは、一般の人々の関連する健康問題の解決にも使用されています。

医学と生物学の研究は現在の宇宙実験の焦点であり、国際宇宙ステーションがパートナーを探す際の第一選択肢でもある。国際宇宙ステーションの実験モジュールにおける米国とロシアの科学研究プロジェクトのうち、医学と生物学の研究がそれぞれ43％と32％を占めている。バイオエンジニアリングは、微生物、細菌、植物細胞、動物の胚におけるタンパク質結晶など、医学、生物学、薬理学における潜在的な応用価値を持つ生体材料の研究と準備などの、もう一つの重要な分野です。

私たちの日常生活における医療機器や器具のうち、航空宇宙技術から生まれたものは何でしょうか?

地上でのさまざまな応用シナリオにより、多くの宇宙技術がさまざまな医薬品や医療機器に転換され、人間の病気の診断と治療に多くの利便性をもたらしています。無重力環境では宇宙飛行士は骨粗しょう症のリスクに直面するため、毎日運動し、毎週少量のビスフォスフォネートを服用する必要がある。その後、同様の薬が骨粗しょう症のリスクがある中高年にも効果があることがわかった。

半透明多結晶アルミナは、もともと航空宇宙分野で使用されていた高強度、高透明のセラミック材料です。その後、研究者たちはこの材料が透明な矯正器具の分野で使用できることを発見しました。現在では、矯正歯科製品に最もよく使われる材料となっています。

矯正歯科材料

国際宇宙ステーションのロボットアームは、重い物体の運搬、宇宙船のドッキング、国際宇宙ステーションでの日常的なメンテナンス作業において強力な助けとなります。困難でリスクの高い任務を遂行する際に宇宙飛行士を支援したり、宇宙飛行士の代わりに任務を遂行したりすることができます。この技術により、経験豊富な外科医と同じ精度と専門知識で脳腫瘍の除去などの精密手術に使用できる医療用ロボットアームの開発が実現しました。

カナダのロボットアーム

宇宙の無重力環境は、人間の目の動き方や動きを知覚する方法を変えます。宇宙飛行士が長期間宇宙に滞在する場合、地上にいるときのように、見たい方向を見るために目を柔軟に制御することができないことがよくあります。ハイテクなアイトラッカーはこの問題をうまく解決します。アイトラッカーは現在、レーザー眼科矯正手術にも使用されており、レーザービームの正確な位置決めを保証し、患者の眼をリアルタイムで正確に追跡し、外科医の介入を必要とせずにレーザーメスを正確に誘導します。

私たちは呼吸するときに一酸化窒素の粒子を放出しますが、人の気道が炎症を起こすと、吐き出す息の中の一酸化窒素の量が増加します。宇宙飛行士の潜在的な炎症を検出するために、ESA は一酸化窒素レベルを正確に測定できる機器を開発した。この技術は喘息患者の診断と治療に使用されています。

宇宙飛行士がアルコール検知器をテスト

宇宙の無重力環境では、宇宙飛行士が腎臓結石を発症するリスクが高まります。宇宙で腎臓結石が形成されると、感染症や合併症を引き起こし、宇宙飛行士の健康を脅かし、宇宙ミッションの完了に影響を及ぼす可能性があります。 NASAは、結石を検出し、移動させ、砕いて体外に排出しやすくする携帯型超音波装置を開発した。この技術は地球上の多くの腎臓結石患者に朗報をもたらします。

宇宙における水資源は極めて貴重であるため、研究者らは効率的かつ安全な水の浄化とリサイクルの技術を開発してきました。この技術は透析液から有毒廃棄物を除去するのにも使用でき、多くの重病患者の治療に役立つ透析装置が開発されました。

過去10年間、科学者チームは宇宙飛行士を追跡し、宇宙で物体を掴む方法を研究してきた。宇宙飛行士が小さな物体を掴む練習データを通じて、無重力環境での生活が彼らの掴み能力にどのような影響を与えるかを分析します。宇宙飛行士は、特殊なセンサーを持ち、目を開けたり閉じたりしながら器用さのテストを行い、上下のない環境に体がどの程度適応するかを評価します。これらの実験結果は、研究者が障害を持つ人々のためにより器用な義肢を設計するのに役立ちます。

今後期待できる航空宇宙技術研究には他にどのようなものがありますか?

幹細胞生物学は、21 世紀で最も注目を集める研究分野の 1 つであり、組織工学および再生医療研究の上流分野です。幹細胞の重要な機能は、細胞の再生能力を維持し、制御することです。自己複製・複製能力と多分化能を持ち、様々な組織細胞型に分化することができます。科学者たちは航空宇宙技術を利用して、宇宙の無重力環境における幹細胞の増殖と分化を分析し、宇宙の微小重力の独特の条件を利用して幹細胞の大規模な増殖と組織工学の構築を行う方法を研究してきました。

海外の科学者らはまた、3Dバイオプリンティング技術を用いて、人間の幹細胞に基づいた人工ミニチュア心臓を宇宙で開発する準備も進めている。これらの心臓組織構造はその後、国際宇宙ステーションに送られ、微小重力が人間の心臓の機能にどのような影響を与えるかをより深く理解することになります。研究者たちは、この研究が心臓萎縮（心臓組織が失われて弱くなり、体に血液を送り出すのが困難になる症状）の理解を深めるのに役立つことを期待している。無重力環境はそのような問題を引き起こす可能性があり、失神、不整脈、心臓弁膜症、さらには心筋の衰弱による心不全をも容易にシミュレートできます。心臓萎縮および関連疾患は、現在の医学界における重要なトピックの 1 つです。糖尿病、筋ジストロフィー、癌、敗血症、うっ血性心不全などの病気を患っている人は、心臓機能障害や組織損傷を経験することがよくあります。

3Dバイオプリンターで小型人工心臓を印刷できる

我が国の科学者も同様に有能です。 2017年4月、我が国の天舟1号貨物宇宙船は天宮2号宇宙実験室とのドッキングに成功し、輸送ミッションを完了しただけでなく、数々の科学実験も運びました。実験の一つは「微小重力環境における胚性幹細胞培養実験」であり、通常の光合成蛍光顕微鏡技術を用いて宇宙での幹細胞の増殖・分化過程を観察し、細胞蛍光信号強度の変化や細胞形態変化を通じて、宇宙の無重力環境におけるマウス胚性幹細胞の多能性遺伝子の自己複製と細胞分化を判断するものである。

また、地球上の重力の影響により、細胞は一般的に培養皿の底に沈んでしまい、人体の細胞のように自己組織化して血管などの構造を形成することが困難です。科学者たちは実験を通じて、無重力環境では血管内の細胞が人体の細胞と同様に組織化され、単純な三次元構造を形成することを発見しました。科学者らは、この管状の集合体は原始的な血管に似ており、地球上の細胞培養ではこれまで実現されたことのないものだと述べている。人工血管を人間の細胞から生成することができれば、さまざまな病気の治療に大きな可能性が生まれるだろう。これらは、損傷した血管を置き換える移植手術を必要とする患者を助けるだけでなく、さまざまな血管関連疾患や無重力が人体に与える影響についての理解を深めることもできます。

国際宇宙ステーションで血管を成長させるESAの装置

これまで、宇宙実験ミッションのほとんどは国際宇宙ステーションが担ってきたが、将来的には中国独自の宇宙ステーションも打ち上げられる予定だ。密閉キャビン、船外曝露実験プラットフォーム、共軌道飛行実験キャビンに16台の科学実験キャビネットを配置する予定で、軌道上での天文学、生命科学、バイオテクノロジー、航空宇宙医学、宇宙物理学などの分野における科学研究および応用プロジェクトの実施をサポートできます。 2019年6月12日、中国の宇宙ステーションにおける宇宙科学実験に関する第一陣の国際協力プロジェクトの結果が正式に発表された。 17か国、23団体から合計9件のプロジェクトが選定されました。採択されたプロジェクトの内容は、上記の最先端の科学分野を網羅しています。

2023年8月現在、中国の宇宙ステーションの航空宇宙医学実験ミッションは、長期無重力が宇宙飛行士の健康と防護技術に与える影響の研究、宇宙放射線が宇宙飛行士の健康と防護技術に与える影響の研究、宇宙飛行士の行動と能力の研究、高度な軌道上監視および治療技術の研究、伝統医学の航空宇宙応用技術の研究という5つの研究方向に重点を置く予定である。合計49件の革新的な航空宇宙医学実験研究が実施されます。

例えば、宇宙飛行士の長期かつ健康な滞在のための技術的予備とサポートを提供するために、一連の軌道上検出および介入技術が確立されています。これらの技術は効率的で、非侵襲的、操作が簡単で、ウェアラブルであり、公衆衛生にも使用できます。例えば、骨粗鬆症や筋萎縮症などの患者には、骨粗鬆症対策やウェアラブル経穴刺激装置が使用可能です。バイオリズムガイダンス技術は睡眠の質を改善し強化するために使用できます。超音波を用いた非侵襲性頭蓋内圧測定技術は、高頭蓋内圧症や視神経浮腫など頭蓋内圧に関連する分野の研究に重要な参考資料を提供します。精神的疲労の検出、介入、インテリジェント照明、および迅速な覚醒度向上技術は、長期ナビゲーションや地下の閉鎖空間などの特殊な環境で作業する人々の能力の検出、維持、および向上に対する技術的サポートを提供できます。

ステーションはアプリケーション用に構築されています。宇宙ステーションの運用・開発プロジェクトは、宇宙での長期生存に直面する医学や人的要因などの科学的課題、ならびに人間の健康と能力を取り巻く最先端のホットスポットに重点を置いています。国立脳科学などの国家の主要な科学研究プログラムと組み合わせて、基礎研究、将来予測研究、探索研究を体系的に実施し、公衆衛生に役立ちながら有人宇宙飛行の持続可能な開発のための理論的支援と技術的蓄積を提供します。 （上記3段落は中国有人宇宙工学事務所より転載）