تطوير البكرياسات الفنية للاستخدام في بعثات الفضاء: التحديات والفرص

إن السعي إلى استكشاف الفضاء على مدى فترة طويلة - من أماكن الإقامة الممتدة على متن محطة الفضاء الدولية إلى بعثات أرتيميس لونار القادمة، ومن ثم فإن الرحلات التي تطغى على المريخ - تُعد جيلا جديدا من التكنولوجيات الطبية، ومن بين أكثر الابتكارات واعدة، أن تكون البنكرياس الاصطناعية، نظاما مغلقا مصمما لتنظيم مستويات غلوبوغرافي الدم، وقد تطورت هذه التكنولوجيا التطرفة أصلا لإدارة الظواهر الإشعاعية المحتملة على الأرض.

Imperative for Autonomous Glucose Management Beyond Low Earth Orbit

ومن الناحية التاريخية، تستبعد وكالات الفضاء، مثل ناسا، أفراد الأطقم الذين يعانون من مرض السكري الذي يعتمد على الأنسولين من بعثات طويلة الأجل بسبب مخاطر الناقصات وتعقيد إدارة الأنسولين في الجاذبية الصغرية، غير أن ارتفاع الضوء الفضائي التجاري وارتفاع حجمه، قد يتحول إلى تغيرات كبيرة في مسايرة الغدد الصماء.

بل إن الحاجة تزداد حدة بالنسبة لبعثة المريخ، فالفترات العابرة التي تتراوح بين ٦ و٩ أشهر في كل اتجاه، إلى جانب بقاء سطحي يتجاوز سنة واحدة، تعني أن أفراد الطاقم لا يستطيعون الاعتماد على الدعم الطبي البري بسبب تأخر الاتصالات لمدة تصل إلى ٢٠ دقيقة في اتجاه واحد، وأن رصد الغلوكوز وتعديلات الأنسولين من شأنه أن يضع عبئا غير مقبول على الفلكيين الذين يديرون بالفعل مهاما حرجة متعددة.

العناصر الأساسية لنظام مغلق

وجهازاً اصطناعياً، وتعرفه أيضاً على نظام توصيل الأنسولين المغلقة، وتجمع بين ثلاثة عناصر أساسية: جهاز رصد مستمر للغلوكوز، ومضخة إنسولين، وجهاز تحكم، وأجهزة قياسية، وأجهزة قياس الغاز المتطورة، وأجهزة قياس التضليل المتطورة، وتنقل البيانات اللاسلكية إلى جهاز التحكم في السائل الذكي أو جهاز مكرس للقراءة.

وعلى الأرض، أظهرت النظم التجارية مثل نظام ميترونيك ميندغ 670 جي وتانديم ت:سليم X2 مع نظام المراقبة -IQ نتائج جليدية أعلى مقارنة بتعاطي المضخات التقليدي أو بالحقن اليومي المتعدد، غير أن تكييف أجهزة الاستهلاك هذه من أجل الفضاء يتطلب إعادة التفكير في كل عنصر من عناصره لتحمل يقظة الإطلاق والإشعاع والجاذبية الصغرى والارتعاش المحدود.

الظواهر الفيزيائية في الجاذبية الصغرية

Altered Pharmacokinetics of Subcutaneous Insulin

وفي الجاذبية الصغرية، تحول السوائل الجسمية من التكتل الرأسي إلى تجميع العينات في الساقين وزيادة حجم الدم المركزي، وهذا التكرير يغير استيعاب وتطهير موقع العزلة المدارة دون الجلد، وقد تبين من تجارب التحليق غير الشائكة ودراسات ISS أن الارتفاع الاصطناعي للأنسجة الخفيفة يمكن أن يتغير باستمرار مع تغير معدل الارتفاع.

رصد غلوكو المستمر تحت الجاذبية الصغرى

وتقيس هذه المبيدات في السائل المقطعي للأنسجة دون المدارية، وفي الجاذبية الصغرية، قد تتغير ديناميات السوائل بين النسيج بسبب غياب الوصلات التي تحركها الجاذبية، مما قد يغير الفارق الزمني بين تغيرات غلوك الدم وقراءات التلويث بين النسيج بين النسيجات - وهو عامل حاسم في الأداء، بالإضافة إلى ذلك، قد تتأثر الإضافة الحساوية بتخفيض من آثار الفاسد، مما يؤدي إلى قراء.

Fluid Shifts and Glucose Distribution

بالإضافة إلى الامتصاص بالإسفلين، التوزيع العام للغلوكوز وإزالته من تغير الدم في الجاذبية الصغرية، والتوسع المركزي في السائل يغير تدفق الدم الكبدي ووظيفته الكلوية، مما قد يؤثر على إنتاج البلوكوز وطرده، فالاستجابة الهرمونية المضادة للنسيان قد تُمزج أيضاً بسبب تغيير وظيفة الجهاز العصبي الآلي

التحديات الهندسية في مجال الموثوقية في أعماق البحار

آثار الإشعاع على الإلكترونيات والبيولوجية

إن البيئة الإشعاعية الفضائية التي تُفرض على الأشعة الكونية المجرية، والظواهر الجسيمية الشمسية، والأحزمة الإشعاعية المحاصرة، تنطوي على تهديد مزدوج، أما بالنسبة للأجهزة الالكترونية، فإن الجسيمات العالية الطاقة يمكن أن تسبب اضطرابا في أحد المناسبات، وارتفاعاماط الذاكرة، والتدهور التدريجي للمكونات، ويجب تصميم أجهزة الأشعة المحتوية على الاشعاع المحتوي على الاشعاع أو استخدام أجهزة درعية والتكرار.

وبالنسبة للأنسجة البيولوجية، يزيد الإشعاع من الإجهاد الأكسدة ويمكن أن يلحق الضرر بخلايا البكتريات التي يمكن أن تسوء السكري بمرور الوقت، ولذلك يجب أن يكون الفطائر الاصطناعي المستخدم في الفضاء قوياً من الفشل في المعدات وقادرة على التعويض عن الخسارة التدريجية في إنتاج الأنسولين الداخلي، ويتوخى بعض الباحثين علاجات الشعاعية قبل البعثة أو احتياطيات الغازية الخفيفة من الغلوكامغون لمواجهة سوء التحكم في الغلوكان.

الكفاءة في استخدام الموارد والتقليل من الإدمان

وكل كيلوغرام من الحمولة في بعثة فضائية عميقة ثمينة، ويجب أن يكون نظام البنكرياس الصناعي مدمجاً ووزن خفيف وفعالاً من حيث الطاقة، أما المضخات الحالية من مركبات الكربون الكلورية فلورية ومضخات الأنسولين فهي صغيرة نسبياً، ولكنها تدمج في جهاز واحد يمكن إعادة شحنه عن طريق صفائف الطاقة الشمسية أو خلايا الوقود، إلا أنها تشكل تحدياً هندياً محدوداً.

النزاهة الميكانيكية في الجاذبية الصغرية

كما أن العناصر الميكانيكية مثل المضخات والصمامات تتصرف بطريقة مختلفة في الجاذبية الصغرية، ويمكن أن يؤدي تكوين الببائيات في خزانات الأنسولين إلى تعطيل التدفق لأن جيوب الغاز لا تنهض وفصل عن السائل كما هي في الأرض، وقد يتغير الارتطام في الأجزاء المتحركة بسبب عدم وجود قوى غسيلية على مواد التشحيم، وقد يؤثر التسخين في الأسطح على الدقة.

الاستقلال الذاتي والتسامح في الخزنة

ويمكن أن يكون لدى الملاحين الفضائيين وقت محدود لتشويه الاضطرابات الطبية ومحدودية الوصول إلى قطع الغيار، ويجب أن يكون المكثفات المصطنعة موثوقة للغاية، وأن تكون وسائل الاسترجاع غير آمنة، التي تحول دون حدوث نقص في النسيج أو تضخم شديد، وأن تكون التطهير من أجهزة الاستشعار والمضخات أمرا أساسيا، وينبغي أن يكون النظام مستقلا: يجب أن يعمل بأقل قدر من التدخل البشري، وأن يُعير تلقائيا، ويُحدث تأخيرا في المقاييس.

عمليات انجاز عن طريق الابتكار في الفضاء - الدرب

تكنولوجيا الاستشعار المتقدمة

وتدفع متطلبات الفضاء إلى تطوير تدابير الأشعة السينية الأصغر والأدق وأكثر استدامة، ويستكشف الباحثون أجهزة الاستشعار غير الغازية باستخدام أساليب بصرية أو الكهرومغناطيسية يمكن أن تزيل الحاجة إلى أجهزة الاستشعار القابلة للاختراق، كما أن أجهزة الاستشعار القائمة على التذبذب، مثلاً، أقل عرضة للضرر الإشعاعي ويمكن أن تُزرع في إطار من دون أدنى مدى ممكن للاستخدام الطويل الأجل.

الجبر والتعلم

فالخوارزميات التي تحكم السرقات الاصطناعية يجب أن تتكيف مع تغير الفيزيولوجيا مع مرور الوقت، وفي الفضاء، حيث يمكن أن تنجرف حساسية الأنسولين ببطء بسبب العضلات أو النوبات السائلة أو التعرض للإشعاع، يمكن أن تتراجع نماذج التعلم الآلات باستمرار عن البيانات الواردة، ويمكن لنهج التعلم من أجل الإنفاذ أن تُحدِّد الجرعات في الأنسولين دون اشتراط نماذج واضحة للتغيرات الفية.

الهياكل الأساسية ذات الصلة

إن الطلب على الاستقلال الذاتي العالي في الفضاء يدفع إلى تطوير إدارة التسلسل الهرمي، إذ يمكن أن تقوم طبقة رصد الصحة باستمرار بتقييم صحة أجهزة الاستشعار، وأداء الضخ، واستقرار الخوارزمية، وإذا تدهورت العناصر، فإن النظام يعيد تشكيله تلقائياً، أو يتحول إلى مضخة احتياطية أو يقلل من تسليم الأنسولين بعامل أمان، بينما ينتظر التدخل البشري.

استحقاقات نهاية الأرض

وقد وجدت تكنولوجيات كثيرة استحدثت في البداية في الفضاء أن استخدامات أرضية - أجهزة إلكترونية مقلدة، وأجهزة التطبيب عن بعد، والرصد عن بعد هي أمثلة رئيسية، ومن المؤكد أن نظم البنكرياس الصناعية التي صُنفت في الفضاء ستؤدي إلى أجهزة أكثر قوة وارتباطا، وأجهزة مستقلة للمصابين بمرض السكر في كل مكان، ومن المرجح أن يكون نظاماً يمكن أن ينجو من الاهتزاز والإشعاع في الفضاء العميق أكثر استدامة من الأجهزة الاستهلاكية الحالية.

المبادرات الحالية والطرق التعاونية

عدد من مبادرات البحث جارية بالفعل برنامج البحوث البشرية التابع لوكالة ناسا قام بتمويل دراسات عن محطة الفضاء الدولية لدراسة تغيرات الاسطوانات وفحص نماذج أولية من الإيسولينات المغلقة في برنامج الجاذبية الصغرية

كما أن الشركات الخاصة، بما فيها تلك التي تُنشئ محطات فضائية تجارية ومركبات فضائية، تستثمر في الإدارة الصحية الآلية، وقد تحملت شركة " سبيس إكس " (Sapos) " (Sapos) " (Sapos) معدات رصد طبية إلى محطة الفضاء الدولية، وقد تشمل الموائل التجارية المقبلة معاهد طبية مخصصة قادرة على دعم عمليات استكشاف البنكرياس الصناعية.

خريطة طريق للمريخ: إدماج البانكريين الأثري في النظم الصحية للكروات

وإذا ما نظرنا إلى بعثات مجهزة بالمريخ، فإن البنكرياس الصناعي يصبح أمراً لا غنى عنه تقريباً، وقد يؤدي الجمع بين الجاذبية المطولة والإشعاع العالي والتكرار المحدود إلى جعل إدارة الغلوكوز اليدوية غير عملية، كما أن وجود خلل في الأعماق الصناعية ذات القدرة على تحمل الأعطال، واستبدالها بكفاءة استخدام الموارد، إلى حد كبير، قد يشكل حجر الزاوية لنظام دعم طبي أوسع، وقد يرتدى بعض المفاهيم التي يمكن أن تُطمِمَمَد عناصر أخرى

كما أن عوامل الإنسان تؤدي دوراً، فالإجهاد النفسي والحمولة المعرفية يجب التقليل منها إلى أدنى حد، جهاز يعمل بهدوء في الخلفية، ويصدر إنذارات مهمة فقط، سيساعد على الحفاظ على معنويات الطاقم وأدائه، حيث أن الفرق المتباينة من علماء الفلك، بما في ذلك الشركاء التجاريين والدوليين، يجب أن يكون تصميم البنكرياس الصناعي مصمماً لمختلف أنواع الجسم، والأعمار، والصور الأيضوية.

خاتمة

إن تطوير فطائر مصطنعة لاستخدامها في البعثات الفضائية ليس مجرد تحد هندسي مؤثر، بل هو عامل حفاز في مجال التكنولوجيا الطبية التي ستفيد البشرية ككل، إذ إن التغلب على العقبات التي تعترض الجاذبية الصغرى والإشعاعات والحد من الموارد سينتج أجهزة أكثر قوة واستقلالية وتكيفا من أي شيء متاح اليوم، فالتعاون بين الوكالات الفضائية والباحثين الأكاديميين وشركات الأجهزة الطبية أمر أساسي لتحويل هذه الرؤية إلى حقيقة واقعة.