宇宙ステーションでの高度な細菌検査が廃水モニタリングを強化

宇宙ステーションを拭くために使用された布が地球に到着した後、微生物を除去するために、ここに見られるオレンジ色の蓋が付いた水瓶ですすがれました。次に、その液体は、InnovaPrep の CP Select システムによるテストのためにこのバイアル (挿入図) に濃縮されました。 （画像：NASA）

コミュニティを通じた新型コロナウイルス感染症の蔓延を追跡することで、公衆衛生当局や個人がパンデミック中に情報に基づいた意思決定を行うための重要なデータが得られました。有用であることが証明された方法の 1 つは、都市廃水を収集、濃縮し、病気の原因となるウイルスの存在を検査することでした。このテストが本格化するにつれて、NASA が宇宙船内の病原体を特定するために開発した技術により、時間を節約し、地球上で信頼できる結果が得られました。

NASA 宇宙飛行士ミーガン マッカーサーは、閉鎖的居住に関連する微生物を研究し、乗組員の健康に脅威を与える可能性のある微生物を予測するために、宇宙ステーション内の表面から微生物サンプルを収集しています。 （画像：NASA）

数年前に締結されたいくつかのSmall Business Innovation Research (SBIR)契約は、ミズーリ州ドレクセルのInnovaPrep LLCが既存の生物濃縮プロセスを改善し、それを空気中、水中、および国際宇宙ステーションの表面にあるウイルス、細菌、その他の病原体の自動検査に適用するのに役立ちました。新しいフィルター素材の使用、プロセスの改善、スペースに合わせた変更に加えて、同社は生産プロセスを半自動化するための新しい製造ステップを開発しました。 SBIR の取り組みに先立って、同社はピペットと呼ばれる使い捨てフィルターを手作りし、週に約 200 個生産していました。現在、需要の増加に合わせて簡単にスケールアップできるシステムにより、生産量は週 12,000 個になりました。

改善された生産はちょうど間に合いました。新型コロナウイルス感染症の監視活動が実施される中、InnovaPrep は公衆衛生部門、商業研究所、研究者からの注文に簡単に応えることができました。 InnovaPrep の CTO、Andy Page は、AirPrep および FluidPrep 製品ラインを進化させた同社の能力は NASA のおかげであると評価しています。

「私たちはNASAの科学者と多くの良い交流を持ち、多くの優れた洞察を提供してくれました。その協力は非常に貴重です」と彼は言いました。 「SBIR プログラムを利用すると、資金がなければ簡単には発見できないようなことを発見できます。」

一部の細菌やウイルスを含む病原体は、無重力環境ではより有害になる可能性があるため、宇宙飛行士にとって宇宙船の安全を保つには警戒が必要です。しかし、サンプルの収集と検査には時間がかかります。南カリフォルニアにある NASA のジェット推進研究所は、JPL の上級研究員である Kasthuri "Venkat" Venkateswaran とともに自動化を活用して効率を高める取り組みを主導し、InnovaPrep と協力してサンプル濃縮技術を宇宙用に改良しました。

検査のために数ガロンの水中の微生物を数オンスまで濃縮するのは、時間のかかる作業となる可能性があります。しかし、NASA の専門知識を活用した CP Select と呼ばれる特殊な InnovaPrep ろ過システムは、まさにそれを地球上ですぐに実行できます。 (画像:InnovaPrep LLC)

より迅速な結果を可能にするオプションの 1 つは、ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) 検査です。 PCR は、多数のコピーを作成することによって、遺伝物質 (DNA または RNA) の小さなセグメントを迅速に増幅します。これにより、遺伝子検査用のサンプルが大量に作成され、存在する細菌やウイルスの種類の特定が容易になります。宇宙では、地球上で頻繁に使用されるプロセスである生きた培養物を増殖させるよりも、ウイルスや細菌の特定の分子断片をターゲットにすることが望ましいと考えられます。

「宇宙で微生物を培養している場合、それは1つの細胞でも数十億の細胞になることを意味します。1つの細胞は人間の健康に害を及ぼすことはありませんが、閉鎖系でその1つの細胞を増殖させることは危険です」とベンカテスワラン氏は述べた。小さな微生物は見つけるのが難しいため、NASA は宇宙ステーションに何が生息しているかを調べるために調査を行いました。

ある研究では、宇宙飛行士は地球に送る前に、滅菌布で表面を拭く必要がありました。研究室に到着したら、布を大量の水ですすぎ、得られた液体を濾過し、微生物をテスト用に少量の液体に濃縮しました。 SBIR テクノロジーは、ウイルスと細菌を濃縮し、結果を得るまでに必要な時間とコストを削減することを目的としていました。

InnovaPrep は SBIR 作業に以前のピペット構造を使用していましたが、NASA の厳しい濾過要件により、同社は新しい材料を探すことを余儀なくされました。テストの結果、ピペット内のフィルターの一部を構成する 72 本の小さなストローのようなもので作られた中空糸素材が最良の選択肢であることがわかりました。フィルターが優れているということは、サンプルごとにより多くのウイルス細胞や細菌細胞が捕捉されることを意味します。

その後、同社はフィルターを所定の位置に保持する接着剤の塗布を自動化しました。これにより、デバイスのパフォーマンスと信頼性が向上し、生産性の向上に向けた最初のステップとして機能しました。

パーサヴィアランス探査機のハードウェアの拭き取りは、火星に向かう地球の微生物の数を制限する NASA の惑星保護戦略の 1 ステップです。地球上で最も清潔な場所の 1 つであるジェット推進研究所のクリーンルームは、InnovaPrep テクノロジーを使用して、飛行前に表面に微生物が残っていないかチェックする手順を開発しました。 （画像：NASA）

NASA の要件により、InnovaPrep はフィルターから捕捉された微生物を除去する発泡液体の品質を向上させることもできました。

PCR 検査などの分析に備えてサンプルを濃縮するには、フィルターを備えたピペットが水サンプル中に浮遊する分子や微生物を捕捉します。次のステップは湿式泡溶出と呼ばれ、フィルターの内面を横切って発泡液体をピペットに押し込み、液体サンプルから微生物や汚染物質を回収します。これにより、それらがバイアルに押し込まれ、テストの準備が整います。

NASA の申請では、溶出液の保存期間を長くするとともに、宇宙で機能するようにプロセスを変更する必要がありました。液体キャニスターは、微小重力下で液体を分配できるように改良されており、使用前に 1 年以上放置されます。いくつかの作業を経て、InnovaPrep は NASA の要件をすべて満たしました。

無重力用に作られた生物濃縮システムはまだ宇宙ステーションでは使用されていませんが、地球上の企業は技術のアップグレードにより時間と費用を節約しています。 InnovaPrep が提供する水と空気のモニタリング装置の利点の 1 つは、使いやすいことです。研究室での培養とは異なり、特別なトレーニングは必要ありません。

病原体の濃縮と検査が必要なのは、パンデミックの追跡だけではありません。レクリエーション施設では、InnovaPrep テクノロジーを使用してプールの水質を監視しています。病院は、室内空間を可能な限り無菌状態に保つためにこれを使用しています。冷却塔と都市水道システムからの水は定期的にレジオネラ菌検査が行われます。 重篤な肺炎を引き起こす可能性がある細菌。

農家は病原体がないか灌漑水を検査し、食品製造業者は食中毒を排除するために農作物や設備の洗浄を監視しています。現在企業で使用されている InnovaPrep FluidPrep 濃縮装置は非常に効率的であるため、JPL は商用装置を使用して一連のクリーンルーム プロトコルを開発しました。

NASA が他の惑星にハードウェアを送るとき、技術者はそれが可能な限りクリーンであることを確認しようとします。その目的は、汚染の機会を制限するために、極小のヒッチハイカーを地球から排除することです。クリーンルームのスタッフは、3 フィート四方の滅菌布を使用して広い表面を拭き、できるだけ多くの生体物質を除去します。

「収集する表面積を増やせば、当然、使用する液体の量も増えることになります。そして、面倒な濾過を行わなければなりません」とベンカテスワラン氏は言う。 「すべての材料は DNA を含まない必要があるため、InnovaPrep に自社の製品よりも無菌の製品を開発するよう依頼しました。彼らは、製品に生体分子が含まれていないことを保証する技術を開発しました。」

クリーンルーム手順の有効性を検証する発表された研究は、InnovaPrep が無菌環境を必要とする新しい顧客を追加するのに役立ちました。しかし、InnovaPrep の最大の顧客ベースは依然として廃水監視です。

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