Не секрет, что длительное пребывание в космосе сказывается на организме человека. В течение многих лет НАСА и другие космические агентства изучали влияние микрогравитации на людей, животных и растения на борту Международной космической станции (МКС). На данный момент исследования показали, что длительное пребывание в космосе приводит к атрофии мышц, потере плотности костей, изменению зрения, экспрессии генов и психологическим проблемам. Знание этих эффектов и того, как их смягчить, имеет важное значение, учитывая наши будущие цели по исследованию космоса, которые включают длительные миссии на Луну, Марс и далее.
Однако, согласно недавнему эксперименту, проведенному исследователями из Университета Джонса Хопкинса и поддержанному Космическим центром имени Джонсона НАСА, похоже, что сердечные ткани «действительно не очень хорошо себя чувствуют в космосе». Эксперимент состоял из 48 образцов человеческой биоинженерной сердечной ткани, отправленных на МКС на 30 дней. Как они указывают в своей статье, эксперимент демонстрирует, что воздействие микрогравитации ослабляет сердечную ткань и ослабляет ее способность поддерживать ритмичные удары. Эти результаты указывают на необходимость принятия дополнительных мер для обеспечения того, чтобы люди могли поддерживать свое сердечно-сосудистое здоровье в космосе.
Исследование проводилось под руководством Деок-Хо Кима и его коллег из Департамента биомедицинской инженерии Университета Джонса Хопкинса (BME-JHU) и Центра микрофизиологических систем JHU. К ним присоединились исследователи из Департамента аэрокосмических инженерных наук Энн и Х. Дж. Смид Калифорнийского университета в Боулдере, Института стволовых клеток и регенеративной медицины (ISCRM) и Центра сердечно-сосудистой биологии Вашингтонского университета, Стэнфордского института стволовых клеток и регенеративной медицины, BioServe Space Technologies и Космического центра Джонсона NASA. Статья, в которой подробно изложены их выводы, была опубликована вчера (23 сентября) в Труды Национальной академии наук.
Предыдущие исследования показали, что астронавты, возвращающиеся на Землю с МКС, страдают от множества последствий для здоровья, соответствующих определенным возрастным состояниям, включая снижение функции сердечной мышцы и нерегулярные сердечные сокращения (аритмии), большинство из которых со временем исчезнут. Однако ни одно из этих исследований не рассматривало то, что происходит на клеточном и молекулярном уровне. Чтобы узнать больше об этих эффектах и способах их смягчения, Ким и его коллеги отправили на МКС для изучения автоматизированную платформу «сердце на чипе».
Для создания этой полезной нагрузки команда использовала человеческие плюрипотентные стволовые клетки (iPSC), которые могут стать многими типами клеток, для производства кардиомиоцитов (клеток сердечной мышцы). Полученные ткани были помещены в миниатюрный биоинженерный тканевой чип, разработанный для имитации среды взрослого человеческого сердца. Затем чипы собирали данные о том, как ткани будут ритмично сокращаться, имитируя биение сердца. Один набор биочипов был запущен на борту миссии SpaceX CRS-20 на МКС в марте 2020 года, в то время как другой оставался на Земле в качестве контрольной группы.
Находясь на МКС, астронавт Джессика Меир следила за экспериментом, меняя жидкие питательные вещества, окружающие ткани, раз в неделю, сохраняя образцы тканей через определенные интервалы, чтобы можно было провести считывание генов и анализ изображений по возвращении на Землю. Тем временем эксперимент отправлял данные в реальном времени на Землю каждые 30 минут (по 10 секунд за раз) о сокращениях образцов тканей и любых нерегулярных моделях биения (аритмиях).
«Невероятное количество передовых технологий в области инженерии стволовых клеток и тканей, биосенсоров и биоэлектроники, а также микропроизводства было использовано для обеспечения жизнеспособности этих тканей в космосе», — сказал Ким в недавнем пресс-релизе Hub.
Когда камеры с тканями вернулись на Землю, он и его коллеги продолжили поддерживать и собирать данные с образцов, чтобы увидеть, произошли ли какие-либо изменения в их способности сокращаться. Помимо потери силы, мышечные ткани развили аритмии, соответствующие возрастным заболеваниям сердца. В здоровом человеческом сердце время между ударами составляет около секунды, тогда как образцы тканей продержались почти в пять раз дольше — хотя они вернулись к почти нормальному состоянию после возвращения на Землю.
Команда также обнаружила, что пучки белков клеток ткани, которые помогают им сокращаться (саркомеры), были короче и более неупорядоченными, чем у контрольной группы, что является еще одним симптомом заболевания сердца. Более того, митохондрии в образцах тканей стали больше и круглее и потеряли характерные складки, которые помогают им производить и использовать энергию. Наконец, считывание генов в тканях показало повышенную выработку генов, связанную с воспалением и дисбалансом свободных радикалов и антиоксидантов (окислительный стресс).
Это не только согласуется с возрастными болезнями сердца, но и последовательно демонстрируется в послеполетных проверках астронавтов. Команда утверждает, что эти результаты расширяют наши научные знания о потенциальном влиянии микрогравитации на здоровье человека в космосе, а также могут продвинуть изучение старения сердечной мышцы и терапии на Земле. В 2023 году лаборатория Кима продолжила этот эксперимент, отправив вторую партию образцов тканей на МКС для тестирования препаратов, которые могут помочь защитить сердечную мышцу от воздействия микрогравитации и помочь людям поддерживать функцию сердца по мере старения.
Тем временем команда продолжает совершенствовать свою систему «ткань на чипе» и объединилась с Лабораторией космической радиации NASA для изучения воздействия космической радиации на сердечные мышцы. Эти тесты оценят угрозу, которую солнечные и космические лучи представляют для здоровья сердечно-сосудистой системы за пределами низкой околоземной орбиты (НОО), где магнитное поле Земли защищает от большей части космической радиации.
Дополнительная литература: Университет Джона Хопкинса, ПНАС
