Астронавты проводят эксперименты с мышечными чипами. Фото предоставлено: НАСА
Под ногами Нган Хуанг раздался низкий грохот, когда ракета, несущая результаты ее исследований — живые человеческие мышечные клетки, выращенные на каркасах и прикрепленные к крошечным чипам, — взлетела, поднялась и исчезла в небе по направлению к Национальной лаборатории Международной космической станции. Эти чипы помогут Хуану лучше понять мышечные слабости, характерные для космонавтов и пожилых людей, и протестировать лекарства от этого заболевания.
Теперь у нас есть результаты. В исследовании, опубликованном 25 июля в журнале Stem Cell Reports, команда Хуана показала, что в мышцах во время космического полета наблюдаются метаболические изменения, которые указывают на нарушение регенерации мышц и активности генов, связанных с возрастной потерей мышечной массы, называемой саркопенией. Однако медикаментозное лечение смогло частично предотвратить негативное воздействие микрогравитации.
«Космос — это действительно уникальная среда, которая ускоряет процессы, связанные со старением, а также влияет на многие здоровые процессы», — говорит Хуанг, доцент Стэнфордского университета.
«Астронавты возвращаются с мышечной атрофией или снижением мышечной функции, потому что мышцы не используются активно в невесомости. Поскольку космические путешествия становятся все более распространенными и доступными для гражданского населения, важно понять, что происходит с нашими мышцами в условиях микрогравитации».
Чтобы понять влияние микрогравитации на мышцы, исследователи отправили мышечные чипы — биоинженерные пакеты выровненных мышечных клеток на биоматериалах с рисунком, имитирующим структуру настоящих мышц — в космос, где они должны были расти в течение семи дней под присмотром астронавтов.
Когда исследователи сравнили мышечные клетки, выращенные в условиях микрогравитации, с клетками, выращенными на Земле, они обнаружили, что образование мышечных волокон нарушено. Они также обнаружили различия в активности генов и профиле белка. Гены, связанные с функцией митохондрий, из которых мышцы получают энергию, были нарушены, а гены, связанные с образованием жира, увеличились.
Эти результаты показывают, что микрогравитация может привести к нарушениям регенерации мышц.
Генная активность мышц, созданных в результате космических путешествий, также в чем-то похожа на активность мышц с саркопенией, которая чаще всего возникает у людей в возрасте 60 лет и старше.
«Мы считаем, что наше исследование мышечных чипов в условиях микрогравитации может иметь далеко идущие последствия для лечения саркопении», — говорит Хуанг. «На Земле обычно развивается саркопения десятилетиями, и мы считаем, что микрогравитация может ускорить прогрессирование заболевания за считанные дни».
В эксперименте, подтверждающем концепцию проверки мышечного чипа на предмет выявления лекарств, астронавты добавили в чипы лекарства для лечения саркопении или улучшения регенерации мышц. Лечение частично смягчило некоторые негативные последствия микрогравитации на мышцы и предотвратило метаболический сдвиг в сторону образования жира.
При изучении моделей активности генов обработанные лекарством мышцы в условиях микрогравитации демонстрируют большее сходство с образцами с Земли, чем необработанные образцы в условиях микрогравитации.
Поскольку освоение космоса требует больших затрат труда и ресурсов, нынешнее исследование представляет собой разовый эксперимент, и на борт ракеты было разрешено доставить лишь ограниченное количество образцов. Сейчас ученые используют устройства, имитирующие микрогравитацию, чтобы преодолеть некоторые из этих ограничений и поддержать свои исследования в космосе.
Мышечные чипы Хуана планируют совершить еще один полет в космос в 2025 году, чтобы продолжить исследования по разработке лекарств для лечения нарушений регенерации мышц, связанных с микрогравитацией.
«Концепция создания платформы тканевых чипов в условиях микрогравитации — это потенциально революционный инструмент, который может позволить нам изучать различные заболевания и проводить скрининг лекарств без животных и людей», — говорит Хуанг.
