Ткань сердца в одной из камер готова к запуску. Фото предоставлено: Джонатан Цуй
Ученые из Университета Джона Хопкинса, которые доставили на Международную космическую станцию 48 биологически модифицированных образцов тканей сердца человека на 30 дней, сообщают о доказательствах того, что низкая гравитация в космосе ослабляет ткань и нарушает ее нормальное сердцебиение по сравнению с образцами, полученными на Земле из того же источника.
Ученые заявили, что сердечная ткань «на самом деле не очень хорошо себя чувствует в космосе» и что со временем ткань на борту космической станции бьется вдвое слабее, чем ткань из того же источника на Земле.
Утверждается, что полученные результаты расширяют знания ученых о потенциальном влиянии низкой гравитации на выживание и здоровье астронавтов во время длительных космических полетов. Они также могут послужить моделями для исследования старения сердечной мышцы и соответствующих вариантов терапии на Земле.
Отчет об анализе тканей учеными был опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Предыдущие исследования показали, что некоторые астронавты возвращаются на Землю из космоса с возрастными заболеваниями, включая снижение функции сердечной мышцы и аритмии (нерегулярное сердцебиение), и что некоторые, но не все, последствия проходят со временем после их возвращения.
Но ученые искали способы изучения таких эффектов на клеточном и молекулярном уровне, чтобы найти способы обеспечить безопасность астронавтов во время длительных космических полетов, говорит Деок-Хо Ким, доктор философии, профессор биомедицинской инженерии и медицины в Университете Джонса. Медицинский факультет Университета Хопкинса. Ким руководил проектом по доставке тканей сердца на космическую станцию.
Чтобы создать полезную нагрузку на сердце, учёный доктор. Джонатан Цуй: Индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) превращаются в клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты). Цуй, который был аспирантом лаборатории Кима в Вашингтонском университете, сопровождал Кима в качестве постдокторанта, когда он перешел в Университет Джонса Хопкинса в 2019 году. Они продолжили исследования в области космической биологии в Университете Джонса Хопкинса.
Затем Цуй поместил ткани в биоинженерный миниатюрный тканевый чип, который продевает ткани между двумя штифтами для сбора данных о том, как ткани сокращаются (сжимаются). Трехмерный корпус клеток был спроектирован так, чтобы имитировать среду сердца взрослого человека в камере размером вдвое меньше сотового телефона.
Чтобы доставить ткани на борт миссии SpaceX CRS-20, стартовавшей в марте 2020 года, на космическую станцию, Цуй пришлось перевезти камеры с тканями на самолете во Флориду и хранить их там в течение месяца в Космическом центре Кеннеди. Сейчас Цуй работает учёным в компании Tenaya Therapeutics, которая специализируется на профилактике и лечении сердечно-сосудистых заболеваний.
Как только ткани оказались на космической станции, ученые каждые 30 минут получали 10-секундные данные в режиме реального времени о силе сокращения клеток, называемой силой сокращения, и о любых нерегулярных сокращениях. Астронавт Др. Джессика Меир, MS, меняла жидкие питательные вещества, окружающие ткани, один раз в неделю и сохраняла ткани через определенные промежутки времени для последующих считываний генов и анализа изображений.
Исследовательская группа сохранила ряд тканей сердца, которые были разработаны таким же образом на Земле, в камере того же типа, чтобы их можно было сравнить с тканями в космосе.
Когда камеры тканей вернулись на Землю, Цуй продолжил заботиться о тканях и собирать с них данные.
«Чтобы обеспечить жизнеспособность этих тканей в космосе, было использовано невероятное количество передовых технологий в области стволовых клеток и тканевой инженерии, биосенсорства и биоэлектроники, а также микропроизводства», — говорит Ким, чья команда разработала тканевый чип для этого и последующих проектов. .
Девин Мэйр, доктор философии, бывший аспирант лаборатории Кима, а теперь научный сотрудник Университета Джонса Хопкинса, затем проанализировал способность ткани сокращаться.
Помимо упадка сил, в ткани сердечной мышцы в космосе развиваются нерегулярные сердцебиения (аритмии) — нарушения, способные вызвать сердечную недостаточность у человека. Обычно время между одним ударом сердца и следующим составляет около секунды. В тканях на борту космической станции эта величина стала почти в пять раз больше, чем на Земле, хотя время между ударами сердца почти нормализовалось после возвращения тканей на Землю.
Ученые также обнаружили, что в тканях, отправленных в космос, саркомеры — белковые пучки в мышечных клетках, которые помогают им сокращаться, — стали короче и более беспорядочными, что является признаком сердечно-сосудистых заболеваний у человека.
Кроме того, производящие энергию митохондрии в космических клетках стали больше и округлее и потеряли характерные складки, которые помогают клеткам использовать и производить энергию.
Наконец, Мэйр, Ын Хён Ан, доктор философии. – доцент кафедры биомедицинской инженерии – и Чжипенг Донг, аспирант Университета Джонса Хопкинса, генную активность тканей в космосе и на Земле. В тканях космической станции наблюдалось повышенное производство генов, связанное с воспалением и окислительным повреждением, которые также являются признаками болезней сердца.
«Многие из этих маркеров окислительного повреждения и воспаления можно обнаруживать снова и снова при осмотре астронавтов после полета», — говорит Майр.
В 2023 году лаборатория Кима отправила на космическую станцию вторую партию тканей сердца, созданных с помощью 3D-моделирования, для поиска лекарств, которые могли бы защитить клетки от воздействия низкой гравитации. Это исследование продолжается, и, по мнению ученых, эти препараты могут помочь людям сохранить функцию сердца с возрастом.
Ученые продолжают совершенствовать свою систему «ткань на чипе» и изучать влияние радиации на ткани сердца в Лаборатории космической радиации НАСА. Космическая станция находится на низкой околоземной орбите, где магнитное поле планеты защищает обитателей от большинства последствий космического излучения.
Информация от: Медицинским факультетом Университета Джонса Хопкинса.
