Одной из опасностей, с которой приходится сталкиваться астронавтам, является потеря мышечной массы. Чем больше времени они проводят в условиях микрогравитации, тем больше они теряют мышечной массы. Астронавты используют упражнения для борьбы с эффектами атрофии мышц, но это не идеальное решение. Исследователи хотят разработать лекарства, которые помогут, и понимание процесса потери мышечной массы в космосе является критически важным первым шагом.
На заре космических путешествий исследователи не были уверены в том, какое влияние микрогравитация оказывает на астронавтов. По мере увеличения продолжительности космических миссий и более распространенного научного мониторинга исследователи стали лучше понимать проблему. После миссий Skylab в 1973 и 1974 годах исследователи получили более точные данные и начали приходить к некоторым выводам. Было ясно, что микрогравитация способствует возникновению множества проблем со здоровьем, и атрофия мышц была среди них.
Многие проблемы, с которыми сталкиваются астронавты, схожи с проблемами, возникающими в результате старения.
«Космос — это действительно уникальная среда, которая ускоряет проявления качеств, связанных со старением, а также ухудшает многие здоровые процессы», — сказал Нган Хуанг, доцент Стэнфордского университета. «Астронавты возвращаются с атрофией мышц или снижением мышечной функции, поскольку мышцы не используются активно в отсутствие гравитации. Поскольку космические путешествия становятся все более распространенными и доступными для гражданских лиц, важно понимать, что происходит с нашими мышцами в условиях микрогравитации».
Хуан является соавтором нового исследования, опубликованного в журнале Stem Cell Reports. Исследование называется «Скелетная мышца на чипе в условиях микрогравитации как платформа для моделирования регенерации и скрининга лекарств».
Возрастная потеря мышечной массы называется саркопенией. Многие факторы, включая неподвижность, гормональные изменения и даже питание, способствуют саркопении. В настоящее время не существует одобренных FDA препаратов для лечения этого состояния, поэтому единственными способами лечения являются упражнения, образ жизни и питание. Упражнения имеют решающее значение для астронавтов в их борьбе с потерей мышечной массы. Однако на МКС ограничено место для тренажеров. Эффективное лекарство для лечения саркопении у астронавтов было бы огромным благом.
В этом новом исследовании ученые вырастили живые мышечные клетки на каркасах на крошечных чипах, а затем отправили их для изучения в условиях микрогравитации на борту МКС. Клетки росли в течение семи дней под бдительным оком астронавтов и подвергались воздействию пары веществ, используемых для противодействия саркопении и улучшения регенерации мышц. Затем они сравнили мышечные клетки в условиях микрогравитации с клетками, выращенными в условиях нормальной гравитации в лаборатории здесь, на Земле.
Результаты показали, что в мышечных клетках в условиях микрогравитации наблюдаются нарушения формирования мышечных волокон, различия в активности генов и различия в их белковых профилях.
Мышечные трубки, или миотубы, являются предшественниками мышечных волокон. Результаты исследования показали уменьшение длины и ширины миотубы, а также уменьшение индекса слияния. Индекс слияния в основном сообщает исследователям, сколько ядер мышечных клеток присутствует.
Митохондрии генерируют большую часть энергии клетки, и результаты показали, что гены, влияющие на их функцию, были скомпрометированы. Поскольку мышцы имеют такую высокую метаболическую функцию, любое нарушение митохондрий будет играть в сниженной регенерации мышц. Результаты также показали, что гены, связанные с образованием жира, были усилены. Исследователи говорят, что комбинированный эффект наносит большой урон регенерации мышц в условиях микрогравитации.
Профили белков — это как моментальные снимки того, что делает клеточный механизм в определенное время. Они раскрывают важную информацию о функционировании и здоровье клетки. В этом исследовании команда изучила 200 различных белков.
Результаты показали, что пять белков вырабатывались в большем количестве. Два из них связаны с хроническим воспалением, а один является «биомаркером митохондриальной дисфункции и клеточного старения». Четыре белка показали сниженное содержание. Один из них «играет важную роль в поддержании мышц и миогенеза», пишут исследователи в своей статье.
В целом изменения, которым подверглись мышечные клетки, имели сходство с изменениями, вызванными старением.
«Мы считаем, что наши исследования мышечных чипов в условиях микрогравитации могут иметь более широкие последствия для саркопении», — говорит Хуан. «Обычно саркопении требуются десятилетия, чтобы развиться на Земле, и мы считаем, что микрогравитация может иметь некоторую способность ускорять процесс заболевания за несколько дней».
Исследование также помогло понять, какую роль могут играть лекарства. «Затем мы использовали платформу «мышца на чипе» для проведения исследований по скринингу лекарств для подтверждения концепции», — пишут исследователи. Они подвергли клетки воздействию лекарств, используемых для противодействия саркопении и улучшения регенерации мышц.
Генетики используют термины down-regulation и up-regulation для описания негативных и позитивных эффектов на экспрессию генов. Они обнаружили, что 286 генов были подавлены в условиях микрогравитации. Из них 200 показали положительный ответ на медикаментозное лечение и схожие уровни экспрессии с клетками в условиях нормальной гравитации.
«В заключение мы показываем, что биоконструкции «мышца на чипе», подвергнутые воздействию микрогравитации, вызвали существенные изменения в их транскриптоме, которые имитируют аспекты нарушенного миогенеза», — пишут авторы.
Космические исследования сложны и ресурсоемки, поэтому исследователи намерены продолжить свою работу, используя оборудование, имитирующее микрогравитацию, чтобы глубже изучить проблему здесь, на Земле. В 2025 году запланирован еще один космический полет «мышц на чипе». Этот эксперимент поможет выявить больше лекарств, которые могут бороться с потерей мышечной массы.
Преимущества этого исследования выходят за рамки просто потери мышечной массы. «Эта концепция платформы сконструированных тканевых чипов в условиях микрогравитации является потенциально преобразующим инструментом, который может позволить нам изучать различные заболевания и проводить скрининг лекарств без животных или людей в качестве подопытных», — говорит Хуан.
Авторы в своей статье делают вывод: «Эта работа еще раз подчеркивает полезность микрогравитации как уникальной среды для открытия новых лекарств».
