Naukowcy z Johns Hopkins Medicine zaobserwowali, że tkanki serca uzyskane z ludzkich komórek macierzystych i wysłane do Międzynarodowa Stacja Kosmiczna wykazywały znaczne osłabienie i nieregularne rytmy w porównaniu do swoich ziemskich odpowiedników.
Odkrycia te sugerują potencjalne ryzyko dla zdrowia astronautów podczas długotrwałych misji kosmicznych i mogą wpłynąć na przyszłe strategie leczenia i zapobiegania chorobom serca na Ziemi.
Badania tkanki serca w kosmosie
Naukowcy z Johns Hopkins Medicine, którzy zaaranżowali 30-dniowy pobyt 48 próbek tkanki serca ludzkiego na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), przedstawiają dowody na to, że warunki niskiej grawitacji w przestrzeni kosmicznej osłabiają tkanki i zakłócają ich normalne rytmiczne bicie w porównaniu z próbkami na Ziemi z tego samego źródła.
Naukowcy stwierdzili, że tkanki serca „naprawdę nie radzą sobie dobrze w kosmosie” i z biegiem czasu tkanki na pokładzie stacji kosmicznej biją o połowę słabiej niż tkanki pochodzące z tego samego źródła przechowywane na Ziemi.
Odkrycia, jak twierdzą, poszerzają wiedzę naukowców na temat potencjalnego wpływu niskiej grawitacji na przeżycie i zdrowie astronautów podczas długich misji kosmicznych i mogą służyć jako modele do badania starzenia się mięśnia sercowego i terapii na Ziemi.
Raport z analizy tkanek przez naukowców zostanie opublikowany w tygodniu rozpoczynającym się 23 września w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
Poprzednie ustalenia i nowe kierunki badań
Poprzednie badania wykazały, że niektórzy astronauci wracają na Ziemię z kosmosu z problemami związanymi z wiekiem, w tym zmniejszoną pracą mięśnia sercowego i zaburzeniami rytmu (nieregularnym biciem serca), a niektóre, choć nie wszystkie, objawy zanikają z czasem po ich powrocie.
Jednak naukowcy poszukiwali sposobów badania takich efektów na poziomie komórkowym i molekularnym, próbując znaleźć sposoby na zapewnienie astronautom bezpieczeństwa podczas długich lotów kosmicznych, mówi dr Deok-Ho Kim, profesor inżynierii biomedycznej i medycyny w Johns Szkoła Medyczna Uniwersytetu Hopkinsa. Kim kierował projektem wysłania tkanki serca na stację kosmiczną.
Innowacje w badaniach z zakresu biologii kosmicznej
Aby wytworzyć ładunek serca, naukowiec Jonathan Tsui, dr Jonathan Tsui, nakłonił indukowane przez człowieka pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC), aby przekształciły się w komórki mięśnia sercowego (kardiomiocyty). Tsui, który był doktorem. student w laboratorium Kima w Uniwersytet Waszyngtońskitowarzyszył Kimowi w ramach stażu podoktorskiego, gdy Kim przeniósł się na Uniwersytet Johnsa Hopkinsa w 2019 r. Kontynuowali badania z zakresu biologii kosmicznej na Johns Hopkins.
Następnie Tsui umieściła tkanki w bioinżynieryjnym, zminiaturyzowanym chipie tkankowym, który łączy tkanki między dwoma słupkami w celu zebrania danych na temat tego, jak tkanki biją (kurczą się). Trójwymiarowa obudowa komórek została zaprojektowana tak, aby naśladować środowisko serca dorosłego człowieka w komorze o połowę mniejszej niż telefon komórkowy.
Logistyka misji i analiza danych w czasie rzeczywistym
Aby zabrać chusteczki na pokład SpaceX Misja CRS-20, która wystartowała w marcu 2020 r. i zmierzała w stronę stacji kosmicznej, Tsui twierdzi, że musiał ręcznie przewieźć komory na tkanki samolotem na Florydę i przez miesiąc dalej opiekować się tkankami w Centrum Kosmicznym im. Kennedy’ego. Tsui jest obecnie naukowcem w Tenaya Therapeutics, firmie zajmującej się zapobieganiem i leczeniem chorób serca.
Gdy tkanki znalazły się na stacji kosmicznej, naukowcy otrzymywali w czasie rzeczywistym przez 10 sekund co 30 minut dane dotyczące siły skurczu komórek, zwanej siłami skurczowymi, oraz wszelkich nieregularnych wzorców uderzeń. Astronautka Jessica Meir, doktor MS, raz w tygodniu zmieniała płynne składniki odżywcze otaczające tkanki i konserwowała tkanki w określonych odstępach czasu do późniejszego odczytu genów i analiz obrazowych.
Zespół badawczy trzymał na Ziemi zestaw tkanek serca rozwiniętych w ten sam sposób, umieszczonych w komorze tego samego typu, w celu porównania z tkankami w kosmosie.
Kiedy komory tkanek wróciły na Ziemię, Tsui nadal utrzymywał i zbierał dane z tkanek.
Postęp technologiczny i wstępne ustalenia
„Niezwykła ilość najnowocześniejszych technologii w obszarach inżynierii komórek macierzystych i tkankowych, biosensorów i bioelektroniki oraz mikrofabrykacji została włożona w zapewnienie żywotności tych tkanek w przestrzeni kosmicznej” – mówi Kim, którego zespół opracował chip tkankowy na potrzeby tego projektu i kolejne.
Devin Mair, Ph.D., były Ph.D. student w laboratorium Kima, a obecnie stażysta podoktorski w Johns Hopkins, a następnie przeanalizował zdolność tkanek do kurczenia się.
Oprócz utraty siły w tkankach mięśnia sercowego w przestrzeni kosmicznej doszło do nieregularnego bicia (arytmii) – zakłóceń, które mogą spowodować niewydolność ludzkiego serca. Zwykle czas pomiędzy jednym uderzeniem tkanki serca a następnym wynosi około sekundy. Pomiar ten w tkankach znajdujących się na pokładzie stacji kosmicznej był prawie pięciokrotnie dłuższy niż na Ziemi, chociaż czas między uderzeniami powrócił prawie do normy, gdy tkanki wróciły na Ziemię.
Naukowcy odkryli również w tkankach wysłanych w przestrzeń kosmiczną, że sarkomery – wiązki białek w komórkach mięśniowych, które pomagają im się kurczyć – stały się krótsze i bardziej nieuporządkowane, co jest cechą charakterystyczną ludzkich chorób serca.
Ponadto mitochondria wytwarzające energię w komórkach ograniczonych przestrzenią stały się większe, bardziej okrągłe i utraciły charakterystyczne fałdy, które pomagają komórkom wykorzystywać i wytwarzać energię.
Spostrzeżenia genetyczne i trwające eksperymenty
Wreszcie Mair, Eun Hyun Ahn, Ph.D. — adiunkt w dziedzinie inżynierii biomedycznej — i Zhipeng Dong, doktor Johns Hopkins. student, badał odczyt genów w tkankach znajdujących się w kosmosie i na Ziemi. Tkanki na stacji kosmicznej wykazały zwiększoną produkcję genów odpowiedzialnych za stany zapalne i uszkodzenia oksydacyjne, które są również oznakami chorób serca.
„Wiele z tych markerów uszkodzeń oksydacyjnych i stanów zapalnych konsekwentnie wykazuje się podczas kontroli astronautów po locie” – mówi Mair.
Laboratorium Kima wysłało druga partia tkanek serca opracowanych metodą inżynierii 3D ma zostać wysłana na stację kosmiczną w 2023 r w celu poszukiwania leków, które mogą chronić komórki przed skutkami niskiej grawitacji. Badanie to jest w toku i według naukowców te same leki mogą pomóc ludziom w utrzymaniu funkcji serca w starszym wieku.
Naukowcy w dalszym ciągu udoskonalają swój system „tkanki na chipie” i badają wpływ promieniowania na tkanki serca w ośrodku NASA Laboratorium Promieniowania Kosmicznego. Stacja kosmiczna znajduje się na niskiej orbicie okołoziemskiej, gdzie pole magnetyczne planety chroni jej mieszkańców przed większością skutków promieniowania kosmicznego.
Odniesienie: „Wywołana lotami kosmicznymi dysfunkcja skurczowa i mitochondrialna w zautomatyzowanej platformie typu serce na chipie” autorstwa Devina B. Maira, Jonathana H. Tsui, Ty Higashi, Paula Koeniga, Zhipeng Donga, Jeffreya F. Chena, Jessiki U. Meir, Alec ST Smith, Peter HU Lee, Eun Hyun Ahn, Stefanie Countryman, Nathan J. Sniadecki i Deok-Ho Kim, 23 września 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2404644121
Kim jest współzałożycielem, członkiem naukowej rady doradczej i udziałowcem firmy Curi Bio, która opracowuje bioinżynieryjne platformy tkankowe do opracowywania leków. Ahn jest małżonką Kima i pełni funkcję współbadacza lub głównego badacza w ramach grantów NIH: UG3EB028094, UH3TR003519 i R21CA220111.
Pieniądze na badania zapewniła firma im Narodowe Instytuty Zdrowia (UG3EB028094, UH3TR003519, UH3TR003271, R01HL164936, R01HL156947, R21CA220111).
Inni badacze, którzy wnieśli swój wkład w badanie, to Jeffrey Chen z Johns Hopkins, Ty Higashi, Alec Smith i Nathan Sniadecki z University of Washington, Paul Koenig i Stefanie Countryman z University of Colorado Boulder oraz Peter Lee z Brown University.
