Naukowcy z Scripps Research odkrywają wpływ mikrograwitacji na komórki mózgowe.
Wiadomo, że mikrograwitacja wpływa na mięśnie, kości, układ odpornościowy i funkcje poznawcze, ale jej specyficzny wpływ na mózg pozostaje w dużej mierze niezbadany. Aby to zbadać, naukowcy z Scripps Research nawiązali współpracę z nowojorską fundacją Stem Cell Foundation, aby wysłać maleńkie skupiska komórek mózgowych, zwane „organoidami”, do Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS). Organoidy te uzyskano z komórek macierzystych i zaprojektowano tak, aby naśladowały pewne aspekty rozwoju mózgu.
Co ciekawe, organoidy wróciły z miesięcznego pobytu na orbicie nadal zdrowe. Wykazywały jednak przyspieszone dojrzewanie w porównaniu do identycznych organoidów hodowanych na Ziemi. Komórki wystawione na działanie przestrzeni kosmicznej zbliżyły się do w pełni rozwiniętych neuronów i wykazywały wczesne oznaki specjalizacji. Odkrycia te, opublikowane niedawno w Medycyna translacyjna komórek macierzystychoferują nowy wgląd w to, jak podróże kosmiczne mogą wpływać na rozwój neurologiczny i funkcjonowanie mózgu.
„Fakt, że te komórki przetrwały w kosmosie, był dużym zaskoczeniem” – mówi współautorka, dr Jeanne Loring, emerytowany profesor na Wydziale Medycyny Molekularnej i dyrektor-założycielka Centrum Medycyny Regeneracyjnej w Scripps Research. „To stwarza podstawy dla przyszłych eksperymentów kosmicznych, do których możemy włączyć inne części mózgu dotknięte chorobą neurodegeneracyjną”.
Innowacyjne metody badania organoidów w warunkach mikrograwitacji
Na Ziemi zespół wykorzystał komórki macierzyste do stworzenia organoidów składających się z neuronów korowych lub dopaminergicznych, czyli populacji neuronów dotkniętych stwardnieniem rozsianym i chorobą Parkinsona – chorobami, które Loring bada od dziesięcioleci. Niektóre organoidy obejmowały także mikroglej, rodzaj komórek odpornościowych zamieszkujących mózg, aby zbadać wpływ mikrograwitacji na stan zapalny.
Organoidy hoduje się zwykle w płynnym podłożu bogatym w składniki odżywcze, które należy regularnie zmieniać, aby zapewnić komórkom odpowiednie odżywienie i usunąć produkty przemiany materii. Aby uniknąć konieczności prac laboratoryjnych na ISS, zespół opracował pionierską metodę hodowli mniejszych niż zwykle organoidów w kriofiolkach – małych, hermetycznych fiolkach, które pierwotnie zostały zaprojektowane do głębokiego zamrażania.
Organoidy przygotowano w laboratoriach na stacji kosmicznej Kennedy’ego i podróżowano na ISS w miniaturowym inkubatorze. Po miesiącu na orbicie wrócili na Ziemię, gdzie zespół pokazał, że są zdrowi i nienaruszeni.
Ekspresja genów i szybsze dojrzewanie komórek w mikrograwitacji
Aby zbadać, jak środowisko kosmiczne wpływa na funkcje komórkowe, zespół porównał RNA wzorce ekspresji – miara aktywności genów – do identycznych organoidów „kontroli naziemnej”, które pozostały na Ziemi. Co zaskakujące, odkryli, że organoidy hodowane w warunkach mikrograwitacji miały wyższy poziom genów związanych z dojrzałością i niższy poziom genów związanych z proliferacją w porównaniu z komórkami kontrolnymi naziemnymi, co oznacza, że komórki wystawione na działanie mikrograwitacji rozwijały się szybciej i replikowały się rzadziej niż komórki na Ziemi.
„Odkryliśmy, że w obu typach organoidów profil ekspresji genów był charakterystyczny dla starszego etapu rozwoju niż te, które znajdowały się na ziemi” – mówi Loring. „W mikrograwitacji rozwijały się szybciej, ale naprawdę ważne jest, aby wiedzieć, że nie są to neurony dorosłe, więc nie mówi nam to nic o starzeniu się”.
Zespół zauważył również, że wbrew swojej hipotezie w organoidach hodowanych w warunkach mikrograwitacji występowało mniejsze zapalenie i niższa ekspresja genów związanych ze stresem, ale potrzebne są dalsze badania, aby ustalić, dlaczego tak się dzieje.
Loring spekuluje, że warunki mikrograwitacji mogą lepiej odzwierciedlać warunki, jakich doświadczają komórki w mózgu w porównaniu z organoidami hodowanymi w konwencjonalnych warunkach laboratoryjnych i w obecności grawitacji.
„Cechy mikrograwitacji prawdopodobnie działają również w mózgach ludzi, ponieważ w mikrograwitacji nie ma konwekcji — innymi słowy, rzeczy się nie poruszają” – mówi Loring. „Myślę, że w kosmosie te organoidy bardziej przypominają mózg, ponieważ nie są przepłukiwane całą masą pożywki hodowlanej ani tlenu. Są bardzo niezależni; tworzą coś w rodzaju mózgu, mikrokosmosu mózgu”.
W artykule opisano pierwszą misję kosmiczną zespołu, ale od tego czasu wysłano na ISS cztery kolejne misje. W każdej z nich odtworzyli warunki z pierwszej misji i dodali dodatkowe eksperymenty.
„Następną rzeczą, którą planujemy, będzie zbadanie części mózgu, która jest najbardziej dotknięta tą chorobą Alzheimera choroba” – mówi Loring. „Chcemy także wiedzieć, czy istnieją różnice w sposobie, w jaki neurony łączą się ze sobą w przestrzeni. W przypadku tego rodzaju badań nie można polegać na wcześniejszych pracach w celu przewidzenia wyniku, ponieważ nie ma wcześniejszych prac. Jesteśmy, że tak powiem, na parterze; na niebie, ale na parterze.”
Odniesienie: „Efekty mikrograwitacji na ludzkie organoidy nerwowe pochodzące z iPSC na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej”: Davide Marotta, Laraib Ijaz, Lilianne Barbar, Madhura Nijsure, Jason Stein, Nicolette Pirjanian, Ilya Kruglikov, Twyman Clements, Jana Stoudemire, Paula Grisanti, Scott A Noggle, Jeanne F. Loring i Valentina Fossati, 23 października 2024 r., Medycyna translacyjna komórek macierzystych.
DOI: 10.1093/stcltm/szae070
Praca ta została wsparta środkami finansowymi z Krajowej Fundacji Komórek Macierzystych.
Oprócz Loringa autorzy badania są Jason Stein z Scripps Research; Davide Marotta, Laraib Ijaz, Lilianne Barbar, Madhura Nijsure, Nicolette Pirjanian, Ilya Kruglikov, Scott A. Noggle i Valentina Fossati z Instytutu Badawczego Fundacji Komórek Macierzystych w Nowym Jorku; Twyman Clements i Jana Stoudemire z Space Tango; i Paula Grisanti z Krajowej Fundacji Komórek Macierzystych.
