Ткани сердца в одной из камер, готовых к запуску. Автор: Джонатан Цуй
Ученые из Медицинского центра Джонса Хопкинса, которые организовали 30-дневное пребывание 48 образцов человеческой биоинженерной сердечной ткани на Международной космической станции, сообщают о доказательствах того, что условия низкой гравитации в космосе ослабили ткани и нарушили их нормальные ритмичные сокращения по сравнению с образцами из того же источника на Земле.
Ученые заявили, что сердечные ткани «действительно плохо переносят космос», и со временем ткани на борту космической станции сокращаются примерно в два раза слабее, чем ткани из того же источника, хранящиеся на Земле.
По их словам, результаты исследования расширяют знания ученых о потенциальном влиянии низкой гравитации на выживание и здоровье астронавтов во время длительных космических миссий, и они могут служить моделями для изучения старения сердечной мышцы и терапии на Земле.
Отчет об анализе тканей учеными опубликован в Трудах Национальной академии наук.
Предыдущие исследования показали, что некоторые астронавты возвращаются на Землю из космоса с возрастными заболеваниями, включая снижение функции сердечной мышцы и аритмии (нерегулярные сердечные сокращения), и что некоторые — но не все — эффекты исчезают со временем после их возвращения.
Но ученые искали способы изучения таких эффектов на клеточном и молекулярном уровне в попытке найти способы обеспечения безопасности астронавтов во время длительных космических полетов, говорит Деок-Хо Ким, доктор философии, профессор биомедицинской инженерии и медицины в Медицинской школе Университета Джонса Хопкинса. Ким руководил проектом по отправке сердечной ткани на космическую станцию.
Для создания сердечной нагрузки ученый Джонатан Цуй, доктор философии, заставил человеческие индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) развиться в клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты). Цуй, который был аспирантом в лаборатории Кима в Вашингтонском университете, сопровождал Кима в качестве постдокторанта, когда Ким 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 нанизывает ткани между двумя штифтами для сбора данных о том, как ткани бьются (сокращаются). Трехмерное размещение клеток было разработано для имитации среды взрослого человеческого сердца в камере размером с половину мобильного телефона.
Чтобы доставить ткани на борт миссии SpaceX CRS-20, которая стартовала в марте 2020 года и направлялась на космическую станцию, Цуй говорит, что ему пришлось вручную нести камеры с тканями на самолете во Флориду и продолжать ухаживать за тканями в течение месяца в Космическом центре Кеннеди. Сейчас Цуй является научным сотрудником в Tenaya Therapeutics, компании, занимающейся профилактикой и лечением сердечных заболеваний.
После того, как ткани оказались на космической станции, ученые получали данные в реальном времени в течение 10 секунд каждые 30 минут о силе сокращения клеток, известной как сила подергивания, и о любых нерегулярных моделях биения. Астронавт Джессика Меир, доктор философии, магистр наук, меняла жидкие питательные вещества, окружающие ткани, раз в неделю и сохраняла ткани через определенные интервалы для последующего считывания генов и анализа изображений.
Исследовательская группа сохранила набор сердечных тканей, разработанных таким же образом на Земле, размещенных в камере того же типа, для сравнения с тканями в космосе.
Когда камеры с тканями вернулись на Землю, Цуй продолжил поддерживать ткани и собирать с них данные.
«Невероятное количество передовых технологий в области стволовых клеток и тканевой инженерии, биосенсоров и биоэлектроники, а также микропроизводства было использовано для обеспечения жизнеспособности этих тканей в космосе», — говорит Ким, чья команда разработала тканевой чип для этого и последующих проектов.
Дэвин Мэйр, доктор философии, бывший аспирант в лаборатории Кима, а ныне научный сотрудник в Университете Джонса Хопкинса, затем проанализировал способность тканей сокращаться.
Помимо потери прочности, ткани сердечной мышцы в космосе начали биться нерегулярно (аритмии) — нарушения, которые могут привести к отказу человеческого сердца. Обычно время между одним ударом сердечной ткани и следующим составляет около секунды. Этот показатель в тканях на борту космической станции увеличился почти в пять раз по сравнению с земными, хотя время между ударами вернулось почти к норме, когда ткани вернулись на Землю.
Ученые также обнаружили, что в тканях, которые отправились в космос, саркомеры — белковые пучки в мышечных клетках, которые помогают им сокращаться, — стали короче и более беспорядочными, что является признаком заболеваний сердца у человека.
Кроме того, энергопроизводящие митохондрии в клетках, связанных с космосом, стали больше, круглее и утратили характерные складки, которые помогают клеткам использовать и вырабатывать энергию.
Наконец, Майр, Ын Хён Ан, доктор философии — доцент кафедры биомедицинской инженерии — и Чжипэн Донг, аспирант Университета Джонса Хопкинса, изучили считывание генов в тканях, находящихся в космосе и на Земле. Ткани на космической станции показали повышенную выработку генов, участвующих в воспалении и окислительном повреждении, также являющихся признаками сердечных заболеваний.
«Многие из этих маркеров окислительного повреждения и воспаления постоянно демонстрируются в послеполетных проверках астронавтов», — говорит Майр.
Лаборатория Кима отправила вторую партию 3D-инженерных тканей сердца на космическую станцию в 2023 году для скрининга на наличие препаратов, которые могут защитить клетки от воздействия низкой гравитации. Это исследование продолжается, и, по словам ученых, эти же препараты могут помочь людям поддерживать функцию сердца по мере их старения.
Ученые продолжают совершенствовать свою систему «ткань на чипе» и изучают воздействие радиации на ткани сердца в Лаборатории космической радиации НАСА. Космическая станция находится на низкой околоземной орбите, где магнитное поле планеты защищает пассажиров от большинства эффектов космической радиации.
Дополнительная информация: Ким, Док-Хо, Вызванная космическим полетом сократительная и митохондриальная дисфункция в автоматизированной платформе «сердце на чипе», Труды Национальной академии наук (2024). DOI: 10.1073/pnas.2404644121. doi.org/10.1073/pnas.2404644121
Информация о журнале: Труды Национальной академии наук
Предоставлено Медицинской школой Университета Джонса Хопкинса
