Умови низької гравітації в космосі викликають пошкодження серця

Згідно з новим дослідженням, низька гравітація в космосі може завдати значної шкоди тканинам серця. Серцеві тканини, що зазнали впливу низької гравітації, показали ознаки пошкодження мітохондрій та окислювального стресу, які є ключовими ознаками серцевої недостатності.

Для дослідження фахівці Університету Джона Гопкінса організували для 48 зразків біоінженерної тканини людського серця 30-денне перебування на борту Міжнародної космічної станції.

Тканина серця в умовах низької гравітації

Після аналізу експерти виявили, що низька гравітація послабила тканини серця і порушила їх нормальну ритмічність биття порівняно з контрольними зразками, які зберігалися на Землі. За словами вчених, тканини серця «дійсно погано почуваються в космосі». З часом тканини на космічній станції билися лише з половинною силою, ніж їхні земні аналоги.

Наслідки тривалих космічних польотів

«З огляду на поточні плани пілотованих місій на Марс і далі, необхідність краще розуміти, запобігати і протидіяти шкідливому впливу тривалих космічних польотів на організм стає все більш важливою», — зазначають автори дослідження.

Попередні дослідження показали, що астронавти, які повертаються на Землю, часто стикаються з віковими станами, такими як зниження функції серцевого м’яза і аритмії (нерегулярне серцебиття), деякі з яких зникають після повернення.

Однак вчені шукають шляхи вивчення цих ефектів на клітинному та молекулярному рівнях, щоб розробити стратегії для забезпечення безпеки астронавтів під час тривалих космічних польотів, пояснив керівник проекту професор Дьок-Хо Кім (Deok-Ho Kim).

Біоінженерні тканини серця

У проекті використовувалися клітини серцевого м’яза (кардіоміоцити), отримані з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин людини (iPSC) — процес, розроблений Джонатаном Цуї, колишнім аспірантом в лабораторії Кіма у Вашингтонському університеті. Пізніше Цуй продовжив дослідження космічної біології з професором Кімом в Університеті Джона Гопкінса.

Біоінженерні тканини серця були поміщені в мініатюрний тканинний чіп, який імітував середовище серця дорослої людини. Тканинний чіп був розроблений таким чином, щоб нанизувати клітини між двома стовпчиками, що дозволило дослідникам збирати дані про те, як скорочуються тканини.

Відправка тканин серця в космос

Щоб відправити серцеві тканини на борт місії SpaceX CRS-20, яка стартувала в березні 2020 року, Цуй особисто вручну доставив камери з тканинами до Флориди, де він доглядав за ними протягом місяця в Космічному центрі Кеннеді.

На борту космічної станції кожні 30 хвилин протягом 10 секунд збиралися дані в режимі реального часу, вимірюючи силу скорочень тканин, відому як сила посмикування, і виявляючи будь-які нерегулярні патерни биття.

Астронавтка Джессіка Меїр допомагала підтримувати експеримент, щотижня змінюючи рідкі поживні речовини, що оточують тканини, і зберігаючи зразки через певні проміжки часу для подальшого генного та візуального аналізу.

Захист життєздатності тканин

На Землі другий набір тканин серця (отриманих таким же чином) був розміщений в ідентичних камерах для контролю. Коли космічні камери з тканинами повернулися на Землю, Цуй відновив збір даних з тканин. «Неймовірна кількість найсучасніших технологій у галузі інженерії стовбурових клітин і тканин, біосенсорів і біоелектроніки, а також мікрофабрикування була використана для забезпечення життєздатності цих тканин у космосі», — сказав професор Кім, команда якого розробила тканинний чіп, що використовується в цьому проекті та майбутніх дослідженнях.

Девін Мейр, колишній аспірант в лабораторії Кіма, а нині постдокторський науковий співробітник в Університеті Джона Хопкінса, проаналізував здатність тканин до скорочення.

Ослаблені тканини і потенційні серцеві захворювання

Тканини серцевого м’яза в космосі не лише втрачали силу, але й розвивали нерегулярні патерни биття, відомі як аритмії — збої, які потенційно можуть призвести до серцевої недостатності.

Зазвичай час між одним ударом і наступним становить близько однієї секунди, але в тканинах, пов’язаних з космосом, цей час збільшився майже в п’ять разів. Однак, коли тканини повернулися на Землю, їхній ритм биття поступово повернувся до майже нормального рівня.

Дослідники також виявили, що саркомери — білкові пучки в м’язових клітинах, які сприяють скороченню — стали коротшими і більш невпорядкованими в тканинах, пов’язаних з космосом, що є ознакою серцевих захворювань. Крім того, мітохондрії, які відповідають за виробництво енергії в клітинах, стали більшими, круглішими і втратили свої характерні складки, що також свідчить про порушення виробництва енергії.

Запалення та окислювальне пошкодження

Нарешті, Мейр разом з асистентом професора Еун Хюн Ан та аспірантом Чжипенг Донг проаналізували активність генів у тканинах.

Тканини серця, які провели час у космосі, показали підвищену експресію генів, пов’язаних із запаленням і окислювальним пошкодженням, які є поширеними маркерами серцевих захворювань і постійно спостерігаються при перевірці стану здоров’я астронавтів після польоту.

Захист серця від пошкоджень у космосі

Команда професора Кіма відправила другу партію 3D-інженерних тканин серця на космічну станцію у 2023 році, щоб перевірити препарати, які можуть захистити клітини від шкідливого впливу низької гравітації.

Це дослідження може призвести до розробки методів лікування, які не лише допоможуть астронавтам підтримувати роботу серця під час космічних польотів, але й принесуть користь людям на Землі в міру їхнього старіння. Команда також продовжує вдосконалювати свою систему «тканина на чіпі», досліджуючи вплив радіації на тканини серця в Лабораторії космічної радіації НАСА.

Космічна станція обертається в межах магнітного поля Землі, яке захищає її мешканців від більшої частини космічної радіації, але необхідні подальші дослідження, щоб зрозуміти вплив космічної радіації на серцево-судинне здоров’я астронавтів під час тривалих місій поза цією захисною зоною. Дослідження опубліковане в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.