Космические полёты нарушают ритм клеток сердечной мышцы из-за низкой гравитации

Сердечные ткани в одной из камер, готовых к запуску. Автор: Jonathan Tsui

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, взятыми на Земле.

Ученые заявили, что сердечные ткани «действительно плохо себя чувствуют в космосе», 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 выживаемость и здоровье астронавтов во время длительных космических полетов и могут служить моделями для изучения старения сердечной мышцы и терапии на Земле.

Отчет ученых об анализе тканей опубликован в Трудах Национальной академии наук.

Предыдущие исследования показали, что некоторые космонавты 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.

Затем Цуй поместил ткани в биоинженерный миниатюрный тканевый чип, который нанизывает ткани между двумя штырями для сбора данных о том, как ткани бьются (сокращаются). 3D-корпус клеток был разработан 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. Цуй сейчас является ученым в Tenaya Therapeutics, компании, занимающейся профилактикой и лечением заболеваний сердца.

После того, как ткани оказались на космической станции, ученые получали данные в режиме реального времени в течение 10 секунд каждые 30 минут о силе сокращения клеток, известной как сила подергивания, и о любых нерегулярных моделях биения. Космонавт Джессика Меир, доктор философии, магистр наук, меняла жидкие питательные вещества, окружающие ткани, раз в неделю и консервировала ткани через определенные интервалы для последующего считывания генов и анализа изображений.

Исследовательская группа сохранила набор сердечных тканей, разработанных таким же образом на Земле, и поместила их в камеру того же типа для сравнения с тканями в космосе.

Когда камеры с тканями вернулись на Землю, Цуй продолжил сохранять и собирать данные о тканях.

«Невероятное количество передовых технологий в области инженерии стволовых клеток и тканей, 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.

Затем доктор философии Девин Мэйр, бывший аспирант лаборатории Кима, а ныне научный сотрудник Университета Джонса Хопкинса, 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 вырос 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, отправленных 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, ограниченных пространством, стали крупнее, 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, размещенных в космосе и на Земле. Ткани на космической станции показали повышенную выработку генов, участвующих в воспалении и окислительном повреждении, также являющихся признаками заболеваний сердца.

«Многие из этих маркеров окислительного повреждения и воспаления постоянно выявляются при послеполетных проверках астронавтов», — говорит Мэр.

Лаборатория Кима отправила вторую партию 3D-инженерных тканей сердца на космическую станцию в 2023 году для проверки лекарств, которые могут защитить клетки от воздействия низкой гравитации. Это исследование продолжается, и, по словам ученых, эти же лекарства могут помочь людям поддерживать функцию сердца по мере их старения.

Больше информации: Kim, Deok-Ho, Spaceflight-induced contractile and mitochondrial dysfunction in an automated heart-on-a-chip platform, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2404644121. doi.org/10.1073/pnas.2404644121

Источник: Johns Hopkins University School of Medicine