Полет в космос — мечта для многих, но он также сопряжен со многими рисками и проблемами. И сохранение здоровья является одной из ключевых проблем. Мы давно знали, что атрофия мышц является проблемой для астронавтов, но теперь исследователи показали, что простое пребывание в открытом космосе может привести к «старению» мышц.

Но есть и хорошие новости: мы знаем гены, ответственные за это.

Мышца на чипе — теперь в космосе

Скелетные мышцы составляют около 40% массы тела человека и играют решающую роль в движении и стабильности. Эти мышцы постоянно регенерируются, и этот процесс в основном управляется сателлитными клетками, типом мышечных стволовых клеток, которые активируются при травме или заболевании. Эти клетки сливаются, образуя новые мышечные волокна — процесс, необходимый для восстановления и роста мышц. Однако воздействие микрогравитации, наблюдаемое во время космических путешествий, значительно снижает эту регенеративную способность.

По сути, исследователи обнаружили, что человеческие клетки, отправленные в космос, испытывают нечто, напоминающее ускоренное старение.

Чтобы исследовать проблемы, связанные с микрогравитацией (то, что большинство людей называют невесомостью в космосе), ученые разработали платформу «мышцы на чипе». Эта технология предполагает создание искусственной мышечной ткани человека на микромасштабном устройстве, которое может имитировать функцию и регенерацию мышц. В этом исследовании клетки скелетных мышц человека сначала культивировались в идеальной среде.

То, что мы видим у космонавтов, соответствует тому, что мы видим в клетках

Затем спроектированные мышечные конструкции были отправлены в Национальную лабораторию Международной космической станции (ISSNL) для изучения эффектов микрогравитации. Эти устройства «мышцы на чипе» размещались в специально изготовленных биореакторах, которые поддерживали оптимальные условия для роста клеток во время космических путешествий и экспериментов.

После семи дней пребывания в условиях микрогравитации конструкции «мышцы на чипе» продемонстрировали значительные изменения по сравнению с теми, которые хранились в условиях нормальной гравитации на Земле. Во-первых, в образцах, находящихся в условиях микрогравитации, произошел метаболический сдвиг в сторону метаболизма липидов и жирных кислот. Кроме того, наблюдалось увеличение экспрессии некоторых генов. Это привело к более высокому уровню запрограммированной гибели клеток, что отрицательно влияет на регенерацию мышц.

Еще одним примечательным открытием стало то, что микрогравитация вызывает митохондриальный стресс. Правильная функция митохондрий необходима для регенерации мышц, поскольку она поддерживает энергетические потребности в восстановлении и формировании новых мышечных волокон. Этот стресс также приводит к снижению регенеративной способности.

В целом исследование показало, что конструкции «мышцы на чипе», подвергшиеся воздействию микрогравитации, имеют сходство с саркопенией — состоянием возрастной потери мышечной массы.

Большая часть нашей информации о том, что происходит с человеческим телом в космическом пространстве, поступает от человеческих тел. Астронавты, отправляющиеся в миссии, подвергаются тщательному обследованию и обнаруживают деградацию мышц, связанную с условиями микрогравитации. Эта деградация была также подтверждена в исследованиях на животных, отправленных в космос. Новое исследование еще раз подтверждает полученные результаты — теперь уже на клеточном уровне.

Но это еще не все.

Многообещающий метод

Платформа «мышцы на чипе» также предлагает многообещающие возможности для скрининга лекарств для противодействия неблагоприятным последствиям микрогравитации. В этом исследовании были протестированы два препарата: инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1) и ингибитор 15-гидроксипростагландиндегидрогеназы (15-PGDH-i). Оба препарата продемонстрировали потенциал в стимулировании роста и регенерации мышц.

Добавление этих препаратов к мышечным конструкциям, подвергшимся воздействию микрогравитации, частично ингибировало негативные эффекты микрогравитации. В частности, IGF-1 и 15-PGDH-i помогали поддерживать нормальный уровень экспрессии генов, связанных с регенерацией мышц, липидным метаболизмом и путями выживания клеток. Это открытие предполагает, что эти препараты могут смягчить пагубное воздействие микрогравитации на мышечную ткань.

Таким образом, помимо подтверждения проблемы и предложения некоторых ее решений, исследователи также продемонстрировали преимущества этой схемы «мышцы на чипе» для состояний, подобных сакропении. Воспроизводя мышечную среду на контролируемой масштабируемой платформе, исследователи могут получить более глубокое понимание биологии мышц и разработать целевые методы лечения.

Что касается астронавтов, последствия этого исследования весьма значительны. Успешное моделирование состояний, подобных саркопении, с использованием технологии «мышцы на чипе» в космосе подчеркивает потенциал передовых исследований и скрининга лекарств в условиях микрогравитации. И нам абсолютно необходимы лучшие решения, чтобы сохранить их мышцы сильными. Кто знает? Если нам повезет, те же решения, которые помогают астронавтам двигаться вперед, могут привести к медицинским достижениям, которые принесут пользу миллионам людей, страдающих от дегенерации мышц здесь, на Земле.

Ссылка в журнале: Ким С., Аян Б., Шаян М., Рандо Т.А., Хуанг Н.Ф. (2024). Скелетные мышцы на чипе в условиях микрогравитации как платформа для моделирования регенерации и скрининга лекарств. Отчеты о стволовых клетках . doi:10.1016/j.stemcr.2024.06.010