После месяца в космосе у «сердец на чипе» развилась аритмия

У людей, побывавших в космосе, часто возникают проблемы со здоровьем. Снижается плотность костей и мышечная масса, также нарушается работа сердца. Например, у астронавтов, которые летали на Луну в рамках программы «Аполлон», риск смерти от сердечно-сосудистых заболеваний был в пять раз выше, чем у астронавтов, никогда не бывших дальше низкой околоземной орбиты. Ранее эту проблему изучали на животных и их кардиомиоцитах. В новой работе исследователи из США проанализировали, какие изменения происходят с сердечной тканью человека в космосе на молекулярно-клеточном уровне.

Авторы разработали и отправили в космос «сердца на чипе». Для этого они получали кардиомиоциты из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека, а потом выращивали их в специальной установке. В качестве скаффолда для клеток в ней присутствовал внеклеточный матрикс, который отражает архитектуру сердечной ткани. Также в скаффолд добавляли восстановленный оксид графена — синтетический материал, который повышал электрическую проводимость ткани. Такие «сердца на чипе» исследователи отправляли на МКС в рамках миссии SpaceX CRS-20 в марте 2020 года. За органоидами, которые находились в условиях микрогравитации, наблюдали в течение 30 дней, а затем возвращали на Землю и наблюдали еще девять дней.

После пребывания в космосе сердечная ткань ослабла по сравнению с образцами, которые культивировались на Земле. Уже через 12 дней на МКС сердечная ткань стала хуже сокращаться, что впоследствии только усугубилось. После возвращения на Землю способность ткани к сокращению не восстановилась.

Также у «сердец на чипе» развилась аритмия — вторая по частоте проблема со здоровьем среди тех, что возникали у космонавтов из программы «Мир». Чтобы выявить аритмию, ученые определяли изменения в интервале между сокращениями сердечной мышцы. За 19 дней у «сердец на чипе», которые оставались на Земле, интервал между сокращениями уменьшился на 33,7 мс, т. е. у них снизилась склонность к аритмии по мере созревания. Напротив, у органоидов, которые находились в космосе, интервал между сокращениями возрос на 35,6 мс.

Кроме того, нахождение в космосе вызвало структурные изменения компонентов клеток. Например, в кардиомиоцитах сократились саркомеры — структурно-функциональные компоненты мышечной ткани, которые обеспечивают ее сокращение. Длина саркомер не восстановилась после возвращения образцов на Землю, с чем и может быть связано ослабление ткани.

Изменения также коснулись митохондрий: в кардиомиоцитах, побывавших в космосе, митохондрии разбухали и были сильно фрагментированы, что свидетельствует о повышенном окислительном стрессе. О дисфункции митохондрий также свидетельствовала линеаризация крист и накопление липидных капель — видимо, из-за нарушения процесса окисления липидов.

Транскриптомный анализ позволил ученым выявить основные молекулярные пути, которые были нарушены после путешествия сердечных органоидов в космос. В этих органоидах была снижена экспрессия путей, связанных с кальциевым сигналингом, образованием мышц и метаболизмом жирных кислот. Напротив, повысилась экспрессия путей, ассоциированных с нарушением метаболизма глюкозы и кардиомиопатией. Таким образом, пребывание в условиях микрогравитации оказывает негативное воздействие на транскриптом сердца.

Исследователи выявили и конкретные гены, экспрессия которых нарушалась после нахождения образцов в космосе. Значительно снижалась экспрессия белков сердечной мышцы: миозина, тропонина I, титина, с чем ученые и связали сокращение саркомер и ослабление ткани. Кальциевый сигналинг в «сердцах на чипе» нарушался за счет снижения экспрессии RYR2 и ARTP2A2 — ионных каналов, которые участвуют в транспорте ионов кальция в саркоплазматический ретикулум и обратно при сокращении и расслаблении мышц. Напротив, наблюдалась повышенная экспрессия KCNJ12 — калиевого канала, который регулирует деполяризацию и реполяризацию мембранного потенциала. Это наблюдение авторы связали с появлением аритмии. Также ученые обнаружили изменения в экспрессии генов, участвующих в работе митохондрий или связанных с окислительным стрессом.

В кардиомиоцитах, побывавших на МКС, развивалось воспаление, о чем свидетельствовала повышенная экспрессия провоспалительных цитокинов IL-18, IL-1β, IL-16. Выработка IL-1β способствовала выбросу митохондриальной ДНК из митохондрий, которая детектировалась cGAS (цикло-ГМФ-АМФ-синтаза) — компонентом пути врожденного иммунитета cGAS/STING, который запускает воспалительный ответ из-за присутствия посторонней или чужеродной ДНК.

В настоящее время ученые продолжают исследования «сердец на чипе» в условиях микрогравитации. В 2023 году они отправили на МКС еще партию образцов сердечных органоидов для скрининга лекарств, которые могут оказать кардиопротекторный эффект во время космического путешествия. Они также проводят исследования в лаборатории космического излучения NASA, чтобы оценить его влияние на сердечную мышцу.

Главное ограничение этой и других подобных работ — то, что модель не учитывает изменения в артериальном давлении и механической нагрузке, которую испытывает сердечная мышца человека в условиях микрогравитации. Чтобы улучшить модель, ученые планируют внедрить метод 3D-биопечати, который бы позволил получить искусственную сердечную камеру.

Космические путешествия ухудшают здоровье почек