Микрогравитация ускорила старение стволовых клеток

В невесомости по-другому ведут себя жидкости, пламя, материалы и биологические системы — это позволяет наблюдать явления в «чистом» виде, без влияния силы тяжести / © NASA

С момента первого орбитального полета Юрия Гагарина ученые и медики активно изучают, как космическая среда воздействует на человеческий организм. Результаты многочисленных исследований подтверждают, что космос является крайне враждебной средой для людей.

Микрогравитация приводит к ослаблению мышц и потере костной массы, поскольку ткани лишаются привычной механической нагрузки. Космическая радиация вызывает повреждения ДНК и другие клеточные дефекты, повышая долгосрочный риск развития рака.

Эксперимент с близнецами NASA

Ярким примером воздействия космоса на организм человека стал эксперимент NASA с близнецами Скоттом и Марком Келли. Скотт Келли провел на борту МКС 340 дней, тогда как его брат Марк оставался на Земле.

Исследователи зафиксировали значительные изменения у Скотта:

• Изменения в работе генов;
• Модификация кишечной микрофлоры;
• Удлинение теломер — защитных «колпачков» на концах хромосом, обычно ассоциируемое с молодостью.

Часть изменений исчезла после возвращения на Землю, но некоторые, включая сбои в экспрессии генов, сохранялись длительное время.

Космос и стволовые клетки крови

Несмотря на обширные исследования, долгое время оставалось неясным, как стареют гемопоэтические стволовые клетки крови, отвечающие за обновление организма и работу иммунной системы.

Американская команда под руководством Катрионы Джеймисон (Catriona Jamieson) из Калифорнийского университета в Сан-Диего, совместно со специалистами компании Space Tango, провела серию экспериментов на МКС, сосредоточив внимание на гемопоэтических стволовых и прогениторных клетках — первоисточниках всех клеток крови и иммунитета.

Эксперименты на МКС с использованием нанобиореакторов

Стволовые клетки отправлялись в космос с четырьмя миссиями SpaceX Commercial Resupply Services. Для экспериментов использовались миниатюрные трехмерные биосенсоры — нанобиореакторы, позволяющие выращивать человеческие стволовые клетки в условиях микрогравитации.

Ученые наблюдали за поведением клеток в реальном времени с помощью систем на основе искусственного интеллекта. Продолжительность воздействия микрогравитации составила 32–45 дней, за которые клетки показали признаки ускоренного старения:

• Снижение способности к продукции здоровых новых клеток;
• Переход в гиперактивное состояние, сжигание энергетических запасов;
• Потеря ключевой функции — способности к восстановлению и отдыху, необходимой для долгосрочной регенерации тканей.

(A) Схема эксперимента. Стволовые клетки выращивали в специальных нанобиореакторах (сверху) на борту МКС во время четырех миссий SpaceX (SpX-24, SpX-25, SpX-26, SpX-27). Длительность экспериментов составила от 32 до 45 дней. После возвращения на Землю с клетками провели ряд анализов; (B) Система для эксперимента. Эксперименты проводили в автоматизированном модуле CubeLab, который оснащён системой терморегуляции, микроскопом для съёмки (TangoScope) и системой подачи питательной среды к клеткам; (C) и (D) Наблюдение за клеточным циклом на орбите. Клетки пометили флуоресцентными метками (FUCCI2BL), чтобы можно было в реальном времени наблюдать за их делением прямо в нанобиореакторе; (E и F) Анализ деления клеток. На графиках показана интенсивность свечения красных и зеленых меток (что соответствует количеству клеток в разных фазах цикла) в экспериментальных (на МКС) и контрольных (на Земле) биореакторах на протяжении всей миссии; (G–L) Анализ выживаемости и способности к самообновлению после полета / © Catriona Jamieson

Молекулярные изменения

На уровне молекул были обнаружены:

1. Рост повреждений ДНК;
2. Укорочение теломер — признака старения;
3. Стресс и воспаление в митохондриях;
4. Активация «спящих» участков генома, что нарушает стабильность ДНК и ослабляет иммунный ответ.

Эти изменения повышают риск ослабления иммунитета и развития онкологических заболеваний.

Обнадеживающие результаты и перспективы

Когда «состарившиеся» в космосе клетки возвращали в здоровую лабораторную среду, часть повреждений начала восстанавливаться. Это открывает путь для разработки фармакологических и генетических методов, способных «омолаживать» пострадавшие клетки и защищать организм во время длительных космических миссий.

Результаты работы опубликованы в журнале Cell Stem Cell, подчеркивая значимость исследований для космической медицины и клеточной биологии.