Микрогравитация ускорила старение стволовых клеток

С того самого дня, как Юрий Гагарин совершил первый виток вокруг Земли, медики и ученые изучают влияние космической среды на организм человека. Авторы ряда исследований доказали, что космос — враждебная для людей среда. Микрогравитация приводит к ослаблению мышц и потере костной массы, поскольку мышцы и кости лишаются обычной механической нагрузки, которая поддерживает их структуру и функцию. Космическая радиация вызывает повреждения ДНК и другие клеточные повреждения, что повышает долгосрочный риск развития рака.

Это подтвердил знаменитый эксперимент NASA с участием близнецов Скотта и Марка Келли. Астронавт Скотт Келли провел на МКС 340 дней, в то время как его брат-близнец Марк оставался на Земле.

Ученые наблюдали за изменениями в организме Скотта и выяснили, что в условиях микрогравитации меняется работа генов, кишечная микрофлора и длина теломер — защитных колпачков на концах хромосом. Теломеры удлинялись, что обычно ассоциируется с молодостью. Часть изменений исчезла после возвращения на Землю, но некоторые сохранились, включая сбои в работе генов.

Позже команда исследователей из Space Omics and Medical Atlas опубликовала 44 научные статьи по космической биологии. Ученые подтвердили, что космос действует на организм не только через перегрузки и стресс, но и на клеточном уровне. Однако до сих пор не хватало прямых данных о том, как именно стареют стволовые клетки крови, отвечающие за обновление организма и работу иммунной системы.

Долгий космический полет «раздувает» структуры мозга Ученые обнаружили, что длительное пребывание в условиях микрогравитации вызывает расширение желудочков головного мозга. На восстановление их обычных размеров уходит около трех лет после возвращения… naked-science.ru

Чтобы это выяснить, американские исследователи под руководством Катрионы Джеймисон (Catriona Jamieson) из Калифорнийского университета в Сан-Диего вместе со специалистами компании Space Tango провели серию экспериментов на борту Международной космической станции. Ученые сфокусировали внимание на гемопоэтических стволовых и прогениторных клетках — это первоисточники всех клеток крови и иммунной системы. От их здоровья напрямую зависит способность организма восстанавливаться и противостоять болезням.

Джеймисон и ее коллеги отправили эти клетки в космос с четырьмя миссиями SpaceX Commercial Resupply Services по доставке груза на МКС. Для этого они использовали миниатюрные трехмерные биосенсоры — «нанобиореакторы», которые позволяли выращивать человеческие стволовые клетки крови в условиях микрогравитации. Специалисты наблюдали за экспериментом в режиме реального в режиме с помощью инструментов на основе искусственного интеллекта.

В космосе стволовые клетки подвергались воздействию от 32 до 45 дней. За это время они показали признаки ускоренного старения, иными словами, начинали вести себя так, будто организм прожил годы. Клетки потеряли способность производить здоровые новые клетки в прежнем объеме. Вместо этого они перешли в гиперактивное состояние, сжигали свои энергетические резервы и теряли ключевую способность — отдыхать и восстанавливаться. Именно способность к покою позволяет стволовым клеткам функционировать и регенерировать ткани на протяжении всей жизни.

(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

На молекулярном уровне ученые заметили рост повреждений ДНК и укорочение теломер — одного из главных признаков старения. Внутри митохондрий, энергетических станций клетки, появились явные признаки стресса и воспаления.

Интересно, что во время эксперимента активизировались «спящие» участки генома. Обычно некоторые участки ДНК «молчат» и ничего не делают — это важно для стабильности генома. Но в стареющих клетках они могут активироваться: начинают активно использоваться клеткой для синтеза молекул РНК, что мешает нормальной работе клетки и может вызывать дополнительные проблемы. Это ослабляет иммунный ответ и повышает риск развития онкологических заболеваний.

Авторы исследования сообщили и об обнадеживающем результате. Когда ученые вернули «состарившиеся» в космосе клетки в молодую, здоровую среду в лаборатории, часть повреждений начала обращаться вспять. Это открывает перспективы для разработки фармацевтических или генетических методов, которые смогут «омолаживать» пострадавшие клетки и защищать человека во время длительных миссий.

Научная работа опубликована в журнале Cell Stem Cell.