Celulele musculare umane se întorc din spațiu, par îmbătrânite

Punând niște mușchi în ea –

Mușchii astronauților se atrofiază în spațiu, dar putem identifica genele implicate.

Sistemele de mușchi pe cip sunt mănunchiuri de celule musculare umane tridimensionale cultivate pe schele de colagen. O echipă de cercetare a Universității Stanford a trimis unele dintre aceste sisteme la Stația Spațială Internațională pentru a studia atrofia musculară observată în mod obișnuit la astronauți.

Se pare că spațiul declanșează procese în mușchii umani care seamănă ciudat cu ceva ce știm foarte bine: îmbătrânirea. „Am aflat că microgravitația imită unele dintre calitățile îmbătrânirii accelerate”, a spus Ngan F. Huang, profesor asociat la Stanford, care a condus studiul.

Bioconstrucții transportate în spațiu

„Această muncă provine din experiența laboratorului nostru în medicina regenerativă și ingineria țesuturilor. Am primit finanțare pentru a face un experiment de inginerie tisulară pe ISS, care ne-a ajutat cu adevărat să ne angajăm în această călătorie și am devenit curioși cum afectează microgravitația sănătatea umană”, a spus Huang. Așa că echipa ei s-a ocupat cu proiectarea echipamentului de cercetare necesar pentru a lucra la bordul stației spațiale. Primul pas a fost construirea sistemelor de mușchi pe cip.

„O mulțime din ceea ce se știa despre modul în care spațiul afectează mușchii a fost adunat prin studierea astronauților sau studierea animalelor precum șoarecii puse în microgravitație în scopuri de cercetare”, a spus Huang. „În unele cazuri, au existat și celule cultivate in vitro pe o placă Petri – ceva foarte elementar. Am vrut să avem ceva mai complex structural.” Echipa ei a dezvoltat o platformă de mușchi pe cip în care miotuburi umane, celule care se organizează în mănunchiuri paralele lungi care devin în cele din urmă fibre musculare într-un organism viu, au fost cultivate pe schele de colagen. Scopul a fost ca mostrele să emuleze mai bine mușchii reali. Dar asta a venit cu o provocare: menținerea lor în viață pe ISS.

„Când creștem celule pe Pământ, turnăm mediul – practic un lichid cu nutrienți care permit celulelor să crească – peste celule și totul este în regulă”, a spus Huang. „Dar în spațiu, în absența gravitației, aveam nevoie de o cameră închisă, rezistentă la scurgeri și etanș. Medium-ul a fost aruncat acolo.”

Nivelurile de oxigen și dioxid de carbon au fost menținute cu membrane permeabile. Schimbarea mediului a fost o procedură complicată care a implicat seringi și porturi mici, proiectate la comandă. Dar a meritat până la urmă să punem în funcțiune toate aceste gadgeturi.

Genele de atrofie

Echipa lui Huang avea două seturi de sisteme de mușchi pe cip: unul la sol și unul pe ISS. Ideea studiului a fost de a compara genele care au fost reglate în sus sau în jos în fiecare set de probă. S-a dovedit că multe gene asociate cu îmbătrânirea și-au văzut activitatea crescând în condiții de microgravitație.

Acest rezultat a fost confirmat atunci când echipa a analizat mediul care a fost scos după ce celulele au crescut în el. „Scopul a fost de a identifica proteinele eliberate de celule care au fost asociate cu microgravitația. Printre acestea, cel mai notabil a fost GDF15, care este relevant pentru diferite boli, în special disfuncția mitocondrială sau senescența”, a spus Huang.

În general, starea celulelor de pe ISS a fost oarecum similară cu sarcopenie, o boală de pierdere musculară legată de vârstă. „Au fost unele asemănări, dar și multe diferențe. Motivul pentru care nu am făcut din sarcopenia principalul obiectiv al acestui studiu este că știm că sistemul nostru de mușchi pe cip este un model. Este vorba în principal de celule musculare pe o schelă. Nu are vase de sânge sau nervi. Compararea acestora cu mostrele clinice, reale de mușchi este puțin complicată, deoarece nu se compară merele cu mere”, a spus Huang.

Cu toate acestea, echipa ei a continuat să-și folosească mostrele ISS de mușchi pe cip pentru a efectua teste de depistare a drogurilor cu dovadă de concept. Medicamentele pe care le-au testat le-au inclus pe cele utilizate pentru tratarea sarcopeniei, printre alte afecțiuni.

Droguri spațiale

„Unul dintre medicamentele pe care le-am testat a fost [protein] IGF 1, care este un factor de creștere care se găsește în mod natural în organism în diferite țesuturi, în special în mușchi. Când există o leziune, IGF 1 se activează în interiorul corpului pentru a iniția regenerarea musculară. De asemenea, IGF 1 tind să fie scăzut în mușchii îmbătrâniți”, a spus Huang. Al doilea medicament testat a fost 15-PGDH-i, un inhibitor relativ nou al enzimelor care împiedică procesul de regenerare musculară. Folosite pe mușchii pe cip de pe ISS, medicamentele au redus parțial unele dintre efectele legate de microgravitație.

„Una dintre limitările acestei lucrări a fost că pe ISS, microgravitația este, de asemenea, însoțită de alți factori, cum ar fi radiațiile ionizante, și este greu de disociat unul de celălalt”, a spus Huang. Încă nu este clar dacă efectele observate în probele ISS s-au datorat radiațiilor, lipsei gravitației, ambelor sau vreun factor suplimentar. Echipa lui Huang intenționează să facă experimente similare pe Pământ în condiții de microgravitație simulate. „Cu unele dintre echipamentele specializate pe care le-am achiziționat recent, este posibil să ne uităm doar la efectele microgravitației”, a spus Huang. Aceste experimente au ca scop testarea unei game mai largi de medicamente.

„Motivul pentru care facem acest screening de droguri este să dezvoltăm medicamente care ar putea fi luate fie preventiv, fie în timpul zborului, pentru a contracara atrofia musculară. Probabil că ar fi mai fezabil, mai ușor și mai ieftin decât să faci concepte de gravitație artificială”, a spus Huang. Cele mai promițătoare medicamente candidate selectate în aceste experimente la sol vor fi testate pe sistemele de mușchi pe cip al lui Huang de la bordul ISS în 2025.

Rapoarte despre celule stem, 2024. DOI: 10.1016/j.stemcr.2024.06.010