Мышцы астронавтов атрофируются в космосе, но можно определить гены, которые в этом участвуют. Системы Muscle-on-chip представляют собой трехмерные пучки человеческих мышечных клеток, культивируемые на коллагеновых каркасах. Исследовательская группа Стэнфордского университета отправила некоторые из этих систем на Международную космическую станцию для изучения атрофии мышц, которая часто наблюдается у астронавтов.
Оказывается, космос запускает процессы в мышцах человека, которые пугающе напоминают то, что мы очень хорошо знаем: старение. «Мы узнали, что микрогравитация имитирует некоторые качества ускоренного старения», — сказал Нган Ф. Хуанг, доцент Стэнфордского университета, который руководил исследованием.
«Эта работа берет начало в опыте нашей лаборатории в области регенеративной медицины и тканевой инженерии. Мы получили финансирование для проведения эксперимента по тканевой инженерии на МКС, что действительно помогло нам отправиться в это путешествие, и нам стало интересно, как микрогравитация влияет на здоровье человека», — сказал Хуан. Поэтому ее команда занялась проектированием исследовательского оборудования, необходимого для работы на борту космической станции. Первым шагом было создание систем «мышцы на чипе».
«Многое из того, что было известно о том, как космос влияет на мышцы, было собрано путем изучения астронавтов или изучения животных, таких как мыши, помещенных в условия микрогравитации для исследовательских целей», — сказал Хуан. «В некоторых случаях также были культивированные in vitro клетки на чашке Петри — что-то очень простое. Мы хотели получить что-то более структурно сложное». Ее команда разработала платформу «мышцы на чипе», в которой человеческие миотубы, клетки, которые организуются в длинные параллельные пучки, которые в конечном итоге становятся мышечными волокнами в живом организме, выращивались на коллагеновых каркасах. Цель состояла в том, чтобы сделать так, чтобы образцы лучше имитировали настоящие мышцы. Но это было сопряжено с проблемой: сохранить их живыми на МКС.
«Когда мы выращиваем клетки на Земле, мы выливаем среду — по сути, жидкость с питательными веществами, которые позволяют клеткам расти — поверх клеток, и все в порядке», — сказал Хуан. «Но в космосе, в отсутствие гравитации, нам нужна была закрытая, герметичная, плотно запечатанная камера. Среда там плескалась».
Уровни кислорода и углекислого газа поддерживались с помощью проницаемых мембран. Смена среды была сложной процедурой, включающей шприцы и небольшие специально разработанные порты. Но в конечном итоге установка и запуск всех этих приспособлений стоили того.
У команды Хуана было два набора систем «мышца на чипе»: один на земле и один на МКС. Идея исследования заключалась в сравнении генов, которые были повышены или понижены в каждом наборе образцов. Оказалось, что многие гены, связанные со старением, показали свою активность в условиях микрогравитации.
Этот результат подтвердился, когда команда проанализировала среду, которая была взята после того, как клетки выросли в ней. «Цель состояла в том, чтобы идентифицировать белки, выделяемые клетками, которые связаны с микрогравитацией. Среди них наиболее заметным был GDF15, который имеет отношение к различным заболеваниям, в частности, к митохондриальной дисфункции или старению», — сказал Хуан.
В целом состояние клеток на МКС было несколько похоже на саркопению , болезнь, связанную с возрастной потерей мышечной массы. «Были некоторые сходства, но также было много различий. Причина, по которой мы не сделали саркопению основным фокусом этого исследования, заключается в том, что мы знаем, что наша система мышц на чипе является моделью. Это в основном мышечные клетки на каркасе. У нее нет кровеносных сосудов или нервов. Сравнивать это с клиническими, реальными образцами мышц немного сложно, поскольку это не сравнение яблок с яблоками», — сказал Хуан.
Тем не менее, ее команда продолжила использовать образцы мышц-на-чипе ISS для проведения концептуальных скрининговых тестов на наркотики. Среди протестированных ими препаратов были и те, что используются для лечения саркопении, а также других заболеваний.
«Одним из протестированных нами препаратов был [белок] IGF 1, который является фактором роста, естественным образом присутствующим в организме в различных тканях, особенно в мышцах. При травме IGF 1 активируется в организме, чтобы инициировать регенерацию мышц. Кроме того, IGF 1 имеет тенденцию снижаться в стареющих мышцах», — сказал Хуан. Вторым протестированным препаратом был 15-PGDH-i, относительно новый ингибитор ферментов, которые препятствуют процессу регенерации мышц. Используемые на мышцах-на-чипе на МКС, препараты частично уменьшили некоторые эффекты, связанные с микрогравитацией.
«Одним из ограничений этой работы было то, что на МКС микрогравитация также сопровождается другими факторами, такими как ионизирующее излучение, и трудно отделить одно от другого», — сказал Хуан. Пока неясно, были ли эффекты, наблюдаемые в образцах МКС, вызваны радиацией, отсутствием гравитации, обоими факторами или каким-то дополнительным фактором. Команда Хуана планирует провести аналогичные эксперименты на Земле в условиях имитации микрогравитации. «С помощью некоторого специализированного оборудования, которое мы недавно приобрели, можно рассматривать только эффекты микрогравитации», — сказал Хуан. Эти эксперименты направлены на тестирование более широкого спектра препаратов.
«Причина, по которой мы проводим этот скрининг лекарств, заключается в разработке лекарств, которые можно было бы принимать либо заранее, либо во время полета, чтобы противодействовать атрофии мышц. Это, вероятно, было бы более осуществимо, легче и дешевле, чем заниматься концепциями искусственной гравитации», — сказал Хуан. Наиболее перспективные кандидаты на лекарства, отобранные в ходе этих наземных экспериментов, будут испытаны на системах «мышцы на чипе» Хуана на борту МКС в 2025 году.
