В результате значительного научного прогресса, объединяющего космические исследования и неврологию, ученые обнаружили, что клетки человеческого мозга развиваются по-другому в невесомой среде космоса по сравнению с Землей. Хотя ученым давно известно, что микрогравитация влияет на мышцы, кости, иммунную систему и способность к мышлению, до сих пор мало что было известно о ее специфическом воздействии на мозг. Исследование проливает новый свет на наше понимание того, как человеческий мозг адаптируется во время космических путешествий, и может даже предложить новые перспективы для изучения неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и рассеянный склероз.
Исследование, опубликованное в журнале Stem Cells Translational Medicine, документирует первое успешное выращивание и анализ моделей тканей человеческого мозга — так называемых нейроорганоидов — на Международной космической станции (МКС). Эти трехмерные кластеры клеток мозга диаметром в несколько сотен микрометров провели 30 дней на орбите на высоте около 400 километров над поверхностью Земли в условиях, которые ученые называют микрогравитацией.
Исследовательская группа создала эти органоиды, используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (iPSC) — взрослые клетки, которые были перепрограммированы для восстановления способности развиваться в различные типы клеток. Они создали два разных вида нейронных органоидов: одни содержали клетки, похожие на те, что находятся в коре головного мозга (внешний слой, участвующий в мышлении и памяти), а другие — дофамин-продуцирующие нейроны, которые обычно поражаются при болезни Паркинсона.
В исследование были включены клетки четырех человек — двух здоровых доноров и двух пациентов с неврологическими заболеваниями (один с болезнью Паркинсона и один с первичным прогрессирующим рассеянным склерозом). Чтобы сделать модели более комплексными, ученые добавили в половину органоидов иммунные клетки, называемые микроглиями, чтобы проследить, как иммунная система мозга может функционировать в космической среде.
Ключевым новшеством стал метод, разработанный для поддержания этих хрупких структур во время космического полета. Органоиды обычно выращивают в богатой питательными веществами жидкости, которую необходимо регулярно менять для обеспечения питания и удаления продуктов жизнедеятельности. Чтобы избежать необходимости проведения лабораторных работ на МКС, исследовательская группа разработала метод выращивания органоидов меньшего размера, чем обычно, в криовиалах — небольших герметичных контейнерах, изначально предназначенных для глубокой заморозки. Каждый органоид был запечатан в пробирку, содержащую один миллилитр специально разработанной среды для роста.
Органоиды были подготовлены в лабораториях в Космическом центре имени Кеннеди и отправлены на МКС в миниатюрном инкубаторе. «Тот факт, что эти клетки выжили в космосе, стал большим сюрпризом», — говорит Жанна Лоринг, доктор философии, заслуженный профессор кафедры молекулярной медицины и директор-основатель Центра регенеративной медицины Scripps Research.
При анализе вернувшихся органоидов ученые обнаружили явные различия между выращенными в космосе образцами и их земными аналогами. «Мы обнаружили, что в обоих типах органоидов профиль экспрессии генов был характерен для более ранней стадии развития, чем у тех, что были на земле», — говорит Лоринг. «В условиях микрогравитации они развивались быстрее, но важно знать, что это были не взрослые нейроны, так что это ничего не говорит нам о старении».
Исследовательская группа обнаружила, что после возвращения на Землю эти клетки, помещенные в лабораторную посуду, продемонстрировали свою жизнеспособность, раздвинув сети соединительных волокон, называемых нейритами. Вопреки ожиданиям, анализ показал минимальные признаки клеточного стресса или воспаления в органоидах, выращенных в космосе, — более того, воспаление было меньше, а экспрессия генов, связанных со стрессом, была ниже по сравнению с образцами, выращенными на Земле.
Исследование выявило изменения в путях клеточной коммуникации, в частности в сигнальной системе Wnt, которая играет фундаментальную роль в развитии мозга. Ученые также наблюдали изменения в белках, секретируемых клетками в окружающую среду, хотя эти изменения варьировались между различными типами органоидов.
Примечательно, что на эти клеточные изменения, по-видимому, в первую очередь повлияла микрогравитационная среда, а не космическая радиация. Облучение во время 30-дневной миссии составило около 12 миллирентген — сравнимо с тем, что могут испытать члены экипажей самолетов за аналогичный период дальних перелетов.
Почему клетки мозга могут развиваться по-другому в космосе? «Характеристики микрогравитации, вероятно, действуют и на мозг людей, потому что в микрогравитации нет конвекции — другими словами, ничего не движется», — говорит Лоринг. «Я думаю, что в космосе эти органоиды больше похожи на мозг, потому что в них не попадает большое количество культуральной среды или кислорода. Они очень независимы; они образуют что-то вроде мозгового клубка, микрокосма мозга».
Эти результаты способствуют как исследованиям в области освоения космоса, так и потенциальному применению в медицине. Понимание того, как клетки мозга реагируют на микрогравитацию, может помочь разработать стратегии поддержания здоровья космонавтов во время длительных космических полетов. Кроме того, изучение того, как по-разному развиваются эти клетки в космосе, может открыть новые перспективы для изучения неврологических заболеваний на Земле.
Этот первый успех проложил путь для дальнейших исследований. С момента первой миссии и до публикации этих результатов команда ученых выполнила еще четыре миссии на МКС, каждая из которых основывалась на первоначальных выводах и добавляла новые экспериментальные условия. В будущих исследованиях будут изучены области мозга, пораженные болезнью Альцгеймера, и исследованы потенциальные различия в том, как нейроны соединяются друг с другом в космосе.
«В таких исследованиях нельзя полагаться на предыдущие работы, чтобы предсказать, каким будет результат, потому что предыдущих работ не существует», — отмечает Лоринг.
Читайте все последние новости космонавтики на New-Science.ru
