Мышечная атрофия – один из множества побочных эффектов длительного пребывания в условиях микрогравитации, хорошо знакомый астронавтам МКС. В рамках нового исследования учёные узнали, что в космосе человеческие мышцы переживают процесс, чрезвычайно близкий к ускоренному биологическому старению.
В ходе продолжительных миссий на МКС астронавты испытывают разнообразные осложнения, включая потерю костной и мышечной массы. Изучению механизмов развития подобных негативных эффектов микрогравитации и способов борьбы с ними уже посвящено немало исследований, ведь в рамках миссий по освоению Луны и Марса будет ещё важнее поддерживать состояние организма астронавтов в порядке. Для более детального исследования этой темы учёные из Стэнфордского университета разработали так называемые «мышцы на чипе» – имитацию человеческой мускулатуры из мышечных клеток, выращенных на коллагеновых каркасах.
До недавнего времени всю информацию о том, как невесомость влияет на мышцы, учёные собирали, обследуя астронавтов или мелких животных после длительного пребывания на МКС. Кроме того, исследователи использовали культивированные in vitro в чашке Петри клетки. Однако в рамках нового исследования команда биологов из Стэнфордского университета решила использовать более сложные структурно клеточные структуры, которые могли бы более наглядно отобразить, что происходит с мышцами в условиях микрогравитации. Так, основой «мышц на чипе» выступили миотубы – мышечные трубки, клетки, которые организуются в длинные параллельные связки, образуя мышечные волокна. Благодаря коллагеновому каркасу они более качественно имитировали настоящие мышцы и их поведение.
Самой большой сложностью данного проекта было создание системы поддержания жизнедеятельности клеточных культур на МКС. На Земле клетки живут в открытых сосудах с жидкой питательной средой, но в невесомости их пришлось поместить в герметичные контейнеры. Природные уровни кислорода и углекислого газа контролировались при помощи проницаемых мембран, а замену и обновление питательной среды учёные проводили посредством специальных мини-портов и шприцев.
Исследователи создали два набора «мышц на чипе»: один отправился на МКС, а второй стал контрольным образцом, оставшись на Земле. Задумка эксперимента состояла в том, чтобы сравнить активность генов в каждом из образцов. Как оказалось, условия микрогравитации усилили в клетках активность генов, которые ассоциируются со старением. Анализируя питательную среду, в которой хранились образцы с МКС, учёные обнаружили ряд белков, производимых клетками, включая GDF15. Его синтез клетками мышц связывают с рядом заболеваний и патологических состояний, а именно, с митохондриальной дисфункцией и старением. По словам авторов исследования, в целом состояние клеток, побывавших в космосе, напоминало саркопению – возрастное дегенеративное изменение скелетной мускулатуры, проявляющееся в потере массы и силы мышц.
Хотя «мышцы на чипе» не являются полноценной имитацией мышечных структур за неимением кровеносных сосудов и нервов, исследователи всё же взяли их за основу для тестирования медицинских препаратов против преждевременного старения клеток. Среди прочего учёные испытали, как на мышечные клетки, «постаревшие» за время пребывания на МКС, влияет:
- белок IGF1 – фактор роста, инициирующий регенерацию мышечных тканей при травмах,
- ингибитор ферментов 15-PGDH-i, который угнетает активность ферментов, тормозящих восстановление мышц,
- препараты, которые применяют для лечения саркопении и др.
Многие кандидаты показали перспективные результаты, ограничив выраженность побочных эффектов, связанных с воздействием на мышцы условий невесомости. В будущем подобные препараты могут лечь в основу терапии для профилактики космической мышечной атрофии. К слову, в 2025 году в рамках нового этапа исследования на МКС отправится новая порция «мышц на чипе», которой предстоит испытать на себе действие наиболее эффективных препаратов, выделенных в ходе экспериментов на Земле.
Источник: Skeletal muscle-on-a-chip in microgravity as a platform for regeneration modeling and drug screening / Soochi Kim et al.