Благодаря значительному прогрессу в науке, сочетающему космические исследования и неврологию, исследователи выяснили, что в условиях микрогравитации клетки мозга человека развиваются иначе, чем на Земле. Известно, что микрогравитация оказывает влияние на мышцы, кости, иммунную систему и когнитивные функции, однако до недавнего времени степень ее воздействия на мозг оставалась малоизученной. Данное исследование расширяет представления о механизмах адаптации человеческого мозга во время космических полетов и может открыть новые возможности для изучения неврологических расстройств, включая болезнь Паркинсона и рассеянный склероз.
В журнале Stem Cells Translational Medicine было опубликовано исследование, в котором описано первое успешное создание и изучение моделей тканей человеческого мозга, известных как нейроорганоиды, на борту Международной космической станции (МКС). Эти трехмерные структуры из клеток мозга, достигающие нескольких сотен микрометров в диаметре, находились в условиях микрогравитации на высоте примерно 400 километров над Землей в течение 30 дней.
Используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (iPSC) – взрослые клетки, подвергнутые перепрограммированию для возвращения способности к развитию в различные типы клеток, – исследовательская группа создала эти органоиды. Были созданы два типа нейронных органоидов: одни содержали клетки, схожие с клетками коры головного мозга (область, отвечающая за мышление и память), а другие – нейроны, производящие дофамин, которые часто поражаются при болезни Паркинсона.
В исследовании приняли участие клетки, полученные от четырех человек: двух здоровых доноров и двух пациентов с неврологическими расстройствами — одного с болезнью Паркинсона и одного с первичным прогрессирующим рассеянным склерозом. Для повышения реалистичности моделей ученые добавили иммунные клетки, известные как микроглия, в половину органоидов, чтобы изучить особенности функционирования иммунной системы мозга в условиях космоса.
Разработка нового метода, предназначенного для сохранения этих деликатных структур в условиях космического полета, стала важным достижением. Обычно органоиды культивируют в питательной среде, требующей регулярной замены для обеспечения питания и выведения отходов. Чтобы исключить необходимость проведения лабораторных процедур на МКС, исследователи создали способ выращивания органоидов, отличающихся меньшим размером, в криовиалах — небольших герметичных емкостях, изначально используемых для глубокой заморозки. Каждый органоид был помещен в пробирку, содержащую один миллилитр специально подготовленной питательной среды.
В лабораториях Космического центра имени Кеннеди были созданы органоиды, которые затем доставили на МКС в компактном инкубаторе. « Выживание этих клеток в условиях космоса стало неожиданным открытием », — отмечает Жанна Лоринг, доктор философии, заслуженный профессор кафедры молекулярной медицины и основатель и директор Центра регенеративной медицины Scripps Research.
В ходе исследования возвращенных органоидов ученые выявили заметные различия между образцами, выращенными в космосе, и их аналогами, полученными на Земле. « Анализ показал, что экспрессия генов в обоих типах органоидов соответствовала более ранней стадии развития по сравнению с таковой у образцов, полученных из земли », — говорит Лоринг. «В условиях микрогравитации нейроны развивались ускоренно, однако стоит учитывать, что это были не зрелые клетки, поэтому данный факт не позволяет делать выводы о процессах старения ».
После возвращения на Землю эти клетки, помещенные в лабораторную посуду, показали способность к выживанию, формируя разветвленные отростки – нейриты. Анализ, проведенный исследователями, выявил незначительные признаки клеточного стресса или воспаления в органоидах, выращенных в условиях космоса. Более того, уровень воспаления оказался ниже, а экспрессия генов, ответственных за клеточный стресс, была меньше, чем у образцов, полученных при выращивании на Земле.
В ходе исследования были обнаружены модификации в механизмах клеточного взаимодействия, в том числе в сигнальном пути Wnt, имеющем ключевое значение для развития мозга. Кроме того, исследователи зафиксировали изменения в белках, выделяемых клетками в окружающую среду, однако эти изменения различались в зависимости от типа органоидов.
По всей видимости, клеточные изменения в большей степени были вызваны воздействием микрогравитации, а не космической радиацией. Полученная в ходе 30-дневной миссии доза облучения составила приблизительно 12 миллирентген, что сопоставимо с воздействием, которое испытывают члены экипажей во время аналогичных по продолжительности дальних авиаперелетов.
Как меняется развитие клеток мозга в условиях космического пространства? « Вероятно, мозг людей также подвержен влиянию микрогравитации, поскольку в условиях её проявления отсутствует конвекция, то есть отсутствует движение жидкостей », — говорит Лоринг. «По моему мнению, в условиях космоса эти органоиды проявляют свойства, напоминающие структуру мозга, поскольку они испытывают дефицит культуральной среды и кислорода. Они обладают высокой степенью автономности и формируют структуры, схожие с мозговыми клубками, представляя собой миниатюрные модели мозга ».
Полученные данные имеют значение как для исследований в космической сфере, так и для потенциального использования в медицине. Изучение реакции клеток мозга на микрогравитацию может способствовать созданию методов поддержания здоровья космонавтов во время продолжительных миссий. Дополнительно, анализ особенностей развития этих клеток в условиях космоса может предоставить новые возможности для изучения неврологических расстройств на Земле.
Первый успех открыл возможности для последующих исследований. После первой миссии и до момента публикации результатов ученые провели еще четыре миссии на МКС, каждая из которых опиралась на полученные ранее данные и включала новые экспериментальные условия. В дальнейшем планируется изучить области мозга, затронутые болезнью Альцгеймера, а также исследовать возможные отличия в способах соединения нейронов в условиях космического полета.
«В подобных исследованиях невозможно прогнозировать результаты, опираясь на предыдущий опыт, поскольку аналогичных исследований ранее не проводилось », — отмечает Лоринг.