Полет в космос, продолжающийся длительное время, способен оказывать на организм более существенное воздействие, чем ранее считалось. Новое исследование продемонстрировало, что всего лишь несколько недель, проведенных на орбите, запускают неблагоприятные для здоровья изменения, которые в обычных условиях развивались бы в течение многих лет.
С момента, когда Юрий Гагарин впервые совершил облет Земли, врачи и ученые проводят изучение воздействия космической среды на человеческий организм. В ряде работ, проведенных исследователями доказали, что космос представляет собой неблагоприятную для человека среду. Микрогравитация приводит к ослаблению мышц и потере костной массы, поскольку мышцы и кости лишаются обычной механической нагрузки, которая поддерживает их структуру и функцию. Космическая радиация вызывает повреждения ДНК и другие клеточные повреждения, что повышает долгосрочный риск развития рака.
Это подтвердил знаменитый эксперимент NASA с участием близнецов Скотта и Марка Келли. Астронавт Скотт Келли провел на МКС 340 дней, в то время как его брат-близнец Марк оставался на Земле.
Наблюдения за состоянием организма Скотта позволили ученым установить, что в условиях микрогравитации происходят изменения в работе генов, составе кишечной микрофлоры и длине теломер – защитных структур на концах хромосом. Длина теломеров увеличивалась, что, как правило, указывает на процессы, связанные с омоложением. После возвращения на Землю некоторые из этих изменений исчезли, однако некоторые из них, в том числе и нарушения в работе генов, сохранились.
Позже группа ученых из Space Omics and Medical Atlas опубликовала в результате анализа было опубликовано 44 научных работы, посвященных космической биологии. Исследования показали, что космическая среда влияет на организм не только посредством перегрузок и стрессовых факторов, но и на клеточном уровне. Ранее отсутствовали непосредственные сведения о механизмах старения стволовых клеток крови, которые играют ключевую роль в обновлении организма и функционировании иммунной системы.
Для выяснения этого американские ученые во главе с Катрионой Джеймисон ( Catriona Jamieson) исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего в сотрудничестве со специалистами компании Space Tango осуществили ряд экспериментов на Международной космической станции. В центре внимания ученых оказались гемопоэтические стволовые и прогениторные клетки, являющиеся основой для формирования всех клеток крови и иммунной системы. Состояние здоровья этих клеток напрямую влияет на способность организма к регенерации и защите от заболеваний.
Эти клетки были отправлены в космос Джеймисон и ее командой в рамках четырех миссий SpaceX Commercial Resupply Services, осуществлявших доставку грузов на МКС. Для проведения исследований использовались миниатюрные трехмерные биосенсоры, известные как «нанобиореакторы», которые позволили выращивать человеческие стволовые клетки крови в условиях микрогравитации. В режиме реального времени специалисты наблюдали за ходом эксперимента, используя инструменты, основанные на искусственном интеллекте.
В условиях космоса стволовые клетки находились под воздействием от 32 до 45 дней. В течение этого периода было отмечено проявление признаков ускоренного старения, что выражалось в изменении их поведения, имитирующем признаки многолетней жизни организма. Клетки утратили прежнюю эффективность в производстве новых, здоровых клеток. Вместо этого они начали проявлять повышенную активность, потребляя запасы энергии и теряя важную функцию – способность к отдыху и восстановлению. Данная способность к покою обеспечивает функционирование стволовых клеток и регенерацию тканей на протяжении всей жизни.
На клеточном уровне исследователи зафиксировали увеличение повреждений ДНК и сокращение теломеров, что является одним из ключевых индикаторов старения. В митохондриях, выполняющих роль энергетических центров клетки, были выявлены очевидные признаки стресса и воспалительных процессов.
Во время эксперимента было зафиксировано активирование ранее неактивных участков генома. Обычно некоторые участки ДНК находятся в состоянии покоя и не проявляют активности – это необходимо для поддержания стабильности генома. Однако в стареющих клетках эти участки могут начать функционировать: они активно используются клеткой для синтеза молекул РНК, что нарушает её нормальную работу и способно приводить к дополнительным проблемам. Это негативно сказывается на иммунной системе и увеличивает вероятность возникновения онкологических заболеваний.
В ходе исследования были получены и обнадеживающие результаты. После того, как ученые поместили клетки, подвергшиеся старению в условиях космоса, в лабораторную среду, способствующую восстановлению, часть полученных повреждений начала регрессировать. Это создает возможности для создания лекарственных или генетических подходов, которые позволят «омолаживать» поврежденные клетки и обеспечивать защиту человека во время продолжительных космических полетов.
Научная работа опубликована в журнале Cell Stem Cell.