Cell: космические полеты ускоряют старение стволовых клеток человека

Фото из открытых источников

Исследователи из Института стволовых клеток имени Сэнфорда при Калифорнийском университете в Сан-Диего обнаружили, что космические полеты ускоряют старение гемопоэтических стволовых и прогениторных клеток человека (HSPC), которые жизненно важны для здоровья крови и иммунной системы.

В исследовании, опубликованном в журнале Cell Stem Cell, группа использовала автоматизированные нанобиореакторные системы отслеживания стволовых клеток на основе искусственного интеллекта (ИИ) в четырех миссиях SpaceX Commercial Resupply Services на Международную космическую станцию (МКС) для отслеживания изменений стволовых клеток в режиме реального времени.

Результаты показывают, что клетки утратили часть своей способности производить новые здоровые клетки, стали более подверженными повреждению ДНК и продемонстрировали признаки более быстрого старения на концах своих хромосом после космического полета — все признаки ускоренного старения.

«Космос — это настоящее испытание на прочность для человеческого организма», — сказала Катриона Джеймисон, директор Института стволовых клеток Санфорда и профессор медицины в Медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Эти результаты имеют решающее значение, поскольку они показывают, что стрессовые факторы космоса, такие как микрогравитация и космическое галактическое излучение, могут ускорить молекулярное старение стволовых клеток крови. Понимание этих изменений не только помогает нам защитить астронавтов во время длительных миссий, но и моделировать старение человека и такие заболевания, как рак, здесь, на Земле. Это знание крайне важно, поскольку мы вступаем в новую эру коммерческих космических путешествий и исследований на низкой околоземной орбите».

Предыдущие исследования НАСА показали, что космические полёты могут влиять на функцию иммунитета и длину теломер. Одно из таких исследований — исследование близнецов НАСА — стало знаковым экспериментом, длившимся год (2015–2016). В ходе него астронавт Скотт Келли провёл 340 дней на борту МКС, в то время как его близнец Марк Келли оставался на Земле.

В ходе исследования отслеживались изменения в генетике, физиологии, познавательных способностях и микробиоме, а также были обнаружены изменения в экспрессии генов, сдвиги в длине теломер и изменения в микробиоме кишечника.

Однако многие из этих изменений обратились вспять или вернулись к норме после возвращения астронавта Келли на Землю. Исследование выявило некоторые устойчивые изменения, такие как увеличение количества коротких теломер и нарушения экспрессии генов, которые могут быть актуальны для более длительных космических полётов.

Это исследование, проведенное Калифорнийским университетом в Сан-Диего, основано на результатах исследования «Близнецы» и основополагающей работе группы «Космическая омика» и «Медицинский атлас», опубликовавшей 44 научные статьи по аэрокосмической медицине и космической биологии в журнале Nature. Сосредоточившись конкретно на HSPC, исследование предоставило детальный механистический взгляд на то, как космос запускает молекулярное старение, на что намекало исследование «Близнецы», но не смогло полностью изучить его на клеточном уровне.

Для проведения исследования исследователи, включая Space Tango, разработали новую платформу «нанобиореактора» — миниатюрные трехмерные биосенсорные системы, которые позволяют культивировать человеческие стволовые клетки в космосе и контролировать их с помощью инструментов визуализации на базе искусственного интеллекта.

Результаты исследования:

• Человеческие HSPC, подвергшиеся 32–45 дням космического полёта, продемонстрировали характерные признаки старения. Исследователи отметили, что космический полёт запускает ряд изменений в кроветворных стволовых клетках, которые во многом напоминают те, что происходят с этими клетками при старении. Клетки стали более активными, чем обычно, истощая свои резервы и теряя способность к отдыху и восстановлению — ключевое свойство, позволяющее стволовым клеткам со временем регенерировать.
• Их способность производить новые здоровые клетки снизилась, в то время как признаки молекулярного износа, такие как повреждение ДНК и укорочение концов хромосом (теломер), стали более выраженными.
• Клетки также продемонстрировали признаки воспаления и стресса в митохондриях — производителях энергии — и начали активировать скрытые участки генома, которые обычно неактивны для поддержания стабильности. Эти стрессовые реакции могут нарушить работу иммунной системы и увеличить риск заболеваний.

Примечательно, что когда эти подвергшиеся воздействию космоса клетки позднее были помещены в молодую, здоровую среду, часть повреждений начала исчезать, что позволяет предположить возможность омоложения стареющих клеток с помощью правильных вмешательств.

Эти результаты имеют значение не только для здоровья астронавтов, но и для понимания механизмов старения и возрастных заболеваний, таких как рак, на Земле.

Они подчеркивают необходимость новых контрмер для защиты функции стволовых клеток во время длительных космических миссий и поддерживают разработку биологических маркеров для раннего выявления старения, вызванного стрессом.

«Мы рады, что эта прорывная работа будет опубликована для широкого круга научных и космических сообществ», — сказал Твайман Клементс, президент и соучредитель Space Tango. «Как и многие другие достижения, это достижение стало результатом командной работы, объединившей Интегрированный орбитальный исследовательский центр космических стволовых клеток (SSCI), Space Tango и другие. Объединение возможностей CubeLab Space Tango, в частности, персистентной микроскопии, позволило провести эту работу и продолжит её в будущем».

Исследовательская группа планирует расширить эту работу, организовав дополнительные миссии на МКС и исследования с участием астронавтов, уделяя особое внимание мониторингу молекулярных изменений в режиме реального времени и потенциальным фармацевтическим или генетическим контрмерам для защиты здоровья человека в космосе и за его пределами. К настоящему времени SSCI осуществил 16 миссий к МКС.

«Космические эксперименты настолько сложны, что они заставляют вас проводить более глубокие научные исследования на Земле», — резюмирует Джеймисон. «Космические исследования ускорили технологический прогресс на Земле, сделав наземные исследования более простыми и значимыми для здоровья человека. То, что мы узнали о раке в ходе наших исследований в космосе, поистине поразительно».