Путь к вечной молодости: что микрогравитация рассказала нам о старении мышц

Мышцы астронавтов подвержены атрофии в условиях космоса, но можно выявить гены, ответственные за это. Системы "мышцы на чипе" — это трёхмерные структуры человеческих мышечных клеток, выращиваемые на коллагеновых каркасах. Исследователи из Стэнфордского университета отправили такие системы на Международную космическую станцию, чтобы изучить мышечную атрофию, часто встречающуюся у астронавтов.

Оказалось, что пребывание в космосе инициирует процессы в человеческих мышцах, которые напоминают старение.

"Мы обнаружили, что микрогравитация имитирует некоторые особенности ускоренного старения", — пояснил Нган Ф. Хуанг, доцент из Стэнфорда и руководитель исследования. "Наше исследование основано на опыте в области регенеративной медицины и тканевой инженерии. Финансирование экспериментов по тканевой инженерии на МКС позволило нам изучить влияние микрогравитации на здоровье человека", — добавил Хуанг.

Поэтому его команда разработала необходимое исследовательское оборудование для работы на борту станции, начиная с создания систем "мышцы на чипе".

"Большая часть сведений о влиянии космоса на мышцы была получена через изучение астронавтов или животных, таких как мыши, помещённых в условия микрогравитации", — сообщил Хуанг. "Также использовались клетки in vitro на чашке Петри, что довольно просто. Мы хотели создать более сложные структуры".

Команда разработала платформу "мышцы на чипе", где человеческие миотубы, клетки, которые становятся мышечными волокнами, выращивались на коллагеновых каркасах для более реалистичного моделирования мышц. Однако это вызывало трудности с сохранением их жизнеспособности на МКС.

"На Земле мы просто заливаем питательную среду на клетки, но в космосе, без гравитации, нужна была герметичная камера для жидкости", — пояснил Хуанг.

Кислород и углекислый газ поддерживались через проницаемые мембраны, а смена среды была сложной процедурой, включающей шприцы и специально разработанные порты. Но усилия оправдались.

Команда Хуанга сравнила гены в двух наборах систем "мышцы на чипе": на Земле и на МКС. Было выявлено, что многие гены, связанные со старением, активировались в микрогравитации. Это подтвердилось анализом среды, в которой выращивались клетки.

"Мы стремились идентифицировать белки, выделяемые клетками в микрогравитации. GDF15, связанный с различными заболеваниями, такими как митохондриальная дисфункция или старение, был одним из таких белков", — сказал Хуанг.

В целом состояние клеток на МКС напоминало саркопению — возрастное снижение мышечной массы.

"Сходства были, но также имелись и различия. Мы не сосредоточились на саркопении, так как наша система является моделью: это в основном мышечные клетки на каркасе без сосудов и нервов. Сравнивать с клиническими образцами сложно", — отметил Хуанг.

Тем не менее, команда использовала образцы мышц-на-чипе для тестирования лекарств, в том числе для лечения саркопении и других заболеваний.

"Мы протестировали IGF 1, фактор роста, естественно присутствующий в организме и активирующий регенерацию мышц после травм. В стареющих мышцах его уровень снижается", — объяснил Хуанг.

Вторым препаратом был 15-PGDH-i, новый ингибитор ферментов, препятствующих регенерации мышц. На МКС эти препараты частично уменьшили эффекты микрогравитации.

"Одним из ограничений работы была сопутствующая радиация, и трудно отделить её эффекты от микрогравитации", — добавил Хуанг.

Пока неизвестно, вызваны ли наблюдаемые эффекты радиацией, отсутствием гравитации или другими факторами. Команда планирует проводить аналогичные эксперименты на Земле в условиях имитации микрогравитации с новым оборудованием, чтобы выявить именно её эффекты. Эти эксперименты помогут протестировать более широкий спектр лекарств.

"Мы проводим скрининг, чтобы разработать препараты против мышечной атрофии, которые можно будет использовать перед полётом или во время него. Это более целесообразно и дешевле, чем разработка искусственной гравитации", — сообщил Хуанг.

Наиболее перспективные препараты будут испытаны на системах "мышцы на чипе" на МКС в 2025 году.

Фото: commons.wikimedia.org/Igor Chekalin (Creative Commons Attribution 4.0 International license).