Отправленные в космос клетки мозга преподнесли большой сюрприз

Объединив возможности исследований на околоземной орбите и нейробиологию, учёные выяснили, что клетки нашего мозга развиваются в невесомости по-другому, не как на Земле.


Науке давно известно, что без земного тяготения происходит с мышцами, костями, иммунитетом и умственными способностями космонавтов. Так, по данным НАСА, пребывание в космосе не вызывает сильных умственных нарушений у человека. Однако космонавты всё же несколько медленнее соображают и им труднее выполнять задачи, в которых необходимы память и внимание. Снижение внимания наблюдалось уже в начале космической командировки, а скорость мышления оставалась ниже нормы даже после возвращения на Землю.

Но до сих пор было мало что известно о конкретном влиянии космоса на центральную нервную систему. В научном журнале, посвящённом стволовым клеткам, описали первый успешный эксперимент. Специалисты пронаблюдали, как на Международной космической станции росли нервные клетки. Для этого анализировали модели тканей человеческого мозга, называемые нейронными органоидами. Конгломераты клеток мозга диаметром всего лишь в сотни микрометров пробыли ровно месяц на высоте около 400 км над Землей, то есть в условиях, микрогравитации.



Исследователи вырастили в пробирке «микромозги» с помощью индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (ИПСК). Так называют клетки организма, которые перепрограммировали, чтобы они развивались в ткани разных типов.

Специалисты создали два типа нейронных органоидов. Один содержал клетки, похожие на кору головного мозга. Как известно, этот внешний слой отвечает за мышление и память.

Второй тип живой модели для исследования содержал нейроны, вырабатывающие дофамин, который одновременно функционирует и как гормон, и как нейромедиатор, то есть передатчик электрохимического импульса. Кстати, именно такие нервные клетки обычно страдают при болезни Паркинсона.

Для исследования взяли клетки двух благополучных доноров и двух страдающих неврологическими недугами: одного с болезнью Паркинсона, другого — с начальной стадией прогрессирующего рассеянного склероза. Чтобы сделать модели более сложными и ближе к реальному мозгу, исследователи добавили в половину органоидов микроглию (иммунные клетки), чтобы наблюдать, как иммунная система мозга станет функционировать в космической среде.

Потребовалось важное технологическое нововведение, чтобы сохранить нежные «микромозги» во время космического полёта. Органоиды, как правило, растят в питательной для них жидкости, которую важно регулярно менять, чтобы удалять, в том числе, отходы жизнедеятельности. С этой целью, чтобы не доставлять на МКС целую лабораторию, пусть и маленькую, исследователи впервые применили метод выращивания органоидов меньшего размера, чем обычно, в криофлаконах. Это были небольшие герметичные контейнеры, изначально предназначенные для глубокой заморозки биологических материалов. Каждый отдельный органоид поместили во флакон с одним миллилитром специально разработанной питательной среды.

Органоиды доставили на МКС в миниатюрном инкубаторе. Джин Лоринг, директор и основатель Центра регенеративной медицины Scripps Research, призналась, что уверенности в успехе на самом деле у научного коллектива не было.


— Лоринг.

Затем, анализируя возвращённые на Землю органоиды, исследователи наблюдали несомненные различия между образцами, взращёнными в космосе, и их вполне земными аналогами. Во всех побывавших в космосе органоидах результаты работы генов были более зрелыми, чем у выращенных на Земле живых моделей.

Иными словами, на орбите органоиды развивались быстрее. Однако Лоринг предупредила, что на МКС провели месяц не взрослые нейроны, поэтому результаты эксперимента пока ничего не говорят о старении мозга в космосе. Иначе говоря, предостерегла от поспешных выводов.

Учёные убедились, что после возвращения на Землю и помещения в пробирки клетки-космонавты проявили свою жизнеспособность, образовав сети соединительных волокон, называемых нейритами. На снимке ниже — структура органоида после месяца, проведённого на МКС.



Вопреки прогнозам, анализ показал самые незначительные признаки клеточного стресса или воспаления в выращенных в космосе органоидах. Более того, признаков воспаления и проявлений генов, связанных со стрессом, было меньше, чем в образцах, выращенных на Земле.

Зато опыты выявили изменения, например, в передаче клетками сигналов, которые играют главную роль в развитии мозга. Учёные также наблюдали изменения в белках, которые клетки выделяют вовне, хотя эти нюансы различались в зависимости от типа органоидов.

Примечательно, что клеточные изменения, по-видимому, в первую очередь были вызваны воздействием микрогравитации, а не космической радиацией. Радиационное воздействие во время 30-дневного пребывания в космосе составило примерно 12 миллизивертов. Это сопоставимо с дозой, которую «зарабатывает» экипаж самолёта за такой же период дальних перелётов.

Но по какой же причине клетки мозга развиваются в космосе иначе? Микрогравитация, вероятно, так же влияет на мозг людей, потому что в условиях невесомости нет естественного для Земли движения тепла, потоков жидкостей и так далее, то бишь нет конвекции.


— Лоринг.

Итоги опыта помогут освоению космоса, а также послужат медицине. Знания о том, как клетки мозга реагируют на невесомость, поспособствовало бы методике сбережения здоровья при длительных космических полётах. Кроме того, понимание того, почему клетки по-другому ведут себя в космосе, может дать дополнительные шансы для исследования неврологических недугов на Земле.

Первоначальный успех заложил основу для последующих изысканий. С момента первого запуска «микромозгов» и до публикации результатов в научном журнале исследователи уже четырежды отправляли живые материалы на МКС. Каждый новый опыт базировался на предыдущем, при этом добавлялись новые экспериментальные условия.

При последующих этапах своего проекта специалисты намерены изучить области мозга, связанные с болезнью Альцгеймера, а также попытаются понять, как нейроны взаимодействуют между собой в космосе.

Лоринг отметила, что в исследовании невозможно было опираться на более ранние проекты, чтобы прогнозировать результат, потому что таких работ прежде попросту не было.


— Лоринг.