Kosmické lety urychlují stárnutí lidských kmenových buněk

Kmenové buňky vašeho těla, hematopoetické kmenové buňky (HSC), jsou jako manažeři továrny, kteří nejlépe pracují, když jsou klidní a odpočatí. Ale když zasáhne stres, jako je infekce nebo zranění, vyskočí do akce a chrlí imunitní buňky, aby vás bránily. Časem je příliš mnoho stresu vyčerpává, rychleji stárnou a ztrácejí jiskru.

A teď si představte, že pošlete ty manažery do vesmíru. Na nízké oběžné dráze Země (LEO) gravitace mizí, radiační špičky a pravidla biologie se ohýbají. Studie dvojčat NASA ukázala, že astronauti vystavení vesmíru téměř rok měli změny v délce telomer, chromozomální inverze/nestabilitu a zvýšenou regulaci zánětlivých cytokinů.

Zatímco předchozí výzkumy ukázaly, že mikrogravitace ovlivňuje imunitní systém, co kmenové buňky, které jej budují? Až donedávna nikdo netestoval, jak lety do vesmíru ovlivňují stárnutí a zdatnost lidských krvetvorných kmenových buněk (HSPC).

Sanford Stem Cell Institute na Kalifornské univerzitě v San Diegu se proto spojil s NASA a Space Tango, aby vytvořili centrum integrovaného výzkumu vesmírných kmenových buněk (ISSCOR). Studovali dopad prostředí LEO na zdatnost HSPC před, během a po kosmickém letu ve čtyřech misích SpaceX Commercial Resupply Services na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS).

Pro tuto studii postavili nanobioreaktory s výklenkem kostní dřeně pro sledování HSPC v reálném čase v CubeLabs řízených umělou inteligencí. Tato platforma „nanobioreaktoru“, která zahrnuje miniaturizované 3D biosnímací systémy, umožňuje lidským kmenovým buňkám růst ve vesmíru. Tyto chytré malé systémy používají kamery s umělou inteligencí ke sledování buněk v akci a sledují, jak se chovají na oběžné dráze.

Vědci zjistili, že HSPC se vrátily z oběžné dráhy a vykazovaly jasné známky opotřebení: ztratily část své schopnosti produkovat čerstvé, zdravé buňky, staly se zranitelnějšími vůči poškození DNA a vykazovaly třepení na koncích jejich chromozomů na ochranných krytech známých jako telomery. Všechny tyto změny poukazují na zrychlené stárnutí. Je to jako poslat mladé buňky do vesmíru a získat zpět starší, unavenější verze.

Catriona Jamieson, ředitelka Sanford Stem Cell Institute a profesorka medicíny na UC San Diego School of Medicine, popsala vesmír jako „nejvyšší zátěžový test pro lidské tělo“. Zdůraznila význam nedávných zjištění naznačujících, že mikrogravitace a kosmické galaktické záření jsou faktory stárnutí kmenových buněk.

„Porozumění těmto změnám nejen informuje o tom, jak chráníme astronauty během dlouhodobých misí, ale také nám pomáhá modelovat lidské stárnutí a nemoci, jako je rakovina, zde na Zemi,“ řekl Jamieson. „Toto je základní znalost, když vstupujeme do nové éry komerčního vesmírného cestování a výzkumu na nízké oběžné dráze Země.“

Tento nový výzkum, založený na zjištěních studie dvojčat NASA a skupiny Space Omics and Medical Atlas, poskytl podrobný mechanický pohled na to, jak vesmír spouští molekulární stárnutí.

Po pouhých 32 až 45 dnech ve vesmíru začaly HSPC vykazovat známky předčasného stárnutí. Vědci zjistili, že tyto buňky se staly hyperaktivními, spalovaly své energetické zásoby a ztrácely schopnost odpočívat, což je zásadní vlastnost pro dlouhodobou regeneraci. Jejich kapacita produkovat zdravé nové buňky klesla, zatímco se hromadilo molekulární poškození: v jejich mitochondriích, buněčných elektrárnách, vzplanuly zlomy DNA, roztřepené telomery a stresové signály. Dokonce i obvykle tiché části genomu byly zapnuty, což narušilo buněčnou stabilitu.

Celkově tyto změny napodobují proces stárnutí na Zemi a mohly by oslabit imunitní obranu nebo zvýšit riziko onemocnění, což naznačuje, že vesmír není jen výzvou pro tělo; může zrychlit své biologické hodiny.

Jedním z hlavních viníků stárnutí kmenových buněk ve vesmíru se zdá být genotoxický stres vyvolaný zvýšenou expozicí prostředí kosmického záření. Během těchto měsíčních vesmírných misí NASA zaznamenala úrovně radiace mezi 7,6 a 10,7 miligaray (mGy), což je zhruba stejná dávka, jakou byste získali při rutinním lékařském skenování, jako je CT nebo rentgen. I když to může znít mírně, i malé dávky kosmického záření mohou vyvolat potíže na buněčné úrovni, zvláště v kombinaci s dalšími stresory vesmíru.

Ale zajímavé je, že když byly tyto buňky vystavené vesmíru později umístěny do mladého, zdravého prostředí zpět na Zemi, některá poškození se začala hojit. Je to pozitivní znamení, že při správných podmínkách nebo zásazích se mohou i stárnoucí buňky odrazit, jako když se astronauti vracejí z oběžné dráhy a narazí do buněčné lázně.

Tato zjištění zdůrazňují naléhavou potřebu chránit kmenové buňky před drsnou realitou vesmíru. Stejně důležité je hledání biologických „varovných světel“, časných ukazatelů, které mohou upozornit na stresem vyvolané stárnutí dříve, než se vymkne kontrole.

Výzkumný tým zde nekončí. Na základě svých 17 misí na Mezinárodní vesmírnou stanici plánují zahájit ještě další studie, tentokrát s astronauty ve směsi. Jejich cíl: sledovat molekulární změny v reálném čase a zkoumat farmaceutické nebo genetické nástroje, které by mohly chránit lidské zdraví před stresem z vesmíru.

Nová studie byla zveřejněna v Cell Stem Cell.

Zdroj: Kalifornská univerzita, San Diego