Прямо сейчас в космосе учёные выращивают крошечные трёхмерные модели человеческих органов. То, что может показаться сценой из начала научно-фантастического фильма, на самом деле является относительно новым применением того типа исследований, которые уже расширяют границы открытий на Земле.
От крошечных бьющихся сердец до «мини-мозгов» — так называемые органоиды обычно выращиваются из стволовых клеток человека, которые с помощью коктейля ростовых химикатов можно заставить самоорганизовываться в трёхмерные структуры, напоминающие ткани человеческого организма. В отличие от традиционных моделей животных, таких как мыши или обезьяны, органоиды позволяют учёным более точно воссоздавать уникальные тонкости человеческих органов. Таким образом, эти крошечные органы могут помочь ускорить разработку лекарств, помогая выявить, какие соединения действительно будут работать на людях, а какие нет.
Исследования органоидов можно охарактеризовать как «не от мира сего» — в некоторых случаях даже в буквальном смысле этого слова.
С 2019 года на Международной космической станции (МКС) выращивают крошечные модели органов, включая мозг, сердце и грудь. Но это исследование поднимает вопрос: почему учёные создают миниатюрные органы в космосе?
Старение органоидов в условиях микрогравитации
Одна из причин заключается в том, что суровая космическая среда может помочь учёным изучать старение и связанные с ним расстройства, от которых страдают люди на Земле.
Алиссон Муотри (Alysson Muotri), профессор педиатрии Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD), уже много лет отправляет человеческие стволовые клетки на МКС с целью выращивания органоидов мозга, моделирующих различные заболевания. Для развития у человека таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, могут потребоваться десятилетия, но исследования показывают, что низкая гравитация в космосе может ускорить старение клеток. Таким образом, изучая органоиды мозга в условиях микрогравитации, учёные смогут точно определить, как именно происходят возрастные изменения, и помочь разработать методы лечения для их предотвращения.
Многие подходы к моделированию стареющего мозга включали в себя воздействие на нейроны в лабораторной посуде, например, путём добавления определённых химических веществ. Однако эти эксперименты не отражают того, что на самом деле происходит со старением организма, сказал в интервью Live Science Муотри.
«В ваш мозг не поступает каскад молекул, который заставляет вас стареть за одну ночь», — сказал он.
Исследование органоидов было навеяно команде исследованием близнецов NASA, в ходе которого астронавт Скотт Келли (Scott Kelly) отправился в космос на год, в то время как его идентичный брат-близнец Марк оставался на Земле. Когда Скотт возвратился, у него были выявлены признаки усиленного снижения когнитивных способностей по сравнению с его братом; например, ему было труднее учиться и запоминать вещи.
Неизвестно, почему были выявлены эти эффекты, сказал Муотри. Одна из теорий заключается в том, что это может быть связано с тем, что микрогравитация снижает активность фермента под названием теломераза, который помогает обратить вспять естественный процесс, при котором участки ДНК в конце наших хромосом укорачиваются с возрастом, сказал он. Эти так называемые «серьги» на концах нашей ДНК называются теломерами, и поскольку сокращение теломер связано со старением, некоторые учёные полагают, что удлинение теломер может бороться со старением и продлить продолжительность жизни человека.
В предстоящей статье команда Муотри полностью опишет, как органоиды мозга ведут себя на МКС, но, судя по тому, что они могут сказать на данный момент, органоиды, которые уже вернулись на Землю, демонстрируют признаки ускоренного старения, сказал Муотри. Органоиды головного мозга демонстрируют признаки неврологических заболеваний, такие как дегенерация и клеточный стресс, которые обычно наблюдаются при некоторых состояниях. Это позволило исследователям протестировать новые препараты-кандидаты для лечения этих заболеваний с многообещающими ранними результатами.
«В первой статье будет сообщено о первом препарате, который был обнаружен в космосе для лечения заболеваний мозга», — сказал Муотри.
Однако на данный момент точная дата публикации ещё не подтверждена.
Крошечные опухоли в космосе
Исследование близнецов NASA также вдохновило на выращивание органоидов в космосе другую исследовательскую группу Калифорнийского университета в Сан-Диего — но это не мини-мозги, а крошечные опухоли. Группу возглавляет доктор Катриона Джеймисон (Catriona Jamieson), профессор медицины.
После возвращения на Землю у Скотта Келли были обнаружены признаки укорочения теломер, повреждения ДНК и сигнальных молекул в крови, которые, как известно, активируют определённые гены, которые позволяют раку расти и распространяться. Это говорит о том, что стрессовые условия в космосе могут каким-то образом стимулировать рост рака и, следовательно, могут стать хорошей моделью для изучения того, как развивается болезнь, сказала Джеймисон Live Science.
Команда начала с отправки стволовых клеток крови в космос, и всего через месяц в клетках появились признаки включения генетических мутаций, связанных с раком. Эти изменения были связаны с аномальным ростом и делением клеток.
Затем исследователи отправили в космос с частной миссией Axiom Mission 1 несколько органоидных моделей лейкемии, рака толстой кишки и молочной железы. Они обнаружили, что модели, находясь на борту, также «резко» выросли. Клетки внутри органоидов также включили ген под названием ADAR1, который кодирует фермент, который, как считается, позволяет раку размножаться. В отдельном эксперименте команда смогла показать, что два препарата, ингибирующие ADAR1, — федратиниб и ребециниб — могут замедлять рост миниатюрных опухолей.
Сейчас, в рамках своего последнего запуска на МКС в январе 2024 года, команда тестирует противораковый потенциал этих препаратов на большем количестве органоидов рака молочной железы.
«Мы очень рады сотрудничать с NASA в попытке ускорить разработку первых в мире ингибиторов ADAR, небольшой молекулы, которую можно вводить внутривенно», — сказала Джеймисон.
Будущее органоидов в космосе
Это исследование направлено не только на защиту людей на Земле, но и на помощь астронавтам в космосе. Например, Джеймисон предполагает, что однажды людям, участвующим в коммерческих космических полётах, можно будет дать таблетку перед полётом, чтобы защитить стволовые клетки в их крови от превращения в раковые. На Земле, используя свои открытия в космосе, исследователи планируют начать позже в этом году клинические испытания ребексиниба для борьбы с миелофиброзом, раком крови, поражающим костный мозг.
Другие исследователи воспользовались потенциальными двойными преимуществами такого рода внеземных исследований. В их число входит Кэтрин Юнг (Catherine Yeung), доцент Фармацевтической школы Вашингтонского университета, чья команда изучает, как ускоренное старение в космосе влияет на почки.
Вместо органоидов команда Юнг использует другую модель человеческой ткани, известную как устройство «орган на чипе». Эта технология имитирует человеческие ткани на устройствах размером с кредитную карту и рассматривается как дополнение к органоидам.
«Если мы сможем узнать из космоса что-то, что поможет нам лечить условия на Земле, я думаю, что это главная цель — я не знаю, нужно ли нам выбирать одно или другое», — сказала Юнг Live Science.
По словам Муотри, выращивание органоидов на МКС сильно отличается от выращивания на Земле. Например, вы ограничены количеством лабораторного оборудования, которое можете иметь, и всегда существует риск того, что запуск ракеты будет отменён в последнюю минуту, сказал он. Возвращение органоидов на Землю также может быть весьма «опасным», сказала Джеймисон, поскольку груз, перевозимый космическим аппаратом, часто приземляется в океане.
Тем не менее, эксперты надеются использовать эти органоиды для выхода на новые рубежи открытий.
«Я очень рада работать в космосе, — сказала Джеймисон. — Я думаю, что это настоящий «Cancer Moonshot», и мы нашли способ убить рак.»
