Μια καρδιά σε…τσιπ χτυπάει στο Διάστημα

 

Ανθρώπινος καρδιακός ιστός σε μικροτσίπ εκτοξεύτηκε στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό για να λάβει μέρος σε επιστημονικά πειράματα.

Το Dragon της SpaceX εκτοξεύτηκε από το κέντρο Κένεντι στη Φλόριντα σε μια αποστολή ανεφοδιασμού του Διεθνούς Διαστημικού Σταθμού, το απόγευμα της Τρίτης 14 Μαρτίου, μεταφέροντας, εκτός από 2.860 κιλά φορτίου (εξοπλισμού για διαστημικό περίπατο, υλικού του οχήματος και φρέσκων φρούτων για το πλήρωμα) και αρκετές μικροσκοπικές διατάξεις που περιείχαν κάτι λίγο πιο ασυνήθιστο: ανθρώπινο καρδιακό ιστό. 

Δυο μέρες αργότερα το όχημα μαζί με τις προμήθειες παρέδωσε και τις μικροσκοπικές συσκευές με τα ζωντανά κύτταρα που μιμούνται τις λειτουργίες των ανθρώπινων ιστών και οργάνων για να προωθήσουν την ανάπτυξη θεραπειών για την καρδιακή δυσλειτουργία.

Ο καρδιακός ιστός θα χρησιμοποιηθεί σε δύο πειράματα, στο Cardinal Heart 2.0 και στο Engineered Heart Tissues-2, τα οποία θα ελέγξουν εάν τα υπάρχοντα φάρμακα μπορούν να βοηθήσουν στην πρόληψη ή την αναστροφή των αρνητικών επιπτώσεων της διαστημικής πτήσης στην ανθρώπινη καρδιά.

Η διαστημική πτήση μπορεί να συρρικνώσει την καρδιά

Προηγούμενες μελέτες δείχνουν ότι η διαστημική πτήση μπορεί να συρρικνώσει την καρδιά, επειδή στο περιβάλλον μικροβαρύτητας οι μύες της δεν χρειάζεται να εργάζονται τόσο σκληρά για να αντλήσουν αίμα στα ανώτερα μέρη του σώματος. Επιπλέον, η καρδιά μπορεί να αλλάξει σχήμα υπό την επίδραση της μικροβαρύτητας, καθώς το αίμα μετατοπίζεται προς τα πάνω, προκαλώντας της πρήξιμο, σύμφωνα με τη NASA. 

Μελέτες δείχνουν επίσης, ότι η καρδιά υφίσταται κυτταρικές αλλαγές που σχετίζονται με τη γήρανση κατά τη διάρκεια της διαστημικής πτήσης. Ως εκ τούτου, αυτή η έρευνα δεν είναι μόνο κρίσιμη για τη μελλοντική εξερεύνηση του διαστήματος, αλλά θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε βελτιωμένες θεραπείες για τη σχετιζόμενη με την ηλικία καρδιακή δυσλειτουργία και νόσο στη Γη.

Τα πειράματα αποτελούν μέρος της πρωτοβουλίας «Tissue Chips in Space», ενός κοινού έργου των National Institutes of Health και International Space Station National Laboratory, με στόχο την κατανόηση των επιπτώσεων της διαστημικής πτήσης και της μικροβαρύτητας στο ανθρώπινο σώμα. 

Το πείραμα Engineered Heart Tissues-2 περιλαμβάνει δύο μικρορευστονικές συσκευές που μεταφέρουν κύτταρα του καρδιακού μυός τα οποία συστέλλονται μέσα σε μικροθαλάμους γεμάτους με υγρό. Τα μυϊκά κύτταρα αναπτύχθηκαν από βλαστοκύτταρα και έλαβαν τρισδιάστατο σχήμα μέσα στο εργαστήριο. Στη συνέχεια τοποθετήθηκαν ανάμεσα σε δύο στηρίγματα μέσα σε κάθε θάλαμο, παρόμοια με τον τρόπο που τα δίχτυα του τένις κρέμονται ανάμεσα σε ένα ζευγάρι πασσάλων. Μια θέση περιέχει έναν μαγνήτη που κινείται κάθε φορά που συστέλλονται τα μυϊκά κύτταρα και ένας αισθητήρας παρακολουθεί την κίνηση του μαγνήτη, επιτρέποντας στους ερευνητές να παρακολουθούν τις μυϊκές συσπάσεις σε πραγματικό χρόνο.

Φωτο: Image courtesy of NASA and Drs. Joseph Wu, Dilip Thomas and Xu Cao, Stanford Cardiovascular Institute

Οι ίδιοι επιστήμονες έστειλαν και τον Μάρτιο του 2020 καρδιακό ιστό στο διάστημα και σε αυτό το πείραμα παρατήρησαν ότι τα μιτοχόνδρια των κυττάρων δυσλειτουργούσαν. Τα μιτοχόνδρια παρέχουν ενέργεια στα κύτταρα τροφοδοτώντας τη λειτουργία της καρδιάς και η δυσλειτουργία τους έχει συνδεθεί με μια ποικιλία καρδιακών προβλημάτων, συμπεριλαμβανομένων της αρρυθμίας και της καρδιακής ανεπάρκειας. 

Σε ένα πείραμα που ξεκίνησε σε αυτό το ταξίδι στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, η ομάδα θα συνεχίσει να μελετά τη μιτοχονδριακή δυσλειτουργία και θα δοκιμάσει πολλά υπάρχοντα φάρμακα για να δει εάν προλαμβάνουν ή αναστρέφουν τα προβλήματα. «Αυτά τα φάρμακα στοχεύουν ειδικά τη μιτοχονδριακή δυσλειτουργία και τους μηχανισμούς που οδηγούν σε αυτή», είπε ο επικεφαλής της μελέτης Devin Mair στο Live Science.

Ομοίως, το πείραμα Cardinal Heart 2.0 θα χρησιμοποιήσει μικροσκοπικές, τρισδιάστατες μάζες καρδιακού ιστού σε τσιπ, γνωστές ως οργανοειδή, για να ελέγξει εάν τα ήδη εγκεκριμένα φάρμακα μπορούν να προστατεύσουν τα καρδιακά κύτταρα από το στρες της μικροβαρύτητας. Τα οργανοειδή υποβλήθηκαν σε θεραπεία πριν από την εκτόξευση του Dragon, με στόχο να αποφευχθούν οι αρνητικές επιπτώσεις της μικροβαρύτητας. Αυτά τα φάρμακα περιλαμβάνουν μια στατίνη και ένα αντιυπερτασικό φάρμακο που χρησιμοποιείται για καρδιακή ανεπάρκεια.

Μικροσκοπικά μοντέλα καρδιάς πλήρους μεγέθους σε μικρο-ψηφίδες

Τα συγκεκριμένα οργανοειδή, που αναπτύσσονται από βλαστοκύτταρα, είναι μικροσκοπικά μοντέλα καρδιάς πλήρους μεγέθους σε μικρο-ψηφίδες (μικροτσιπ) που μιμούνται βασικά χαρακτηριστικά της δομής και της λειτουργίας του οργάνου. Περιέχουν καρδιομυοκύτταρα, καθώς και κύτταρα-καρδιακούς ινοβλάστες που επενδύουν τα αιμοφόρα αγγεία (ενδοθηλιακά κύτταρα). 

Πολλά υποσχόμενη είναι η σύγχρονη τεχνολογία «organs on a chip», που επιτρέπει σε ένα σύστημα ανθρώπινων οργάνων να αναδημιουργούνται σε μικρογραφία πάνω σε μικρο-ψηφίδες (μικροτσιπ), να διασυνδέονται μεταξύ τους και να χωρούν μέσα στην παλάμη του ενός χεριού. Αυτά τα μικροτσιπ διαθέτουν κανάλια/ θαλάμους της τάξης 1 μικρομέτρου μέχρι μερικών χιλιοστών για μεταφορά υγρών/ διαλυμάτων και προσφέρουν τη δυνατότητα μικροσκοπικής αναδημιουργίας ανθρώπινων οργανοειδών (μίνι οργάνων μεγέθους 1-3 χιλιοστών συνήθως). Μικροσκοπικές εκδοχές ήπατος, πνευμόνων, νεφρών και άλλων ζωτικών οργάνων κατασκευάζονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αναπαράγουν ορισμένες από τις βασικές λειτουργίες των ανθρώπινων ομολόγων τους, όπως για παράδειγμα, τις αναπνευστικές κινήσεις ή τις μυϊκές συσπάσεις κυττάρων.

Πηγή: NASA , Dnews