Badania prowadzone w warunkach mikrograwitacji pozwalają obserwować przyspieszone zmiany przypominające starzenie i osłabienie tkanki sercowej, a jednocześnie tworzą unikalne środowisko do wytwarzania bardziej złożonych, trójwymiarowych modeli serca. Zespół dr. Aruna Sharmy z Cedars-Sinai analizuje, jak eksperymenty na International Space Station mogą przyczynić się do lepszego zrozumienia niewydolności serca, optymalizacji opieki przed transplantacją oraz rozwoju przyszłych terapii opartych na komórkach macierzystych i bioinżynierii tkanek.

W artykule

• Mikrograwitacja jako model przyspieszonego osłabienia układu sercowo-naczyniowego
• Eksperymenty z tkanką serca prowadzone na International Space Station
• Organoidy serca jako narzędzie badania niewydolności serca i odpowiedzi na stres
• Potencjał komórek iPSC w tworzeniu plastrów mięśnia sercowego
• Znaczenie badań kosmicznych dla transplantologii serca i płuc
• Perspektywa wytwarzania tkanek i narządów „na żądanie”

Eksperymenty w kosmosie a mechanizmy niewydolności serca

Badania i inżynieria tkanki sercowej prowadzone w wyjątkowym środowisku niskiej grawitacji pozwalają laboratorium dr. Aruna Sharmy odkrywać nowe sposoby ochrony i naprawy niewydolnego serca. Dr Sharma przedstawił te zagadnienia podczas 46. Annual Meeting and Scientific Sessions of the International Society for Heart and Lung Transplantation, które odbyło się w Toronto.

Dr Sharma opisał przestrzeń kosmiczną jako środowisko o dwoistym charakterze. Z jednej strony przyspiesza ono starzenie i degradację tkanek, z drugiej natomiast stwarza idealne warunki do hodowli bardziej złożonych, trójwymiarowych tkanek serca i plastrów tkankowych uzyskiwanych z komórek macierzystych specyficznych dla konkretnego pacjenta.

Badania chorób serca prowadzone w kosmosie dają szybkie wyniki

„W mikrograwitacji dekondycja układu sercowo-naczyniowego jest przyspieszona; serce i mięśnie słabną znacznie szybciej niż na Ziemi” – powiedział dr Arun Sharma, dyrektor Center for Space Medicine Research w Cedars-Sinai w Los Angeles. „Pozwala nam to badać zmiany przypominające chorobę, takie jak osłabienie kurczliwości i przesunięcia metaboliczne, w ciągu tygodni zamiast lat”.

Wśród projektów prowadzonych przez dr. Sharmę znajdują się eksperymenty realizowane na International Space Station, dotyczące komórkowych mechanizmów leżących u podłoża niewydolności serca, a także wykorzystania komórek macierzystych do wytwarzania miniaturowych organów sercowych.

„Lepsze zrozumienie tego, w jaki sposób mięsień sercowy ulega niewydolności i odzyskuje funkcję, może również poprawić optymalizację stanu pacjenta przed przeszczepieniem, pomagając utrzymać serca pacjentów i inne narządy w lepszej kondycji w czasie oczekiwania na narząd od dawcy” – powiedział.

Mikrograwitacja jako środowisko do tworzenia organoidów serca

Niska grawitacja może być również wykorzystywana do wytwarzania organoidów serca, czyli miniaturowych trójwymiarowych struktur narządowych symulujących prawidłową funkcję serca. Organoidy serca są stosowane do identyfikacji nowych celów terapeutycznych, których modulacja mogłaby spowolnić progresję niewydolności serca i poprawić opiekę po transplantacji.

Dostarczają one informacji o tym, jak tkanka sercowa adaptuje się, przebudowuje lub ulega dekondycji pod wpływem stresu. W tym kontekście mikrograwitacja nie jest wyłącznie narzędziem badawczym, ale także środowiskiem pozwalającym szybciej modelować procesy biologiczne, które w warunkach ziemskich rozwijałyby się znacznie dłużej.

Środowisko mikrograwitacji może wspierać rozwój bardziej wytrzymałych terapii

„Mikrograwitacja poprawia również trójwymiarową strukturę i sieci naczyń krwionośnych w tkance inżynieryjnej” – powiedział dr Sharma. „Produkcja wspomagana warunkami kosmicznymi mogłaby ułatwić biodrukowanie mocniejszych, bardziej fizjologicznych plastrów sercowych”.

Plastry mięśnia sercowego uzyskiwane z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych, czyli iPSC, są projektowane tak, aby stabilizować lub częściowo naprawiać niewydolne serca. Ich celem może być zyskanie czasu u pacjentów oczekujących na przeszczepienie oraz zmniejszenie liczby chorych, którzy wymagają pełnej wymiany narządu.

„Plastry iPSC są produkowane tutaj, na Ziemi, jako terapie pomostowe dla pacjentów z ciężką niewydolnością serca oczekujących na pełne przeszczepienie serca” – powiedział dr Sharma. „Środowisko mikrograwitacji daje możliwość wytwarzania grubszych, bardziej wytrzymałych plastrów, mniej podatnych na zapadanie się pod wpływem grawitacji po sprowadzeniu ich z powrotem na Ziemię” – dodał.

Znaczenie dla transplantologii i przyszłych napraw strukturalnych serca

W dłuższej perspektywie, jak wskazał dr Sharma, badania kosmiczne mogą umożliwić bardziej precyzyjną trójwymiarową organizację komórek i macierzy zewnątrzkomórkowej. Mogłoby to prowadzić do uzyskiwania trwalszych lub bardziej fizjologicznych zastawek, przewodów naczyniowych oraz struktur podporowych.

„Dla programów transplantacyjnych oznaczałoby to trwalsze wymiany zastawek i naprawy strukturalne, mniejszą liczbę reoperacji i możliwe opóźnienie konieczności pełnego przeszczepienia u części pacjentów” – powiedział. „Jeżeli mikrograwitacja pozwoli nam produkować większe, dobrze unaczynione trójwymiarowe tkanki serca, być może w przyszłości będziemy w stanie inżynieryjnie wytwarzać znaczące części mięśnia sercowego odpowiednie do łatania rozległych zawałów, a nawet do zastępowania fragmentów niewydolnego przeszczepionego serca”.

W kierunku wytwarzania tkanek i narządów na żądanie

Prace laboratorium dr. Sharmy wpisują się w szerszą wizję wytwarzania narządów lub tkanek na żądanie. Dotyczy to między innymi komórek sercowych pochodzących z iPSC, uzyskiwanych z określonych profili genetycznych lub fenotypów chorobowych.

Takie podejście mogłoby w przyszłości umożliwić bardziej spersonalizowane modelowanie chorób serca, testowanie leków oraz opracowywanie terapii regeneracyjnych dostosowanych do biologii konkretnego pacjenta. Szczególne znaczenie może mieć to w niewydolności serca, transplantologii, medycynie regeneracyjnej oraz inżynierii tkankowej.

Doroczne spotkanie naukowe International Society for Heart and Lung Transplantation odbyło się w dniach 22–25 kwietnia w Metro Toronto Convention Centre w Toronto, w prowincji Ontario, w Kanadzie.

Źródło: International Society for Heart and Lung Transplantation, „Experiments in space provide insight into heart failure mechanisms and potential for more robust tissue engineering”