Гемопоэтические стволовые клетки крови можно сравнить с менеджерами фабрики: они работают наиболее эффективно, когда находятся в состоянии покоя и отдыха. Однако при возникновении стресса, например, из-за инфекции или травмы, эти клетки активируются и начинают вырабатывать иммунные клетки для защиты организма. Со временем чрезмерный стресс приводит к их изнашиванию, ускоряет старение и снижает эффективность.

Теперь представьте, что этих «менеджеров» отправляют в космос. На низкой околоземной орбите исчезает привычная гравитация, увеличивается уровень радиации, а биологические законы меняются. Исследование NASA Twins Study показало, что у астронавтов, находившихся в космосе почти год, наблюдались изменения длины теломер, хромосомные инверсии и нестабильность, а также повышение уровня воспалительных цитокинов.

Ранее было известно, что микрогравитация влияет на иммунную систему, но как космический полет отражается на стволовых клетках, которые формируют эту систему, оставалось неясным. До недавнего времени никто не изучал, как условия космоса влияют на старение и жизнеспособность человеческих кроветворных стволовых клеток (HSPC).

Для ответа на этот вопрос Институт стволовых клеток Санфорда Калифорнийского университета в Сан-Диего объединился с NASA и Space Tango, создав центр Integrated Space Stem Cell Orbital Research (ISSCOR). В рамках четырех миссий SpaceX по доставке грузов на Международную космическую станцию (МКС) ученые исследовали влияние условий низкой околоземной орбиты на жизнеспособность HSPC до, во время и после космического полета.

Для эксперимента были разработаны нанобиореакторы костного мозга, позволяющие отслеживать HSPC в реальном времени в лабораториях CubeLabs, управляемых искусственным интеллектом. Эта платформа включает миниатюрные 3D-биосенсорные системы, которые дают возможность человеческим стволовым клеткам расти в космосе. С помощью камер с ИИ ученые наблюдали за поведением клеток на орбите.

Результаты показали, что HSPC, вернувшиеся с орбиты, демонстрировали явные признаки износа: они частично утратили способность к производству новых здоровых клеток, стали более уязвимы к повреждению ДНК и проявили признаки укорочения теломер — защитных концов хромосом. Все эти изменения указывают на ускоренное старение. Это похоже на ситуацию, когда в космос отправляют молодые клетки, а возвращаются уже постаревшие и уставшие.

Директор Института стволовых клеток Санфорда и профессор медицины Калифорнийского университета в Сан-Диего назвала космос «крайним стресс-тестом для человеческого организма». Она подчеркнула, что микрогравитация и космическая радиация — важные факторы старения стволовых клеток.

Понимание этих изменений не только помогает защищать астронавтов во время длительных миссий, но и позволяет моделировать процессы старения и такие заболевания, как рак, на Земле. Это особенно важно в эпоху коммерческих космических путешествий и исследований на низкой околоземной орбите.

Основываясь на результатах NASA Twins Study и данных группы Space Omics and Medical Atlas, новое исследование дало подробное представление о том, как космос запускает молекулярное старение.

Всего через 32–45 дней пребывания в космосе HSPC начали проявлять признаки преждевременного старения. Клетки становились гиперактивными, быстро расходовали энергетические запасы и теряли способность к отдыху — важное качество для долгосрочного восстановления. Их способность производить новые здоровые клетки снижалась, а молекулярные повреждения накапливались: происходили разрывы ДНК, изнашивались теломеры, усиливались стрессовые сигналы в митохондриях — энергетических станциях клетки. Даже обычно «молчащие» участки генома активировались, нарушая стабильность клеток.

В совокупности эти изменения имитируют процессы старения на Земле и могут ослаблять иммунную защиту или повышать риск заболеваний, что говорит о том, что космос не только бросает вызов организму, но и способен ускорять его биологические часы.

Одной из главных причин старения стволовых клеток в космосе, по-видимому, является генотоксический стресс, вызванный повышенным воздействием космической радиации. Во время этих миссий NASA зафиксировало уровни радиации от 7,6 до 10,7 миллигрея — примерно такую же дозу можно получить при обычном медицинском обследовании, например, КТ или рентгене. Хотя это кажется незначительным, даже малые дозы космической радиации могут вызывать клеточные проблемы, особенно в сочетании с другими стресс-факторами космоса.

Интересно, что когда клетки, подвергшиеся воздействию космоса, возвращались в молодую и здоровую среду на Земле, часть повреждений начинала восстанавливаться. Это положительный знак: при правильных условиях или вмешательствах даже стареющие клетки могут восстановиться, подобно астронавтам, вернувшимся с орбиты и попавшим в «клеточный спа».

Эти результаты подчеркивают необходимость защищать стволовые клетки от суровых условий космоса. Не менее важно искать биологические «сигнальные огни» — ранние маркеры, которые могут указывать на стресс-индуцированное старение до того, как оно выйдет из-под контроля.

Исследовательская команда не собирается останавливаться на достигнутом. Основываясь на 17 миссиях на МКС, они планируют запускать еще больше исследований, теперь с участием астронавтов. Цель — отслеживать молекулярные изменения в реальном времени и изучать фармацевтические или генетические инструменты, которые могут защитить здоровье человека от стрессов космоса.

Новое исследование опубликовано в журнале Cell Stem Cell.