Într-un progres ştiinţific semnificativ, care face legătura între explorarea spaţială şi neuroştiinţe, cercetătorii au descoperit că celulele creierului uman se dezvoltă diferit în mediul fără gravitate din spaţiu, comparativ cu Pământul. În timp ce oamenii de ştiinţă ştiu de mult timp că microgravitaţia afectează muşchii, oasele, sistemul imunitar şi cogniţia, până acum se cunoşteau prea puţine despre impactul asupra creierului. Cercetarea aruncă o lumină nouă asupra înţelegerii modului în care creierul uman se adaptează în timpul călătoriilor în spaţiu şi ar putea oferi chiar noi perspective pentru studierea bolilor neurologice precum Parkinson şi scleroza multiplă.
Un studiu, publicat luna aceasta în revista Stem Cells Translational Medicine, documentează prima creştere şi analiză de succes a modelelor de ţesut cerebral uman - numite organoizi neuronali - pe Staţia Spaţială Internaţională (ISS). Aceste clustere tridimensionale de celule cerebrale, care măsoară câteva sute de micrometri în diametru, au petrecut 30 de zile pe orbită, la aproximativ 250 de mile deasupra suprafeţei Pământului, în ceea ce oamenii de ştiinţă numesc microgravitaţie.
Echipa de cercetare a creat aceşti organoizi folosind celule stem pluripotente umane induse (iPSC) - celule adulte care au fost reprogramate pentru a-şi recăpăta capacitatea de a se dezvolta în diferite tipuri de celule. Ei au dezvoltat două varietăţi distincte de organoizi cerebrali: unele care conţin celule similare celor găsite în cortexul creierului (stratul exterior implicat în gândire şi memorie) şi altele care conţin neuroni producători de dopamină, care sunt de obicei afectaţi în boala Parkinson.
Studiul a inclus celule de la patru persoane - doi donatori sănătoşi şi doi pacienţi cu afecţiuni neurologice (unul cu boala Parkinson şi unul cu scleroză multiplă progresivă primară). Pentru a face modelele mai cuprinzătoare, cercetătorii au adăugat celule imunitare de tip microglia la jumătate dintre organoizi pentru a observa modul în care sistemul imunitar din creier ar putea funcţiona în mediul spaţial.
Organoizii cerebrali au fost sănătoşi şi au continuat să crească după ce au petrecut o lună pe Staţia Spaţială Internaţională. (Credit: Jeanne Loring)
O inovaţie cheie a fost metoda dezvoltată pentru a menţine aceste structuri delicate în timpul zborului spaţial. Organoizii sunt de obicei crescuţi în lichid bogat în nutrienţi, care trebuie schimbat în mod regulat pentru a asigura nutriţia şi pentru a elimina produsele reziduale. Pentru a evita necesitatea lucrărilor de laborator pe ISS, echipa de cercetare a iniţiat o metodă de cultivare a organoizilor mai mici decât de obicei în crioviale - recipiente mici, etanşe la aer, concepute iniţial pentru congelare. Fiecare organoid a fost sigilat într-un flacon conţinând un mililitru de mediu de creştere special formulat.
Organoizii au fost pregătiţi în laboratoarele de la Staţia Spaţială Kennedy şi lansaţi pe ISS într-un incubator miniatural.
„Faptul că aceste celule au supravieţuit în spaţiu a fost o mare surpriză”, afirmă Jeanne Loring, profesor emerit la departamentul de medicină moleculară şi director fondator al Centrului de Medicină Regenerativă de la Institutul de cercetări Scripps, într-un comunicat.
Atunci când au analizat organoizii reveniţi pe Pământ, cercetătorii au descoperit diferenţe distincte între probele crescute în spaţiu şi omologii lor de pe Pământ.
„Am descoperit că în ambele tipuri de organoizi, profilul de expresie genică era caracteristic unui stadiu de dezvoltare mai vechi decât al celor care se aflau la sol”, spune Loring.
„În microgravitaţie, s-au dezvoltat mai rapid, dar este foarte important să ştim că aceştia nu erau neuroni adulţi, deci acest lucru nu ne spune nimic despre îmbătrânire”.
Echipa de cercetare a constatat că, atunci când au fost plasate în vase de laborator după revenirea pe Pământ, aceste celule şi-au demonstrat viabilitatea prin extinderea reţelelor de fibre de legătură numite neurite. Contrar aşteptărilor, analiza a indicat existenţa unor dovezi minime de stres celular sau inflamaţie în organoizii crescuţi în spaţiu - de fapt, a existat mai puţină inflamaţie şi mai puţină expresie a genelor legate de stres în comparaţie cu probele crescute pe Pământ.
Organoizi mini-cerebrali care prezintă structuri asemănătoare cortexului. (Credit: Andras Lakatos/Universitatea Cambridge)
Studiul a evidenţiat alterări ale căilor de comunicare celulară, în special ale semnalizării Wnt, care joacă un rol fundamental în dezvoltarea creierului. Cercetătorii au observat, de asemenea, modificări ale proteinelor secretate de celule în mediul înconjurător, deşi aceste modificări au variat între diferitele tipuri de organoizi.
În special, aceste modificări celulare păreau să fie influenţate în primul rând de mediul de microgravitaţie, mai degrabă decât de radiaţiile spaţiale. Expunerea la radiaţii în timpul misiunii de 30 de zile a fost de aproximativ 12 miligrai - comparabilă cu ceea ce ar putea experimenta membrii echipajului unei companii aeriene pe o perioadă similară de zboruri pe distanţe lungi.
De ce ar putea celulele creierului să se dezvolte diferit în spaţiu?
„Caracteristicile microgravitaţiei sunt, probabil, prezente şi în creierul oamenilor, deoarece în microgravitaţie nu există convecţie - cu alte cuvinte, lucrurile nu se mişcă”, explică prof. Loring.
„Cred că, în spaţiu, aceşti organoizi seamănă mai mult cu creierul, deoarece nu sunt spălaţi cu o grămadă de mediu de cultură sau oxigen. Ele sunt foarte independente; formează ceva de genul unui brainlet, un microcosmos al creierului.”
Aceste descoperiri contribuie atât la cercetarea în domeniul explorării spaţiale, cât şi la potenţiale aplicaţii medicale. Înţelegerea modului în care celulele creierului răspund la microgravitaţie ar putea informa strategiile de susţinere a sănătăţii astronauţilor în timpul misiunilor spaţiale prelungite.
În plus, studierea modului în care aceste celule se dezvoltă diferit în spaţiu ar putea oferi noi perspective pentru investigarea afecţiunilor neurologice pe Pământ.
Acest succes iniţial a deschis calea pentru continuarea cercetărilor. De la această primă misiune şi înainte de publicarea acestor rezultate, echipa de cercetare a efectuat deja alte patru misiuni la bordul ISS, fiecare dintre acestea bazându-se pe constatările iniţiale şi adăugând noi condiţii experimentale.
Studiile viitoare vor examina regiunile creierului afectate de boala Alzheimer şi vor investiga diferenţele potenţiale în modul în care neuronii se conectează între ei în spaţiu.
„În cazul acestor tipuri de studii, nu te poţi baza pe lucrările anterioare pentru a estima care ar fi rezultatul, deoarece nu există lucrări anterioare”, remarcă prof. Loring.
Rezumatul cercetării
Cercetătorii au generat organoizi neuronali din celule stem pluripotente umane induse, ghidându-le pentru a se dezvolta fie în neuroni corticali, fie în neuroni producători de dopamină. Organoizii individuali au fost sigilaţi în crioviale (eprubete criogenice/de congelare pentru laborator) conţinând 1 ml de mediu de creştere şi transportaţi pe ISS printr-o misiune SpaceX. Organoizii au rămas în spaţiu timp de 30 de zile, în timp ce organoizi de control identici au rămas pe Pământ. Temperatura şi expunerea la radiaţii au fost monitorizate pe întreaga perioadă. După întoarcerea pe Pământ, organoizii au fost supuşi unor analize multiple, inclusiv secvenţierea ARN, studii privind secreţia de proteine şi examinare microscopică.
Rezultate
Analizele au evidenţiat diferenţe semnificative în expresia genelor între organoizii crescuţi în spaţiu şi cei de la sol. Probele cultivate în spaţiu au prezentat niveluri crescute de gene asociate maturării şi niveluri reduse de gene legate de proliferare. Aceste modificări au fost consecvente atât pentru organoizii corticali, cât şi pentru cei dopaminergici. Organoizii şi-au menţinut viabilitatea şi au putut genera reţele neuronale după întoarcere.
Limitările studiului
Mai mulţi factori limitează aplicarea mai largă a studiului: Dimensiunea eşantionului a fost limitată la patru donatori de celule. Modelele de organoizi, deşi utile, reprezintă versiuni simplificate ale ţesutului cerebral. Este posibil ca durata de o lună să nu reflecte efectele unei şederi mai lungi în spaţiu. Influenţa sistemului static de cultură asupra rezultatelor nu poate fi separată complet de efectele microgravitaţiei. Studiul nu a fost conceput pentru a identifica diferenţele specifice bolii între celulele sănătoase şi cele derivate de la pacienţi.
Concluzii
Îmbunătăţirea observată în maturarea celulelor neurale în condiţii de microgravitaţie oferă noi perspective asupra dezvoltării creierului. Dovezile sugerează că microgravitaţia, mai degrabă decât alţi factori legaţi de spaţiu, a condus la schimbările observate. Implementarea cu succes a sistemului de cultură statică oferă o nouă metodă de întreţinere pe termen lung a organoizilor. Aceste constatări pot avea implicaţii atât pentru medicina spaţială, cât şi pentru cercetarea terestră.
Finanţare
Cercetarea a primit finanţare de la Fundaţia Naţională pentru Celule Stem. Laboratorul Naţional al Staţiei Spaţiale Internaţionale a oferit sprijin proiectului.
