Non è un segreto che trascorrere lunghi periodi nello spazio abbia un impatto sul corpo umano. Per molti anni, la NASA e altre agenzie spaziali hanno studiato gli effetti della microgravità su esseri umani, animali e piante a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Fino ad oggi, la ricerca ha dimostrato che stare nello spazio per lunghi periodi può portare ad atrofia muscolare, perdita di densità ossea, cambiamenti nella visione, espressione genica e problemi psicologici. Comprendere questi effetti e come mitigarli è fondamentale, considerando i nostri obiettivi futuri di esplorazione spaziale che includono missioni di lunga durata verso la Luna, Marte e oltre.
Tuttavia, secondo un esperimento recente condotto da ricercatori della Johns Hopkins University e supportato dal Johnson Space Center della NASA, sembra che anche i tessuti cardiaci “non stiano affatto bene nello spazio”. L’esperimento ha coinvolto 48 campioni di tessuto cardiaco bioingegnerizzato umano inviati all’ISS per 30 giorni. Come indicano nel loro documento, l’esperimento dimostra che l’esposizione alla microgravità indebolisce il tessuto cardiaco e compromette la sua capacità di mantenere battiti regolari. Questi risultati evidenziano la necessità di adottare ulteriori misure per garantire che gli esseri umani possano mantenere la propria salute cardiovascolare nello spazio.
Lo studio è stato guidato da Deok-Ho Kim e dai suoi colleghi del Dipartimento di Ingegneria Biomedica della Johns Hopkins University (BME-JHU) e del JHU Center for Microphysiological Systems. Hanno collaborato ricercatori dell’Ann and HJ Smead Department of Aerospace Engineering Sciences dell’Università del Colorado Boulder, dell’Institute for Stem Cell & Regenerative Medicine (ISCRM) e del Center for Cardiovascular Biology dell’Università di Washington, del Stanford Institute for Stem Cell & Regenerative Medicine, di BioServe Space Technologies e del Johnson Space Center della NASA. Il documento che descrive le loro scoperte è stato pubblicato ieri (23 settembre) nelle Proceedings of the National Academy of Sciences.
I tessuti cardiaci all’interno di una delle camere pronte al lancio. Credito: Jonathan Tsui.
Ricerche precedenti hanno dimostrato che gli astronauti che tornano sulla Terra dall’ISS soffrono di una miriade di effetti sulla salute che corrispondono a determinate condizioni legate all’età, tra cui ridotta funzionalità del muscolo cardiaco e aritmie. Tuttavia, nessuna di queste ricerche ha affrontato ciò che accade a livello cellulare e molecolare. Per saperne di più su questi effetti e su come mitigarli, Kim e i suoi colleghi hanno inviato una piattaforma automatizzata di “cuore su un chip” all’ISS per lo studio.
Per creare questo carico, il team ha utilizzato cellule staminali pluripotenti indotte umane (iPSCs), che possono trasformarsi in molti tipi di cellule, per produrre cardiomiociti (cellule del muscolo cardiaco). Questi tessuti risultanti sono stati collocati in un chip bioingegnerizzato miniaturizzato progettato per imitare l’ambiente di un cuore umano adulto. I chip avrebbero quindi raccolto dati su come i tessuti contraggono ritmicamente, simulando il modo in cui il cuore batte. Un set di biochip è stato lanciato a bordo della missione SpaceX CRS-20 verso l’ISS nel marzo 2020, mentre un altro è rimasto sulla Terra come gruppo di controllo.
Una volta sull’ISS, l’astronauta Jessica Meir si è occupata dell’esperimento, cambiando i nutrienti liquidi che circondavano i tessuti una volta alla settimana, preservando i campioni di tessuto a intervalli specifici affinché l’analisi genica e di imaging potesse essere condotta al loro ritorno sulla Terra. Nel frattempo, l’esperimento inviava dati in tempo reale sulla Terra ogni 30 minuti (per 10 secondi alla volta) riguardanti le contrazioni dei campioni di tessuto e eventuali schemi di battito irregolari (aritmie).
“Un’incredibile quantità di tecnologia all’avanguardia nei settori delle cellule staminali e dell’ingegneria tissutale, biosensori e bioelettronica, e microfabbricazione è stata impiegata per garantire la vitalità di questi tessuti nello spazio,” ha affermato Kim in un comunicato stampa recente.
Quando le camere di tessuto sono tornate sulla Terra, lui e i suoi colleghi hanno continuato a mantenere e raccogliere dati dai campioni per vedere se ci fossero stati cambiamenti nella loro capacità di contrarsi. Oltre a perdere forza, i tessuti muscolari hanno sviluppato aritmie, coerenti con le condizioni cardiache legate all’età. In un cuore umano sano, il tempo tra un battito e l’altro è di circa un secondo, mentre i campioni di tessuto duravano quasi cinque volte tanto – anche se tornavano quasi normali una volta riportati sulla Terra.
Il team ha inoltre scoperto che i fasci di proteine delle cellule tessutali che aiutano nella contrazione (sarcomeri) erano più corti e più disordinati rispetto a quelli del gruppo di controllo, un altro sintomo di cardiopatia. Inoltre, i mitocondri nei campioni di tessuto sono cresciuti più grandi e rotondi e hanno perso le caratteristiche pieghe che li aiutano a produrre e utilizzare energia. Infine, la lettura genica nei tessuti ha mostrato un’aumento della produzione genica relativa all’infiammazione e un disequilibrio di radicali liberi e antiossidanti (stress ossidativo).
Questo non è solo coerente con le malattie cardiache legate all’età, ma è dimostrato in modo consistente anche nei controlli post-volo degli astronauti. Il team afferma che questi risultati ampliano la nostra conoscenza scientifica sugli effetti potenziali della microgravità sulla salute umana nello spazio e potrebbero anche avanzare lo studio dell’invecchiamento del muscolo cardiaco e delle terapie sulla Terra. Nel 2023, il laboratorio di Kim ha proseguito con questo esperimento inviando un secondo lotto di campioni di tessuto all’ISS per testare farmaci che potrebbero aiutare a proteggere i muscoli cardiaci dagli effetti della microgravità e mantenere la funzione cardiaca mentre si invecchia.
Nel frattempo, il team continua a migliorare il suo sistema di tessuto su un chip e ha collaborato con il Laboratorio per le Radiazioni Spaziali della NASA per studiare gli effetti delle radiazioni spaziali sui muscoli cardiaci. Questi test valuteranno la minaccia che i raggi solari e cosmici rappresentano per la salute cardiovascolare oltre l’orbita terrestre bassa (LEO), dove il campo magnetico terrestre protegge dalla maggior parte delle radiazioni spaziali.
Ulteriori letture: Johns Hopkins University, PNAS