Nello spazio il cuore umano invecchia più rapidamente

Lo studio “Spaceflight-induced contractile and mitochondrial dysfunction in an automated heart-on-a-chip platform”, pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) da un team di ricercatori statunitensi guidato dal Department of Biomedical Engineering della Johns Hopkins University, si basa sulle analisi di 48 campioni di tessuto cardiaco umano bioingegnerizzato che hanno trascorso 30 giorni sulla Stazione Spaziale Internazionale e ha dimostrato che «Le condizioni di bassa gravità nello spazio hanno indebolito i tessuti e interrotto i loro normali battiti ritmici rispetto ai campioni terrestri provenienti dalla stessa fonte.»

Secondo gli scienziati «I tessuti cardiaci non se la cavano molto bene nello spazio e, nel tempo, i tessuti a bordo della stazione spaziale hanno raggiunto una frequenza cardiaca circa la metà di quella dei tessuti della stessa fonte conservati sulla Terra. Queste scoperte ampliano la conoscenza scientifica sui potenziali effetti della bassa gravità sulla sopravvivenza e sulla salute degli astronauti durante le lunghe missioni spaziali e potrebbero fungere da modelli per studiare l'invecchiamento del muscolo cardiaco e le terapie sulla Terra».

Deok-Ho Kim, professore di ingegneria biomedica e medicina alla Johns Hopkins University e che ha guidato il progetto per inviare tessuto cardiaco alla stazione spaziale, ricorda che «Studi precedenti hanno dimostrato che alcuni astronauti tornano sulla Terra dallo spazio con problemi legati all'età, tra cui una ridotta funzionalità del muscolo cardiaco e aritmie (battiti cardiaci irregolari), e che alcuni effetti, ma non tutti, scompaiono nel tempo dopo il loro ritorno. Ma, nel tentativo di trovare modi per mantenere gli astronauti al sicuro durante i lunghi voli spaziali, gli scienziati hanno cercato modi per studiare questi  effetti a livello cellulare e molecolare».  

Per creare il carico utile cardiaco, uno degli autori dello studio Jonathan Tsui della Hopkins, ha convinto le cellule staminali pluripotenti indotte umane (iPSC) a svilupparsi in cellule del muscolo cardiaco (cardiomiociti), poi ha inserito i tessuti in un chip tissutale miniaturizzato e bioingegnerizzato che lega i tessuti tra due “pali” per raccogliere dati su come i tessuti battono (si contraggono). L'alloggiamento 3D delle cellule è stato progettato per imitare l'ambiente di un cuore umano adulto in una camera grande la metà di un telefono cellulare.

Ora Tsui lavora alla Tenaya Therapeutics, un'impresa che si occupa di prevenzione e  trattamento delle mattie cardiache  e racconta che «Per portare i tessuti a bordo della missione SpaceX CRS-20, lanciata a marzo 2020 e diretta alla stazione spaziale, ho dovuto trasportare a mano le camere dei tessuti su un aereo per la Florida e continuare a prendermi cura dei tessuti per un mese al Kennedy Space Center».

Una volta che i tessuti sono stati portati sulla stazione spaziale, gli scienziati hanno ricevuto dati in tempo reale, per 10 secondi ogni 30 minuti, sulla forza di contrazione delle cellule e su qualsiasi schema di battito irregolare. L'astronauta Jessica Meir ha cambiato i nutrienti liquidi che circondavano i tessuti una volta alla settimana e ha conservato i tessuti a intervalli specifici per la successiva lettura dei geni e analisi di imaging. Il team di ricerca ha conservato sulla Terra un set di tessuti cardiaci sviluppati nello stesso modo, ospitati nello stesso tipo di camera, per confrontarli con i tessuti nello spazio. Una volta che le camere di decomposizione dei tessuti sono tornate sulla Terra, Tsui ha continuato a conservarle  e a raccogliere dati.

Kim, il cui team ha sviluppato il chip tissutale per questo progetto e quelli successivi, sottolinea che «Per garantire la vitalità di questi tessuti nello spazio è stata impiegata un'incredibile quantità di tecnologia all'avanguardia nei settori dell'ingegneria delle cellule staminali e dei tessuti, dei biosensori e della bioelettronica e della microfabbricazione».  

Devin Mair, ex dottorando nel laboratorio di Kim e ora ricercatore alla Johns Hopkins, ha poi analizzato la capacità dei tessuti di contrarsi e dice che «Oltre a perdere forza, i tessuti muscolari cardiaci nello spazio hanno sviluppato battiti irregolari (aritmie), interruzioni che possono causare l'insufficienza cardiaca umana. Normalmente, il tempo tra un battito del tessuto cardiaco e il successivo è di circa un secondo. Questa misura, nei tessuti a bordo della stazione spaziale, è cresciuta fino a essere quasi cinque volte più lunga di quella sulla Terra, sebbene il tempo tra i battiti sia tornato quasi alla normalità quando i tessuti sono tornati sulla Terra».

gli scienziati hanno scoperto anche che nei tessuti inviati nello spazio, che «I sarcomeri (i fasci di proteine ​​presenti nelle cellule muscolari che ne favoriscono la contrazione) erano diventati più corti e disordinati, un segno distintivo delle malattie cardiache umane. Inoltre, i mitocondri che producono energia nelle cellule legate allo spazio sono diventati più grandi, più rotondi e hanno perso le caratteristiche pieghe che aiutano le cellule a utilizzare e produrre energia».

Mair,  Eun Hyun Ahn , professore associato di ricerca in ingegneria biomedica, e Zhipeng Dong, studente laureato alla Johns Hopkins, hanno studiato la lettura genica nei tessuti ospitati nello spazio e sulla Terra e «I tessuti della stazione spaziale hanno mostrato una maggiore produzione genica coinvolta nell'infiammazione e nel danno ossidativo, anch'essi tratti distintivi delle malattie cardiache. Molti di questi marcatori di danno ossidativo e infiammazione vengono costantemente riscontrati nei controlli post-volo degli astronauti» afferma Mair.

Nel 2023 il laboratorio di Kim ha inviato alla stazione spaziale un secondo lotto di tessuti cardiaci ingegnerizzati in 3D per selezionare farmaci che potrebbero proteggere le cellule dagli effetti della bassa gravità. Questo studio è ancora in corso e, secondo gli scienziati, «Questi stessi farmaci potrebbero aiutare le persone a mantenere la funzionalità cardiaca invecchiando».

Intanto, o ricercatori  stanno continuando a migliorare il loro sistema "tissue on a chip" e stanno studiando gli effetti delle radiazioni sui tessuti cardiaci al NASA Space Radiation Laboratory. La stazione spaziale si trova in orbita terrestre bassa, dove il campo magnetico del pianeta protegge gli occupanti dalla maggior parte degli effetti delle radiazioni spaziali.