Астронавт-на-чипе: Мультиорганные тканевые чипы моделируют влияние космической радиации на здоровье человека

По мере продвижения астронавтов дальше в космос растёт их воздействие вредной радиации. Исследователи из Колумбийского университета моделируют эффекты космической радиации на Земле, чтобы определить её влияние на физиологию человека, используя мультиорганные тканевые чипы. Их работа документирует различные эффекты, наблюдаемые в тканях после острого и длительного облучения, и выявляет множество генов, представляющих интерес, которые могут помочь в разработке будущих радиозащитных средств.

Исследование опубликовано в Advanced Science.

Во время космических полётов астронавты постоянно подвергаются воздействию галактических космических лучей (ГКЛ), состоящих из быстрых атомов, движущихся почти со скоростью света. Из-за высокой скорости электроны этих атомов отрываются, оставляя ионизированные ядра, которые выбивают электроны из окружающего материала. На Земле мы защищены от таких источников радиации атмосферой и магнитным полем планеты.

"ГКЛ гораздо более разрушительны, чем гамма- или рентгеновские лучи, из-за тяжёлых ионов, которые могут взаимодействовать с космическими кораблями и высвобождать высокоэнергетические вторичные частицы, способные повреждать ДНК астронавтов в тканях по всему телу", — объяснил ведущий автор исследования Навид Тавакол, доктор философии.

Для изучения повреждений от ГКЛ использовалась платформа "мультиорган-на-чипе" (multi-OOC), более точно представляющая индивидуальную физиологию человека. Эта система, разработанная в Колумбийском университете, позволяет соединять пациент-специфичные модели тканей разных органов сосудистым потоком, как в организме человека.

Используя multi-OOC, состоящий из тканей костного мозга, сердечной мышцы и печени, команда биоинженеров изучала влияние радиации на функцию органов и экспрессию генов. Модели подвергали как острому (короткое, но интенсивное воздействие), так и пролонгированному облучению (как при длительном пребывании на МКС), сравнивая с контрольной моделью без облучения.

С помощью ускорительной системы нейтронного облучения multi-OOC подвергали дозе 0.5 грей либо в острой форме (за 15-20 минут), либо в пролонгированной (0.04 грей 12 раз в день по три минуты в течение двух недель).

Ключевые результаты:

• Одна и та же кумулятивная доза радиации, полученная в течение двух недель (пролонгированно), а не за один раз (остро), оказывала большее влияние на функции костного мозга и сердечной мышцы.
• Пролонгированное облучение увеличивало дифференцировку стволовых клеток костного мозга в иммунные клетки и снижало их дифференцировку в клетки крови, что является потенциальным предшественником анемии и/или рака крови.
• После пролонгированного облучения наблюдались изменения в способности сердечных клеток сокращаться, потенциально предсказывающие гипертрофическую кардиомиопатию.
• Секвенирование иммунных клеток, мигрировавших в циркулирующий компартмент, выявило 58 генов, специфично затронутых пролонгированным облучением, что определяет потенциальные мишени для радиозащиты.

"Эти данные определяют набор биомаркеров, которые могут помочь в разработке будущих средств противодействия радиации, и доказывают осуществимость и потенциал масштабирования multi-OOC для изучения реакции организма на дальние космические полёты", — сказала Гордана Вуньяк-Новакович, доктор философии.

"Кроме того, это исследование закладывает основу для создания индивидуализированных платформ 'астронавт-на-чипе', которые могут дать представление об индивидуальных реакциях астронавтов на радиацию и радиозащитные средства".