Frugtfluer afslører ny indsigt i rumrejsers effekt på hjertet

Forskere ved Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute har vist, at frugtfluer, der tilbragte flere uger på den internationale rumstation (ISS) - omkring halvdelen af ​​deres liv - oplevede dybtgående strukturelle og biokemiske ændringer i deres hjerter. Studiet, offentliggjort i dag i Cellerapporter , antyder, at astronauter, der tilbringer lang tid i rummet - hvilket ville være nødvendigt for at danne en månekoloni eller rejse til det fjerne Mars - kan lide lignende virkninger og kan drage fordel af beskyttelsesforanstaltninger for at holde deres hjerter sunde. Forskningen afslørede også ny indsigt, der en dag kan hjælpe mennesker på Jorden, der er i langtids sengeleje eller lever med hjertesygdomme.

"For første gang, vi kan se de cellulære og molekylære ændringer, der kan ligge til grund for hjertetilstande set i astronautstudier, " siger Karen Ocorr, Ph.D., adjunkt i udvikling, Aging and Regeneration Program på Sanford Burnham Prebys og co-senior forfatter af undersøgelsen. "Vi indledte denne undersøgelse for at forstå virkningerne af mikrogravitation på hjertet, og nu har vi en køreplan, vi kan bruge til at begynde at udvikle strategier for at holde astronauthjerter stærke og sunde."

Tidligere undersøgelser har vist, at under mikrogravitationsforhold, menneskets hjerte skifter fra en oval til en mere sfærisk form. Rumflyvning får også hjertemusklen til at svækkes (atrofi), reducerer dets evne til at pumpe blod gennem hele kroppen. Imidlertid, indtil nu, menneskelige hjerteundersøgelser - fuldført ved hjælp af ultralyd udført på ISS - har været begrænset til et relativt lille antal astronauter. Selvom det er vigtigt, disse undersøgelser afslørede ikke de cellulære og molekylære ændringer, der driver disse transformationer - information, der er nødvendig for at udvikle modforanstaltninger, der vil holde astronauter sikre på længerevarende flyvninger.

"Når vi fortsætter vores arbejde med at etablere en koloni på månen og sende de første astronauter til Mars, at forstå virkningerne af forlænget tid i mikrogravitation på den menneskelige krop er bydende nødvendigt, " siger Sharmila Bhattacharya, Ph.D., seniorforsker ved NASA og en undersøgelsesforfatter. "Dagens resultater viser, at mikrogravitation kan have dramatiske effekter på hjertet, tyder på, at medicinsk intervention kan være nødvendig for langvarige rumrejser, og pege på flere retninger for terapeutisk udvikling."

Frugtfluer er overraskende gode modeller til at studere det menneskelige hjerte. Insekterne deler næsten 75% af de sygdomsfremkaldende gener, der findes hos mennesker, og deres rørformede hjerter afspejler en tidlig version af vores – som begynder som et rør, når vi er i livmoderen og senere foldes ind i de fire kamre, som vi kender. Heldigvis, frugtfluer er også stort set selvbærende. Al den mad, fluerne havde brug for under turens varighed, var indeholdt i specielle kasser designet til denne undersøgelse - så travle astronauter kunne fokusere på andre opgaver.

Rejse til rummet

I undersøgelsen, forskerne sendte de specielle "udluftede fluebokse" indeholdende hætteglas fyldt med nogle få hun- og hanfrugtfluer til ISS for en en måned lang bane. Mens man er i rummet, disse fluer producerede hundredvis af babyer, der oplevede tre ugers mikrotyngdekraft - det menneskelige svar på tre årtier. Frugtfluerne, der blev født i rummet, vendte tilbage til Jorden via et splashdown ud for Baja Californias kyst. Et medlem af det videnskabelige hold hentede fluerne fra havnen i Long Beach og - meget forsigtigt - kørte prøverne til Sanford Burnham Prebys' campus i La Jolla, Californien.

Da fluerne ankom til laboratoriet, satte forskerne til handling. Test af hjertefunktion skulle tages inden for 24 timer efter hjemkomsten til Jorden, så tyngdekraften ikke ville forstyrre resultaterne. Forskerne arbejdede døgnet rundt for at måle fluernes

evnen til at klatre op i et reagensglas; at optage videoer af de bankende hjerter for at måle kontraktilitet og hjertefrekvens; og at bevare væv til fremtidige genetiske og biokemiske analyser, herunder kortlægning af genekspressionsændringer, der opstod i hjertet.

Omfattende vævsremodellering

Dette arbejde afslørede, at rumfluerne havde mindre hjerter, der var mindre sammentrækkende - hvilket reducerede deres evne til at pumpe blod og spejlede symptomer set hos astronauter. Hjertevævet gennemgik også omfattende ombygning. For eksempel, de normalt parallelle muskelfibre blev forkert justeret og mistede kontakten med de omgivende fibrøse strukturer, der tillader hjertet at generere kraft - hvilket resulterer i nedsat pumpning.

"I det normale fluehjerte, muskelfibrene fungerer som dine fingre, når de klemmer en tube tandpasta. I rummet flyver, sammentrækningen var som at prøve at få tandpasta ud ved at trykke ned i stedet for at klemme, " forklarer Ocorr. "For mennesker, dette kan blive et stort problem."

Til forskernes overraskelse, den fibrøse ekstracellulære matrix (ECM), der omgiver hjertet af rumfluerne, blev signifikant reduceret. Efter en hjerteskade som et hjerteanfald, dette støttevæv er ofte overproduceret og forstyrrer hjertefunktionen. Af denne grund, samspillet mellem ECM og hjertet er et aktivt forskningsområde for hjerteforskere.

"Vi var meget begejstrede for at finde flere ECM-interagerende proteiner, der var dysregulerede i rumfluerne, siger Rolf Bodmer, Ph.D., direktør og professor i udvikling, Aging and Regeneration Program på Sanford Burnham Prebys og co-senior forfatter af undersøgelsen. "Disse proteiner var ikke tidligere på radaren af ​​hjerteforskere, så dette kan fremskynde udviklingen af ​​terapier, der forbedrer hjertefunktionen ved at reducere fibrose."

Toppen af ​​isbjerget

Ocorr og Bodmer har stadig travlt med at analysere genetiske og molekylære data fra denne undersøgelse og mener, at disse indsigter er "toppen af ​​isbjerget" for denne type forskning. Synsproblemer er almindelige hos astronauter, så forskerne analyserer også øjenvæv fra rumfluerne. Et andet interesseområde vedrører babyerne af de fluer, der blev født i rummet, som ville hjælpe med at afsløre eventuelle nedarvede effekter af rumflyvning. Mens astronautsundhed er det primære mål, mennesker på Jorden kan i sidste ende være de største fordele af dette banebrydende arbejde.

"Jeg er overbevist om, at forskning i hjertesygdomme vil drage fordel af den indsigt, vi får fra disse flyvninger, " siger Ocorr. "At forstå, hvordan hjertet fungerer i rummet, vil også lære os mere om, hvordan hjertet fungerer og kan knække på Jorden."