Wetenschappers van het Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Institute hebben aangetoond dat fruitvliegen die enkele weken op het International Space Station (ISS) hebben doorgebracht - ongeveer de helft van hun leven - diepgaande structurele en biochemische veranderingen in hun hart ervoeren. De studie, vandaag gepubliceerd in Mobiele rapporten , suggereert dat astronauten die een lange tijd in de ruimte doorbrengen - wat nodig zou zijn voor de vorming van een maankolonie of om naar het verre Mars te reizen - soortgelijke effecten kunnen ondervinden en baat kunnen hebben bij beschermende maatregelen om hun hart gezond te houden. Het onderzoek bracht ook nieuwe inzichten aan het licht die op een dag mensen op aarde zouden kunnen helpen die langdurig bedrust hebben of met een hartaandoening leven.

"Voor de eerste keer, we de cellulaire en moleculaire veranderingen kunnen zien die ten grondslag kunnen liggen aan de hartaandoeningen die worden gezien in astronautenstudies, " zegt Karen Ocorr, doctoraat, assistent-professor in de Ontwikkeling, Aging and Regeneration Program bij Sanford Burnham Prebys en co-senior auteur van de studie. "We zijn deze studie gestart om de effecten van microzwaartekracht op het hart te begrijpen, en nu hebben we een routekaart die we kunnen gebruiken om strategieën te ontwikkelen om de harten van astronauten sterk en gezond te houden."

Eerdere studies hebben aangetoond dat onder omstandigheden van microzwaartekracht, het menselijk hart verschuift van een ovale naar een meer bolvormige vorm. Ruimtevlucht zorgt er ook voor dat de hartspier verzwakt (atrofie), vermindert het vermogen om bloed door het lichaam te pompen. Echter, tot nu, Onderzoek naar het menselijk hart - voltooid met behulp van echografie uitgevoerd op het ISS - is beperkt tot een relatief klein aantal astronauten. Hoewel belangrijk, deze studies hebben niet de cellulaire en moleculaire veranderingen onthuld die deze transformaties aandrijven - informatie die nodig is om tegenmaatregelen te ontwikkelen die astronauten veilig houden tijdens langdurige vluchten.

"Terwijl we doorgaan met ons werk om een ​​kolonie op de maan te stichten en de eerste astronauten naar Mars te sturen, het begrijpen van de effecten van langere tijd in microzwaartekracht op het menselijk lichaam is absoluut noodzakelijk, " zegt Sharmila Bhattacharya, doctoraat, senior wetenschapper bij NASA en een auteur van een studie. "De resultaten van vandaag laten zien dat microzwaartekracht dramatische effecten kan hebben op het hart, wat suggereert dat medische interventie nodig kan zijn voor langdurige ruimtereizen, en wijzen op verschillende richtingen voor therapeutische ontwikkeling."

Fruitvliegen zijn verrassend goede modellen om het menselijk hart te bestuderen. De insecten delen bijna 75% van de ziekteverwekkende genen die bij mensen worden gevonden, en hun buisvormige harten weerspiegelen een vroege versie van de onze - die begint als een buis wanneer we in de baarmoeder zijn en later vouwt in de vier kamers waarmee we vertrouwd zijn. Gelukkig, fruitvliegjes zijn ook grotendeels zelfvoorzienend. Al het voedsel dat de vliegen nodig hadden voor de duur van de reis, zat in speciale dozen die voor dit onderzoek waren ontworpen, zodat drukke astronauten zich op andere taken konden concentreren.

Reis naar de ruimte

In de studie, de wetenschappers stuurden de speciale "geventileerde vliegendozen" met flesjes gevuld met een paar vrouwelijke en mannelijke fruitvliegen naar het ISS voor een baan van een maand. Terwijl in de ruimte, deze vliegen produceerden honderden baby's die drie weken microzwaartekracht hebben ervaren - het menselijke equivalent van drie decennia. De fruitvliegjes die in de ruimte werden geboren, keerden terug naar de aarde via een landing voor de kust van Baja California. Een lid van het wetenschappelijke team haalde de vliegen uit de haven van Long Beach en bracht de exemplaren - heel voorzichtig - naar de campus van Sanford Burnham Prebys in La Jolla, Californië.

Toen de vliegen in het lab waren aangekomen, de wetenschappers kwamen in actie. Tests van de hartfunctie moesten binnen 24 uur na de terugkeer naar de aarde worden uitgevoerd, zodat de zwaartekracht de resultaten niet zou verstoren. De onderzoekers werkten de klok rond om de vliegen te meten'

vermogen om in een reageerbuis te klimmen; om video's van de kloppende harten vast te leggen om de contractiliteit en hartslag te meten; en om weefsel te bewaren voor toekomstige genetische en biochemische tests, inclusief het in kaart brengen van genexpressieveranderingen die in het hart hebben plaatsgevonden.

Uitgebreide weefselremodellering

Dit werk onthulde dat de ruimtevliegen kleinere harten hadden die minder samentrekkend waren - waardoor hun vermogen om bloed te pompen en de symptomen die bij astronauten werden gezien te spiegelen, werd verminderd. Het hartweefsel onderging ook een uitgebreide verbouwing. Bijvoorbeeld, de normaal parallelle spiervezels raakten niet goed uitgelijnd en verloren het contact met de omringende vezelachtige structuren die het hart in staat stellen kracht te genereren, wat resulteert in een verminderd pompen.

"In het normale vliegenhart, de spiervezels werken als je vingers wanneer ze in een tube tandpasta knijpen. In de ruimte vliegt, de samentrekking was alsof je tandpasta eruit probeerde te krijgen door erop te drukken in plaats van te knijpen, " legt Ocorr uit. "Voor mensen, dit kan een groot probleem worden."

Tot verbazing van de wetenschappers, de vezelige extracellulaire matrix (ECM) rond het hart van de ruimtevliegen was aanzienlijk verminderd. Na een hartletsel zoals een hartaanval, dit ondersteunende weefsel wordt vaak overgeproduceerd en verstoort de hartfunctie. Om deze reden, de wisselwerking tussen de ECM en het hart is een actief onderzoeksgebied voor hartwetenschappers.

"We waren erg opgewonden om verschillende ECM-interagerende eiwitten te vinden die ontregeld waren in de ruimtevliegen, " zegt Rolf Bodmer, doctoraat, directeur en hoogleraar Ontwikkeling, Aging and Regeneration Program bij Sanford Burnham Prebys en co-senior auteur van de studie. "Deze eiwitten waren niet eerder op de radar van hartonderzoekers, dus dit zou de ontwikkeling van therapieën kunnen versnellen die de hartfunctie verbeteren door fibrose te verminderen."

Het topje van de ijsberg

Ocorr en Bodmer zijn nog steeds bezig met het analyseren van genetische en moleculaire gegevens uit dit onderzoek en geloven dat deze inzichten het "topje van de ijsberg" zijn voor dit soort onderzoek. Problemen met het gezichtsvermogen komen veel voor bij astronauten, dus de wetenschappers analyseren ook oogweefsel van de ruimtevliegen. Een ander interessegebied heeft betrekking op de baby's van de vliegen die in de ruimte zijn geboren, die zou helpen om eventuele overgeërfde effecten van ruimtevluchten te onthullen. Hoewel de gezondheid van astronauten het primaire doel is, mensen op aarde kunnen uiteindelijk de grootste begunstigden zijn van dit baanbrekende werk.

"Ik ben ervan overtuigd dat onderzoek naar hartziekten zal profiteren van de inzichten die we krijgen van deze vluchten, "zegt Ocorr. "Begrijpen hoe het hart in de ruimte functioneert, zal ons ook meer leren over hoe het hart werkt en kan breken op aarde."