Tanto os voos espaciais quanto as simulações terrestres de microgravidade mostraram uma remodelação estrutural e funcional significativa do coração do rato. No entanto, os mecanismos celulares e moleculares por trás dele são difíceis de analisar a nível animal como um todo. Tecnologia de cultura celular tridimensional de microgravidade, através da simulação do ambiente de desequilíbrio para a pesquisa in vitro de vários tipos de células de origem cardíaca de camundongos, com sucesso revelou os principais processos patológicos como células do músculo cardíaco, ativação de fibrócitos, disfunção de células endoteliais, fornecendo uma base experimental para a compreensão da disfunção cardíaca espacial e o desenvolvimento de medidas protetoras.

Descobertas de experimentos em animais em geral: efeitos macroscópicos da microgravidade no coração de ratos

Após um voo espacial ou uma simulação de microgravidade no solo, como a desmontagem de membros traseiros, o coração do rato geralmente mostra:

1. Redução de massa cardíaca com WS：Em particular, diminuiu a qualidade do ventro esquerdo responsável pelo bombeamento de sangue.

Alterações de função: função de contração e eficiência da bomba de sangue diminuída.

3. Reformação: alteração da disposição das fibras do músculo cardíaco, aumento do depósito de colágeno intermescal, indicando o risco de fibrose.

Estratégias experimentais e descobertas fundamentais da cultura celular de microgravidade

Ao separar diferentes componentes celulares do coração de ratos e pesquisar em sistemas de cultura de microgravidade, como RWV, suspensão magnética, os cientistas obtiveram descobertas inovadoras:

1. Efeitos sobre as células do músculo cardíaco

Fenótipo: Inversão do tipo de contração para o tipo fetal.

· Evidências experimentais: Células do músculo cardíaco de camundongo cultivadas em biorreatores rotativos têm a expressão de proteínas contraídas (como a cadeia pesada de alfa-mioglobina) reduzida e a expressão de proteínas expressas no feto (como a cadeia pesada de beta-mioglobina) aumentada. Isso é altamente consistente com a redução da função cardíaca em ratos em geral após a perda de peso.

Exploração de mecanismos: O estudo descobriu que o espectro de expressão de microRNAs (como miR-1 e miR-133) é alterado, e estes miRNAs regulam a expansão de células do músculo cardíaco eWSinterruptor-chave.

Fenótipo: Aumento da atividade de autofagia celular e apoptose.

· Evidências experimentais: A expressão do marcador autofágico LC3-II aumentou e a taxa de sobrevivência celular diminuiu em esferas cardíacas culturadas em 3D. Isso sugere que, em um ambiente de microgravidade, o equilíbrio da auto-renovação das células do músculo cardíaco e da limpeza dos órgãos danificados é interrompido e promovido.processo WS.

2. Efeitos sobre a fibroblaste cardíaca

· Fenótipo: ativação e promoção da fibrose.

· Evidências experimentais: Esta é uma das descobertas mais importantes da cultura celular de microgravidade. Sob a microgravidade simulada, os fibrócitos cardíacos de camundongos foram ativados anormalmente e convertidos em fibrócitos musculares (que expressam a α-mioactina liso, α-SMA）。

· Exploração de mecanismos: Fibrocitos ativados sintetizam e secretam colágeno em grandes quantidades (tipo I e tipo III), resultando em excesso de sedimentação da matriz extracelular. A via de sinalização TGF-β1/Smad foi confirmada como o "interruptor principal" deste processo. Isso explica diretamente a tendência de fibrose intermediana cardíaca observada em experimentos com animais em geral.

3. Efeitos sobre as células endoteliais cardíacas

· Fenótipos: A angiogênese pode ser danificada com disfunção de barreira.

· Evidências experimentais: células endoteliais microvasculares do coração de ratos cultivadas por microgravidade, cuja capacidade tubular diminuiu significativamente e as taxas de migração e proliferação celular diminuíram.

Exploração de mecanismos: a expressão receptora e a sinalização de fatores relacionados à angiogênese, como o VEGF, são bloqueadas. Ao mesmo tempo, distúrbios na distribuição e função das conectivinas celulares, como a VE-calcioproteína, podem levar a alterações na permeabilidade vascular, afetando o fornecimento de nutrientes e oxigênio ao músculo cardíaco.

4. Efeitos sobre as células tronco cardíacas / células progenitoras

Fenótipo: Potencial de proliferação e diferenciação prejudicado.

Evidências experimentais: a microgravidade simulada inibe a capacidade das células progenitoras cardíacas de camundongos de se auto-renovar e se diferenciar em células do músculo cardíaco.

Efeito: Isso significa que o potencial de reparação e regeneração inerente ao coração é enfraquecido em ambientes de microgravidade, o que pode exacerbar a perda funcional causada pela apoptose e envelhecimento.

Vantagens experimentais da cultura celular de microgravidade

Exatidão do estudo do mecanismo: a resposta de um determinado tipo de célula (por exemplo, purificado em fibrócitos) à microgravidade pode ser estudada individualmente, excluindo a interferência de fatores como nervos, líquidos corporais e outros no ambiente corporal.

Análise de vias de sinalização: facilita o uso de inibidores, excitantes ou técnicas de edição de genes para verificar diretamente o papel de vias de sinalização específicas (como TGF-beta, Hippo) na resposta microgravitacional.

Plataforma para a triagem de medicamentos: com base nas descobertas acima, os medicamentos protetores podem ser triados em modelos "cardíacos" culturados em 3D. Por exemplo, testar se os inibidores do TGF-beta podem impedir a ativação dos fibroblastos ou testar se os antioxidantes protegem as células do músculo cardíaco.

Desafios e direções futuras

• Desafios:

Complexidade do modelo: os tipos atuais de célula única ou modelos de co-cultura simples ainda não são capazes de simular redes celulares complexas e acoplamento eletro-mecânico do coração.

Ciclos de cultura: os ciclos de simulação in vitro são relativamente curtos e são difíceis de corresponder à exposição espacial a longo prazo.

• Orientação futura:

• Construir modelos orgânicos mais complexos: as células do músculo cardíaco, fibroblastos e células endoteliais são proporcionalmente cultivadas juntas para formar um "microcoração" com função pulsante para estudar as interações entre as células.

Estimulação mecânica combinada: Aplicar forças mecânicas que simulam o batimento cardíaco após a cultura de microgravidade para estudar o processo de recuperação de "cargas pesadas", fornecendo estratégias para a recuperação da função cardíaca após o retorno dos astronautas à Terra.

• Conexão com experimentos espaciais: comparação dos resultados da cultura de células terrestres com os experimentos em órbita na Estação Espacial Internacional.

conclusão

A técnica de cultura celular de microgravidade é como um microscópio de alta multiplicação que amplifica os efeitos específicos da microgravidade sobre diferentes componentes celulares do coração do rato. Ele mostra claramente que a degeneração cardíaca espacial não é a degeneração funcional de uma única célula, mas o resultado de múltiplos distúrbios de sinergia celular, como cardiomiocitos, fibroblastos e células endoteliais. Essas descobertas a nível celular não só fornecem novos alvos para proteger a saúde cardiovascular dos astronautas, mas também enriquecem enormemente nossa compreensão dos mecanismos patológicos de doenças como a insuficiência cardíaca e a fibrose no planeta.